Глаз — это область преимущественно спокойной погоды в центре тропического циклона . Глаз шторма представляет собой примерно круглую область, обычно диаметром 30–65 километров (19–40 миль). Он окружен стеной- глазом , кольцом высоких гроз , где бывает самая суровая погода и самые сильные ветры циклона. Самое низкое атмосферное давление циклона наблюдается в глазу и может быть на 15 процентов ниже, чем давление за пределами урагана. [1]
В сильных тропических циклонах глаз характеризуется легким ветром и ясным небом, окруженным со всех сторон высокой симметричной стенкой глаза. В более слабых тропических циклонах глаз менее четко выражен и может быть закрыт центральной плотной облачностью — областью высоких и густых облаков, которые ярко видны на спутниковых снимках . Более слабые или неорганизованные штормы также могут иметь стенку глаза, которая не полностью окружает глаз, или глаз, в котором виден сильный дождь. Однако во время всех штормов глаз находится там, где показания барометра самые низкие. [1] [2]
Типичный тропический циклон имеет глаз диаметром примерно 30–65 км (20–40 миль) в геометрическом центре шторма. Глаз может быть ясным или иметь пятнистые низкие облака ( ясный глаз ), он может быть заполнен облаками низкого и среднего уровня ( заполненный глаз ) или может быть закрыт центральной плотной облачностью. Однако ветра и дождя очень мало, особенно вблизи центра. Это резко контрастирует с условиями в стенке глаза, где дуют самые сильные ветры шторма. [3] Из-за механики тропического циклона глаз и воздух непосредственно над ним теплее, чем окружающая их среда. [4]
Обычно глаза довольно симметричны, но могут быть продолговатыми и неправильными, особенно во время ослабевающих штормов. Большой неровный глаз — это глаз некруглой формы, который выглядит фрагментированным и является индикатором слабого или ослабевающего тропического циклона. Открытый глаз — это глаз, который может быть круглым, но стенка глаза не полностью окружает глаз, что также указывает на ослабевающий, лишенный влаги циклон или на слабый, но усиливающийся циклон. Оба этих наблюдения используются для оценки интенсивности тропических циклонов с помощью анализа Дворжака . [5] Стенки глаз обычно круглые; однако иногда встречаются отчетливо многоугольные формы от треугольников до шестиугольников. [6]
В то время как типичные зрелые штормы имеют глаза диаметром в несколько десятков миль, быстро усиливающиеся штормы могут образовывать чрезвычайно маленькие, ясные и круглые глаза, иногда называемые глазками-обскурами . Штормы с точечными отверстиями склонны к большим колебаниям интенсивности и доставляют синоптикам трудности и разочарования. [7]
Маленькие/крохотные глаза — диаметром менее десяти морских миль (19 км, 12 миль) — часто вызывают циклы замены глазной стенки, когда новая глазная стенка начинает формироваться за пределами исходной глазной стенки. Это может произойти на расстоянии от пятнадцати до сотен километров (от десяти до нескольких сотен миль) за пределами внутреннего глаза. Затем у шторма образуются две концентрические стенки глаза , или «око в глазу». В большинстве случаев внешняя стенка глаза начинает сжиматься вскоре после своего формирования, что заглушает внутренний глаз и оставляет глаз гораздо большего размера, но более стабильный. Хотя цикл замены имеет тенденцию ослаблять штормы по мере их возникновения, новая стенка глаза может довольно быстро сжаться после того, как старая стена глаза рассеется, позволяя шторму вновь усилиться. Это может спровоцировать еще один цикл повторного укрепления и замены стенки глаза. [8]
Размер глаз может варьироваться от 370 км (230 миль) ( тайфун Кармен ) [9] до всего 3,7 км (2,3 мили) в поперечнике. [10] Хотя штормы с большими глазами редко становятся очень интенсивными, такое случается, особенно при кольцевых ураганах . Ураган «Изабель» был одиннадцатым по мощности ураганом в Северной Атлантике за всю историю человечества и выдержал широкий — 65–80 км (40–50 миль) — глаз в течение нескольких дней. [11]
