Kako nastane tornado?

    Trinajstega marca 1990 je sedemletni Carson skupaj z mamo in štirimi sestrami sedel za kuhinjsko mizo v Hesstonu, Kansas, in jedel palačinke. Nenadoma so se oglasile sirene. Skozi okna na eni strani hiše so videli povsem jasno nebo, skozi okna na drugi strani pa je bilo nebo popolnoma črno. “Skrili smo se v klet, kjer je bila tudi moja soba. Ko je zmanjkalo elektrike, se je moja mama resnično ustrašila. Splezali smo na pograde in peli himne. Slišali smo bobneč zvok, kot da bi prihajal velik vlak. Hrup je postajal vse večji in večji. Nismo se niti slišali, ko smo smo peli. Nato je nenadoma hrup utihnil. Poskusili smo priti nazaj v kuhinjo, vendar nismo mogli odpreti vrat. Strop se je zrušil! Garažna vrata so bila odprta, tako da smo prišli le ven. Nekaj hiš ni bilo več. Bile so le betonske plošče z ljudmi, ki so prihajali iz kleti. Neverjetno je, da v celem naselju nihče ni umrl. Spomnim, se, da sem videl avto na drevesu. Sedaj sem star 14 let in tornado je edina stvar, ki se je spomnim iz prvega razreda.”

    Kar niti ni nenavadno, saj je v meteorološkem svetu tornado znan kot eden najintenzivnejših in uničujočih vremenskih pojavov. V nas sproža strahospoštovanje, hkrati pa tudi občudovanje nad njegovo lepoto in močjo. V nadaljevanju se bomo seznanili z lastnostmi tornada; kje, zakaj in kako nastajajo, njihovo povezanost z nevihtami, kakšna je napovedljivost tornadov in kako opravljamo meritve pri teh smrtonosnih pojavih.

    Lastnosti tornada

    Tornado je silovito se vrteč stolp zraka, ki se spusti iz nevihtnega cumulonimbusnega oblaka in se dotika tal. Zaradi kondenzacije vodne pare ter dviganja oblakov prahu, zemlje in kamenja, ki ga potegne v vrtinec, postane tornado viden, pri tem pa lahko zavzame najrazličnejše oblike. Najbolj pogosta je lijakasta oblika, lahko pa ima tudi obliko opletajoče vrvi. Območje vrtenja tornada je širše kot je vidni del tornada, to je njegov lijakast oblak. Tipično premer lijakastega oblaka predstavlja le približno devetino celotnega območja, ki ga zajame vrtenje tornada.

    Za tornade, ki se pojavljajo v Združenih državah Amerike, obstaja tudi nekaj zanimive statistike. Tako ima povprečen tornado premer 100 metrov, piha s hitrostjo 150 km/h, se giblje s hitrostjo 40 do 60 km/h v smeri proti severovzhodu, pri tem pa opravi pot dolgo 7 km in traja povprečno nekaj minut.Vendar pa so si tornadi med seboj lahko tudi zelo različni. Njihovi premeri so od nekaj metrov do več kilometrov (največji do sedaj zabeležen tornado je imel premer 4 km), opravljene poti so dolge tudi več 100 km (najdaljša pot tornada je bila 470 km), trajajo lahko po več ur, premikajo se s hitrostjo tudi več kot 100 km/h, medtem ko hitrosti vetrov v njih lahko presegajo 500 km/h.

    Zgornja slika prikazuje pogostost pojavljanja tornadov v ZDA. Na zemljevidu levo spodaj je z rožnato označena lega “Aleje tornadov”, kjer je pogostost pojavljanja tornadov večja kot 6 tornadov/ 10 000 milj2 (za primerjavo: Slovenija je velika 7 820 milj2).

    Tornade so opazili skoraj po vsem svetu. V Evropi se jih največ pojavi v Veliki Britaniji. Občasno se pojavijo tudi v Sloveniji. Zadnji dokumentirani tornado pri nas je bil 23. avgusta 1986 na Notranjskem, ko je za seboj pustil 34 km dolgo in od 100 do 300 metrov široko sled, pri tem pa je najbolj prizadel vas Hotedrščica. Zaradi ugodne vremenske situacije in reliefa je pogostost pojavljanja tornadov največja v ZDA. V osrednjem delu ZDA se razprostira Veliko nižavje, ki ga na vzhodu obdajajo Apalači, na zahodu pa Skalno gorovje. Ker sta obe gorovji usmerjeni v smeri sever-jug, ima hladen in suh zrak, ki se zadržuje nad Kanado, ob ugodni vremenski situaciji neovirano pot, da prodre globoko proti jugu. Tudi topel in vlažen zrak iz območja Mehiškega zaliva lahko neovirano potuje daleč proti severu. Na stiku obeh zračnih mas, pride do pojava padavin, močnih neviht in tornadov. Največ tornadov na svetu zato nastane na območju tako imenovane aleje tornadov (ang. Tornado Alley ) in obsega območje od vzhodnega Teksasa, pokrajino Teksas Panhandle, čez Oklahomo, Kansas in dele Nebraske. Največja lokalna pogostnost pa je v osrednjem Ilinoisu, Indiani in južnem Missisipiju.

    Slike prikazujejo območja z največjo verjetnost nastanka tornada v ZDA v odvisnosti od letnega časa. (julij – september)

    april – junij

    januar – marec

    Letno ZDA v povprečju prizadene 900 tornadov (rekordno je bilo leta 1992, ko so našteli kar 1297 tornadov). Pojavljajo se lahko v kateremkoli mesecu ob katerikoli uri dneva ter na kateremkoli mestu. Vendar pa se jih 3/4 vseh pojavi od marca do julija (to obdobje imenujemo tudi “sezona tornadov”) večinoma v popoldanskem času (od 15:00 do 21:00 ), saj so takrat najbolj ugodne razmere za razvoj termične konvekcije. Meseca maja se v povprečju pojavi največ tornadov ( 5/dan), medtem ko se najbolj uničujoči aprila, ko so temperaturne razlike med toplim in hladnim zrakom največje. Pojavljanje tornadov je najpogostejše na meji med hladnim in toplim zrakom, ki se v toplejšem delu leta pomakne proti severu, v hladnejšem delu leta pa proti jugu.

    Poleg materialne škode tornadi za seboj pogosto pustijo tudi smrtne žrtve, saj v povprečju letno ubijejo 80 ter poškodujejo 1500 ljudi (velja za ZDA). Najhujše katastrofe se zgodijo, ko se pojavi izbruh tornadov (ang. tornado outbreak). Takrat se nad neko regijo pojavi več tornadov hkrati. Tako je leta 1925 sedem tornadov, ki so skupaj prepotovali kar tri zvezne države, povzročilo smrt 695 ljudi. Najbolj smrtonosen tornado izven ZDA je bil leta 1996 v Bangladešu, kjer je umrlo 500 ljudi, 32 000 pa se je poškodovalo. Zaradi zanesljivejšega napovedovanja vremena, se je v zadnjem desetletju število žrtev opazno zmanjšalo. Meritve z Dopplerjevim radarjem poleg tega omogočajo, da ugotovijo znake o nevarnosti tornadov tudi do 20 minut pred njihovim prihodom.

    Nastanek tornada

    Kot smo že omenili, so tornadi tesno povezani z močnimi nevihtami, ki nastanejo v nestabilnem ozračju. Take razmere nastanejo ob stiku toplega in hladnega zraka, npr. če je zaradi sončnega sevanja zrak lokalno pregret (toplejši od okolice). Tedaj se zaradi vzgona začne toplejši zrak dvigovati. Vzgon sili toplejši zrak navzgor, ker je njegova gostota manjša kot gostota hladnega okoliškega zraka. Večja kot je temperaturna razlika med okolico in dvigajočim zrakom, intenzivnejše in hitrejše je dviganje zrak. Proces na tem mestu lahko primerjamo z balonom na vroč zrak, ki se dviguje visoko v višine. Ob dvigovanju se zrak razpenja in opravlja delo, zato se dvigajoči zrak ohlaja. Z znižanjem temperature vodna para v oblaku kondenzira, kar vidimo kot nastanek oblakov. Dokler je temperatura dvigajočega se zraka višja od okoliškega zraka, se bo dviganje nadaljevalo in se ustavilo šele 12 km nad površjem, v tropopavzi, kjer se temperaturi izenačita. Tam se zrak radialno razteče, kar vidimo kot nakovalo nad nevihtnim oblakom.