Тропические циклоны обычно образуются на больших, неорганизованных участках с нарушенной погодой в тропических регионах. По мере того, как формируется и собирается все больше гроз, у шторма образуются полосы дождя , которые начинают вращаться вокруг общего центра. По мере того как шторм набирает силу, на определенном расстоянии от центра вращения развивающегося шторма образуется кольцо более сильной конвекции . Поскольку более сильные грозы и более сильные дожди отмечают области более сильных восходящих потоков , атмосферное давление на поверхности начинает падать, и воздух начинает накапливаться на верхних уровнях циклона. [12] Это приводит к образованию антициклона верхнего уровня или области высокого атмосферного давления над центральной плотной облачностью. Следовательно, большая часть этого накопленного воздуха течет наружу антициклонически над тропическим циклоном. За пределами формирующегося глаза антициклон на верхних уровнях атмосферы усиливает поток к центру циклона, подталкивая воздух к стенке глаза и вызывая петлю положительной обратной связи . [12]
Однако небольшая часть скопившегося воздуха вместо того, чтобы течь наружу, течет внутрь, к центру шторма. Это заставляет давление воздуха расти еще больше, до такой степени, что вес воздуха противодействует силе восходящих потоков в центре шторма. Воздух начинает опускаться в центре шторма, создавая в основном бездождьную зону – недавно сформировавшийся глаз. [12]
Многие аспекты этого процесса остаются загадкой. Ученые не знают, почему кольцо конвекции образуется вокруг центра циркуляции, а не над ним, или почему антициклон верхнего уровня выбрасывает над штормом только часть избыточного воздуха. Существует множество теорий относительно точного процесса формирования глаза: точно известно только то, что глаз необходим тропическим циклонам для достижения высоких скоростей ветра. [12]
Формирование глаза почти всегда является показателем увеличения организации и силы тропических циклонов. По этой причине синоптики внимательно следят за развивающимися штормами на предмет признаков образования глаз. [ нужна цитата ]
Для штормов с ясным глазом обнаружение глаза так же просто, как просмотр изображений с метеорологического спутника . Однако для штормов с заполненным глазом или глазом, полностью закрытым центральной плотной облачностью, необходимо использовать другие методы обнаружения. Наблюдения с кораблей и охотников за ураганами могут определить глаз визуально, выискивая снижение скорости ветра или отсутствие осадков в центре шторма. В США, Южной Корее и некоторых других странах сеть доплеровских метеорадиолокационных станций NEXRAD может обнаруживать глаза вблизи побережья. Метеорологические спутники также оснащены оборудованием для измерения температуры водяного пара в атмосфере и температуры облаков, которое можно использовать для обнаружения формирующегося глаза. Кроме того, ученые недавно обнаружили, что количество озона в глазах намного превышает количество в стенках глаза из-за опускания воздуха из богатой озоном стратосферы. Приборы, чувствительные к озону, выполняют измерения, которые используются для наблюдения за поднимающимися и опускающимися столбами воздуха, а также указывают на формирование глаза еще до того, как спутниковые изображения смогут определить его формирование. [13]
Одно спутниковое исследование показало, что глаза обнаруживаются в среднем в течение 30 часов за шторм. [14]
Циклы замены стенок глаз , также называемые концентрическими циклами стенок глаз , естественным образом происходят в интенсивных тропических циклонах, как правило, при скорости ветра более 185 км/ч (115 миль в час) или при сильных ураганах (Категория 3 или выше по шкале ураганов Саффира-Симпсона ). Когда тропические циклоны достигают такой интенсивности, а стенка глаза сжимается или становится уже достаточно маленькой (см. выше), некоторые из внешних полос дождя могут усилиться и организоваться в кольцо гроз – внешнюю стенку глаза – которая медленно движется внутрь и лишает внутреннюю стенку глаза ему нужна влага и угловой момент . Поскольку самые сильные ветры локализуются в стенке глаза циклона, тропический циклон обычно ослабевает на этой фазе, поскольку внутренняя стена «заглушается» внешней стеной. В конце концов внешняя стенка глаза полностью заменяет внутреннюю, и шторм может вновь усилиться. [8]
Открытие этого процесса частично стало причиной окончания эксперимента правительства США по модификации ураганов Project Stormfury . Целью этого проекта было посеять облака за пределами стены глаза, что привело к образованию новой стены глаза и ослаблению шторма. Когда выяснилось, что это естественный процесс, вызванный динамикой ураганов, от проекта быстро отказались. [8]
Исследования показывают, что 53 процента мощных ураганов за время своего существования проходят хотя бы один из этих циклов. [15] Ураган «Аллен» в 1980 году претерпел неоднократные циклы замены стенок глаз, несколько раз колеблясь между статусом категории 5 и категории 4 по шкале Саффира-Симпсона, в то время как ураган Джульетта (2001 г.) представляет собой задокументированный случай тройных стенок глаз. [15]
Ров в тропическом циклоне представляет собой четкое кольцо за пределами стенки глаза или между концентрическими стенками глаза, характеризующееся оседанием (медленно опускающимся воздухом) и небольшим количеством осадков или их отсутствием . В потоке воздуха во рву преобладает совокупный эффект растяжения и сдвига . Ров между стенами глаз — это область во время шторма, где скорость вращения воздуха сильно меняется пропорционально расстоянию от центра шторма; эти области также известны как зоны быстрой филаментации . Такие области потенциально можно обнаружить вблизи любого вихря достаточной силы, но наиболее выражены они в сильных тропических циклонах. [16]
Мезовихри на стенках глаз представляют собой мелкомасштабные вращательные образования, обнаруженные на стенках глаз интенсивных тропических циклонов. В принципе они подобны небольшим «всасывающим вихрям», часто наблюдаемым в многовихревых торнадо . [17] В этих вихрях скорость ветра может быть выше, чем где-либо еще в стенке глаза. [18] Мезовихри на стенках глаз наиболее распространены в периоды усиления тропических циклонов. [17]
Мезовихри на стенках глаз часто демонстрируют необычное поведение в тропических циклонах. Обычно они вращаются вокруг центра низкого давления, но иногда остаются неподвижными. Было зарегистрировано даже, что мезовихри на стенках глаз пересекали глаз шторма. Эти явления были зарегистрированы наблюдательно, [19] экспериментально, [17] и теоретически. [20]
Мезовихри на стенках глаз являются важным фактором формирования торнадо после выхода тропического циклона на сушу. Мезовихри могут порождать вращение в отдельных конвективных ячейках или восходящих потоках (мезоциклон ) , что приводит к торнадической активности. При выходе на берег возникает трение между циркуляцией тропического циклона и сушей. Это может позволить мезовихрям опуститься на поверхность, вызывая торнадо. [21] Эти торнадические циркуляции в пограничном слое могут преобладать во внутренних стенках интенсивных тропических циклонов, но из-за кратковременности и небольших размеров они наблюдаются нечасто. [22]
Эффект стадиона — явление, наблюдаемое во время сильных тропических циклонов. Это довольно распространенное явление, когда облака на стенке глаза с высотой выгибаются наружу от поверхности. Это придает глазу вид, напоминающий спортивный стадион с воздуха. Глаз всегда больше в верхней части грозы и наименьший в нижней части грозы, потому что поднимающийся воздух в стенке глаза следует изолиниям равного углового момента , которые также наклоняются наружу с высотой. [23] [24] [25]
Глазоподобная структура часто встречается в усиливающихся тропических циклонах. Подобно глазу, наблюдаемому при ураганах или тайфунах, это круглая область в центре циркуляции шторма, в которой конвекция отсутствует. Эти глазоподобные особенности чаще всего встречаются при усиливающихся тропических штормах и ураганах категории 1 по шкале Саффира-Симпсона. Например, глазоподобная особенность была обнаружена во время урагана Бета , когда максимальная скорость ветра составляла всего 80 км/ч (50 миль в час), что значительно ниже силы урагана. [26] Эти особенности обычно не видны в видимом или инфракрасном диапазоне волн из космоса, хотя их легко увидеть на микроволновых спутниковых изображениях. [27] Их развитие на средних уровнях атмосферы похоже на формирование целого глаза, но детали могут быть смещены по горизонтали из-за вертикального сдвига ветра. [28] [29]