    Vendar pa tornado ne nastane iz vsake nevihte. Za nastanek tornada so potrebni še dodatni pogoji, ki poskrbijo za bistvene razlike med nevihtami. Oglejmo si te različne tipe:

    • Navadna nevihtna celica
      Življenje navadne nevihtne celice.

      Topel in vlažen zrak z vzgornikom prihaja v nevihto, kjer se kondenzira. Ko se v oblaku nabere tolikšna količina vode, da je sila vzgornika ne more več zadržati, se pojavijo padavine, in sicer v območje vzgornika. Del padavin na poti proti tlom izhlapi in zato ohladi ozračje. Ohlajen zrak je gostejši od okolice, zato zaradi vzgona začne potovati proti tlom skupaj s padavinami in prepreči vzgorniku, da bi še naprej dovajal topel in vlažen zrak. Nevihta tako sama sebe “zaduši”. Iz tovrstnih neviht se tornado skoraj nikoli ne razvije. Celoten proces traja približno 1 uro.

    • Supercelična nevihta
      Nastanek vrtinčne cevi
      Vertikalna postavitev vrtinčne cevi zaradi vzgornika

      Včasih piha nad nekim območjem veter v višinah iz druge smeri kot v nižinah, zato tam nastane vrtinčna cev. Ker veter z višino spreminja smer, govorimo o vetrovnem striženju. Vzgornik, ki se pojavi iz enakih razlogov kot pri navadni nevihtni celici, vrtinčno cev iz horizontalne postavi v vertikalno lego.

    Supercielična nevihta, kjer se lepo vidi izhajanje tornada iz mezociklona.

    Območju rotirajočega vzgornika pravimo mezociklon. Ker v zgornjem delu oblaka veter piha iz druge smeri kot v spodnjem delu oblaka, je za supercelične nevihte značilno, da se padavine ne pojavijo v območju, kjer vzgornik dovaja topel in vlažen zrak v oblak. Nevihta se tako ne zaduši in lahko traja tudi več ur. Zaradi močnega vzgornika, ki lahko piha tudi s hitrostjo več kot 150 km/h, dobimo iz teh neviht močne padavine, ki jih pogosto spremlja velika toča (tudi večja od žogice za golf). V nadaljnji fazi se iz še ne popolnoma jasnih vzrokov iz sredine mezociklona rotacija prenese na tornado. Le ta se začne spuščati proti tlom. Ker je tornado ožji, pa so hitrosti vrtenja sedaj večje kot v mezociklonu (podobno kot drsalka, ki se zavrti hitreje, ko sklene roke).

    Življenje tornada

    • Rojstvo:
      Preden nastankom tornada se nivo nevihtnega oblaka spusti, tako da nastane oblačni zid (ang. wall cloud). To je delno zaobljen spodnji del suhega dela oblaka, kjer ni padavin. Ima približno 3 km premera in nastane na koncu repa nevihtnega oblaka, kjer je najmočnejši vzgornik. Iz večine oblačnih zidov se 10 minut po nastanku proti tlom spusti tornado. Kroženje oblačnega zidu je lepo vidno, močnejše pa postane pred nastankom tornada.
    • Razvoj:
      V centru tornada se pritisk močno zniža. Vzgonska sila preprečuje, da bi zrak vdrl od zgoraj, sila trenja pa zmanjšuje dotok zraka iz okolice v center tornada, zato se tornado ob dotiku s tlemi okrepi in postane stabilnejši. Nato gre skozi različne razvojne faze. Sprva je to raven tunel, ki se lahko s časom še debeli, poleg tega se mu lahko še dodatno povečuje moč. Pogosto se znotraj tornada pojavijo še manjši vrtinci.
    • Smrt:
      S časom dolnik, ki piha iz nevihte in zadane zemeljsko površje nekaj minut pred pojavom tornada, prevlada nad vzgornikom. Ko dolnik obda tornado z vseh strani, prekine dotok toplega in vlažnega zraka v nevihtni oblak. Zaradi prekinitve dotoka energije rotacija mezociklona oslabi in izgine. Tornado se stanjša, dobi obliko opletajoče vrvi ter na koncu izgine.
    • Vir energije:
      Za nastanek neviht in tornadov je potrebne veliko energije. Energijo nevihtni oblak prejme v obliki sproščene latentne toplote, ko se vodna para v dvigajočem zraku kondenzira. Da gre za ogromne količine energije pove podatek, da se ob kondenzaciji 1kg vode sprosti 2,5 MJ. Del te toplote poskrbi, da dvigajoči zrak ostane toplejši od okolice ter ga tako vzgon lahko potisne do tropopavze. Velik delež sporočene energije pa ustvarja razlike v pritisku, tako da se sproščena toplotna energija pretvarja v kinetično energijo, kar opazimo v povečevanju hitrosti vetra. Račun pokaže, da povprečen tornado vsebuje okoli 104 kWh energije. Povprečen hurikan po drugi strani vsebuje okoli 1010 kWh energije, kar je toliko kolkor se je sprosti pri detonaciji vodikove bombe. Vendar pa je tornado skoncentriran na zelo majhni površini. Tako je gostota energije v tornadu 6 krat višja kot v hurikanu. V tem smislu je tornado najmočnejša vremenska tvorba.

    Trombe in prašni vrtinci

    Obstajata še dva tornadu na videz podobna pojava, ki se tudi pogosteje pojavljata kot sam tornado, vendar večinoma brez posledic.

    • Vodna tromba:
      Nastane nad toplimi vodnimi površinami in je na videz podobna tornadu, le da so njeni vetrovi manj uničujoči. Trombe se pojavijo, ko nad plastjo toplega in vlažnega zraka, ki se nahaja nad vodno gladino, zapihajo hladni vetrovi. Pogosto se pojavljajo v gručah.

      Slika: Družina tromb nad Jadranskim morjem.
    • Prašni vrtinci:

      Prašni vrtinec.

      So majhni in imajo premer do nekaj metrov. V puščavah sonce čez dan močno pregreje puščavska tla in zrak neposredno nad njimi. Nad pregretim zrakom leži plast nekoliko hladnejšega zraka. Tako že majhna motnja (npr. rahel sunek vetra) povzroči, da se pregret zrak zaradi vzgona dvigne in zavrti v ciklonalni ali anticiklonalni smeri.

    Sile v ozračju in hitrost tornada

    Za boljše razumevanje dogajanja v tornadu oz. za razumevanje gibanja zraka v njem moramo omeniti razporeditev sil. Na delec zraka v tornadu deluje več sil, vpri čimer sta najpomembnejši gradientna in centrifugalna sila, ki se med seboj uravnotežita.

    Diagram prikazuje poenostavljen horizontalni presek tlačnega polja skozi tornado. V centru je tlak nižji (p-Δp), zunaj tornada pa je tlak višji (p+Δp). Na sliki so nakazane še smeri gradientne, Fg , in centrifugalne, Fc , sile, ter smer hitrosti v.