Хотя глаз — это, безусловно, самая спокойная часть шторма (по крайней мере, на суше), без ветра в центре и обычно ясное небо, на океане это, возможно, самая опасная зона. В стене глаза все ветровые волны движутся в одном направлении. Однако в центре глаза волны сходятся со всех сторон, создавая беспорядочные гребни, которые могут наслаиваться друг на друга, образуя волны-убийцы . Максимальная высота ураганных волн неизвестна, но измерения во время урагана Иван , когда это был ураган 4-й категории, показали, что волны возле стены глаза превышали 40 м (130 футов) от пика до минимума. [30]
Распространенной ошибкой, особенно в районах, где ураганы являются редкостью, является то, что жители выходят из своих домов, чтобы осмотреть ущерб, в то время как спокойный взгляд проходит мимо, только для того, чтобы быть застигнутыми врасплох сильным ветром в противоположной стене. [31]
Хотя только тропические циклоны имеют структуры, официально называемые «глазами», существуют и другие погодные системы, которые могут иметь черты, похожие на глаза. [1] [32]
Полярные минимумы — это мезомасштабные погодные системы, обычно диаметром менее 1000 км (600 миль), расположенные вблизи полюсов . Подобно тропическим циклонам, они формируются над относительно теплой водой и могут проявляться глубокой конвекцией и ветрами ураганной силы и выше. Однако, в отличие от штормов тропической природы, они процветают при гораздо более низких температурах и в гораздо более высоких широтах. Они также меньше по размеру и действуют в течение более короткого времени, причем немногие из них длятся дольше дня или около того. Несмотря на эти различия, по структуре они могут быть очень похожи на тропические циклоны, имеющие ясный глаз, окруженный стенкой глаза, и полосы дождя и снега. [33]
Внетропические циклоны — области низкого давления, существующие на границе различных воздушных масс . Почти все штормы, встречающиеся в средних широтах, имеют внетропическую природу, включая классические североамериканские норд-осты и европейские ураганы . Самый сильный из них может иметь четкий «глаз» в месте самого низкого атмосферного давления, хотя обычно он окружен нижними неконвективными облаками и находится в конце шторма. [34]
Субтропические циклоны — это системы низкого давления с некоторыми внетропическими характеристиками и некоторыми тропическими характеристиками. Таким образом, у них может быть глаз, но они не являются по-настоящему тропическими по своей природе. Субтропические циклоны могут быть очень опасными, вызывая сильные ветры и волнения, и часто превращаются в полностью тропические циклоны. По этой причине в 2002 году Национальный центр ураганов начал включать субтропические штормы в свою схему наименования. [35]
Торнадо — это разрушительные небольшие штормы, вызывающие самые быстрые ветры на Земле. Существует два основных типа: одновихревые торнадо, состоящие из одного вращающегося столба воздуха, и многовихревые торнадо, состоящие из небольших «всасывающих вихрей», напоминающих сами мини-торнадо, вращающихся вокруг общего центра. Предполагается, что у обоих этих типов торнадо глаза спокойные. Эти теории подтверждаются доплеровскими наблюдениями за скоростью с помощью метеорадиолокатора и свидетельствами очевидцев. [36] [37]
В ноябре 2006 года НАСА сообщило, что космический корабль Кассини наблюдал «ураганный» шторм, прикованный к южному полюсу Сатурна с четко очерченной стенкой глаза. Наблюдение было особенно примечательным, поскольку облака в стенке глаза ранее не наблюдались ни на одной планете, кроме Земли (включая неспособность наблюдать стену глаза в Большом Красном Пятне Юпитера космическим кораблем Галилео ). [38] В 2007 году очень большие вихри на обоих полюсах Венеры наблюдались миссией Венера-Экспресс Европейского космического агентства и имели структуру дипольного глаза. [39]