    Gradientna sila na enoto mase zraka (kar je pravzaprav pospešek, kar spomnimo se F=m a, vendar pa vseeno kar ostanimo pri enaki oznaki kot jo uporabljamo za silo, F) je sila, ki jo dobimo zaradi razlike tlaka med notranjostjo in zunanjostjo tornada. Ker smo silo definirali na enoto mase zraka, je ta obratno sorazmerna z gostoto zraka:

    kjer se tlak spremeni za Δp, ko se premaknemo za Δr radialno navzven. Centrifugalno silo (gre za isto silo, ki na nas delujeje na vrtečem vrtiljaku) prav tako preračunajmo na enoto mase zraka. Odvisna je od hitrosti vrtenja tornada v in od oddaljenosti od središča vrtenja r:

    Ko se nad nekim območju tlak močno zniža, se pojavi gradientna sila, ki s časom preide v ravnovesje s centrifugalno silo:

    Iz zgornje enačbe lahko izrazimo hitrost, ki je v tornadu:

    V povprečni atmosferi pada tlak (v prečni, to je horizontalni smeri) za okoli Δp/Δr=2mb/100km, medtem ko so spremembe v tornadu veliko večje, saj je padec tlaka kar 50 000 krat večji Δp/Δr=100mb/100m. Da bomo iz zgornje enačbe ocenili hitrost vetra v tornadu, vzamemo radij kroženja r=100m in gostoto zraka ρ=1,15kg/m3. Tako dobimo za hitrost kroženja v tornadu v=65,9 m/s= 237 km/h. Iz enačbe tudi preberemo, da je hitrost, ki se pojavi v tornadu, odvisna predvsem od spremembe tlaka in od oddaljenosti od središča kroženja.

    Moč tornada ( skala F )

    V poznih 60-tih letih je profesor T. Theodore Fujita, priznan strokovnjak s področja raziskovanja tornadov, sestavil 6-stopenjsko lestvico za razvrstitev tornadov na podlagi hitrosti vetra ter škode, ki jo povzročijo. Po njem je lestvica tudi dobila ime. V spodnji tabeli je podana skala F, ustrezne moči tornada, pripadajoče hitrosti in povzročene škode:

    skala F kategorija hitrost [km/h] povzročena škoda
    F0 šibek 64-116 Nekaj podrtih dimnikov,polomljenih vej, cestnih znakov.
    F1 117-180 Prevrača in premika mobilne domove, avte, podira garaže, ki so ob hišah.
    F2 močan 181-253 Precejšnja škoda. Strehe trga z hiš, mobilni domovi uničeni, ruva drevesa.
    F3 254-332 Strehe in stene podira pri dobro grajenih hišah, obrača vlake, večina dreves izruvanih.
    F4 silovit 333-418 Dobro grajene hiše zravnane, s slabimi temelji odpihnjene. Generirani veliki izstrelki.
    F5 419- Močno grajene hiše dvignjene s temeljev in odnešene tudi za 100 m, avti letijo naokrog, železobetonske zgradbe hudo poškodovane.

    Na podlagi velikosti tornadov ne moremo sklepati o njegovi moči. Majhni tornadi lahko v sebi razvijejo veliko moč, prav tako ni nujno, da veliki tornadi v sebi skrivajo uničujočo moč. Kljub temu, da je uničujočih tornadov (F4 in F5) malo, saj predstavljajo le 1% vseh tornadov, pa povzročijo večino materialne škode ter smrtnih žrtev.

    Delež posameznih kategorij tornadov za ZDA.
    Delež povzročenih žrtev glede na posamezno kategorijo tornada za ZDA.

    Napovedovanje tornadov

    Veliko vprašanje je ali se je tornade mogoče napovedovati. Odgovor je da, vendar v omejenem okvirju. Čeprav procesi zaradi katerih tornadi nastanejo niso popolnoma jasni, pa tornado ponavadi nastane ob določenih atmosferskih pogojih. Te pogoje ( prodor hladnega in suhega zraka s severa, vlažnega in toplega iz juga, vetrovno striženje, … ) lahko s pomočjo meteoroloških modelov vnaprej napovemo, vendar ne dovolj natančno. Prognostik na podlagi teh modelov lahko govori o verjetnosti za pojav tornada nad nekim večjim območjem, ne more pa napovedati točne lokacije nastanka tornada, kdaj se bo tornado pojavili, kako močan bo ter kakšna bo njegova pot. Prihaja tudi do ” presenečenj “, ko se tornado pojavi pri pogojih, v katerih ga ne bi pričakovali. V ZDA imajo na terenu posebno mrežo opazovalcev (ang. storm chasers), ki na podlagi trenutne vremenske situacije ocenijo verjetnost za nastanek nevihte oziroma tornada. Ko tornado zaznajo, nad širšim območjem razglasijo splošno nevarnost, tako da imajo ljudje nekaj minut časa, da najdejo zatočišče.

    Opazovanje tornadov

    V meteorologiji uporabljamo standardne naprave za meritve nekaterih količin: termometer za temperaturo, barometer za merjenje pritiska, anemometer za merjenje hitrosti vetra… Vendar pa klasični merilniki niso izdelani za pogoje, kakršni vladajo v tornadu, saj so hitrosti uničujoče. Največja hitrost izmerjena s pomočjo anemometra, ki se je po naključju znašel v tornadu, je bila 416 km/h. Velik problem je tudi, kako spraviti merilnik v jedro tornada, saj je pot tornada precej nepredvidljiva. To poskušajo doseči z mobilnimi ekipami, ki sledijo tornadu in pustijo merilnik na njegovi poti. Vendar pa so veliko bolj učinkovite meritve s pomočjo radarjev, ki so doprinesli večino znanja o dogajanju znotraj tornada.

    Dopplerjev radar:
    Za opazovanje in merjenje tornada, je med radarji najprimernejši Dopplerjev radar. Radarji so mikrovalovni oddajniki in sprejemniki. V prostor pošiljajo ozke snope valovnih impulzov. Na poti se del oddanega sevanja na padavinskih elementih (dežne kapljice, snežinke, toča, oblačne kapljice) ali pa na večjih prašnih delcih odbije nazaj proti radarju. Na ta način lahko različnim elementom v prostoru določimo lego. Dopplerjev radar pa ima tudi to lastnost, da lahko meri hitrosti premikanja delov zraka s padavinskimi elementi ali večjimi prašnimi delci. To omogočajo meritve na podlagi tako imenovanega Dopplerjevega efekta (od tod radarju tudi ime). Pri odboju na gibajočem delcu se namreč frekvenca signala spremeni. S primerjavo frekvenc oddanega in prejetega valovanja lahko določimo s kakšno hitrostjo se padavinski elementi oziroma večji prašni delci približujejo ali oddaljujejo.

    Slika vetrovnega polja dobljena z Dopplerjevim radarjem. Ponekod lahko opazimo, da se na majhnem območju spreminja smer in hitrost vetra, kar namiguje na prisotnost mezociklona.

    Z radarjem nam je omogočen vpogled znotraj nevihtnega oblaka. Približno 20 minut preden se iz oblaka spusti tornado, lahko z Dopplerjevim radarjem zaznamo vrteče se gibanje mezociklona v nevihtnem oblaku. Nad takim območjem razglasijo splošno nevarnost in ljudem zagotovijo nekaj več časa, kot bi ga imeli sicer, da si poiščejo zavetje.

    V prihodnosti se bo resolucija in točnost sedanjih meteoroloških modelov še izboljšala. Še večjo težo pri napovedovanju močnih neviht in tornadov bodo imele tako imenovane zdajšnje oziroma zelo kratkoročne vremenske napovedi (ang. nowcasting), ki vreme napovedujejo za največ 6 ur naprej. Pri tem so zelo pomembna opazovanja trenutnega vremena. Kot eden vhodnih parametrov nastopa radarska slika, s pomočjo katere lahko napovedujejo pot in jakost neviht in z njimi povezanih tornadov. Na ta način bomo bolje napovedovali kraj in čas, kjer se bodo spektakularne predstave narave odvijale.

    Nekaj povezav:
    Tornado project
    O opazovanju tornadov

    (Miha Demšar)