Cum si de ce se formeaza tornadele violente?

Intr-o zi ametioasa din iulie 1986, un elicopter de stiri inregistra filmari ale unui festival din Minneapolis, cand pilotul si fotograful au zarit o tornada peste parcul Brooklyn din apropiere. S-au indreptat spre ea, filmand puternicul twister timp de 25 de minute, hipnotizand telespectatorii care il urmareau in direct la televizor.

Privind cum elicopterul plutea la aproximativ o jumatate de mila de twister, era Robin Tanamachi, care era un copil care crestea in Minneapolis la acea vreme. „Am vazut toata aceasta structura interioara cu adevarat frumoasa”, spune ea. „Am fost absolut atras de asta si stiu ca nu am fost singurul.” Astazi, Tanamachi este meteorolog de cercetare la Universitatea Purdue din West Lafayette, Indiana, si unul dintre multi cercetatori care se adancesc in misterele rasucitorilor, cautand detalii despre formarea lor care ar putea sustine prognozele viitoare.

Tornadele pot fi subiecte de cercetare evazive. Prin urmarirea furtunilor si folosind simulari pe computer, oamenii de stiinta au descoperit ingredientele de baza necesare pentru a invarti un sucitor, dar doua intrebari cruciale continua sa le enerveze: De ce unele furtuni formeaza tornade, in timp ce altele nu? Si cum exact isi invart tornadele?

In ciuda naturii provocatoare din punct de vedere logistic si stiintific a lucrarii, oamenii de stiinta sunt motivati sa continue sa incerce: tornadele pot ucide zeci pana la sute de oameni in Statele Unite in fiecare an si pot cauza pagube de miliarde de dolari. Acum, cercetatorii urmaresc furtunile ucigase care genereaza tornade cu tehnologie de ultima ora, zboara cu drone in furtuni si valorifica mai multa putere de calcul ca niciodata pentru a le simula in cautarea raspunsurilor.

„Astazi, simulam atmosfera cu o rezolutie spatiala fara precedent. Observam furtunile cu o rezolutie temporala si spatiala fara precedent”, spune cercetatorul atmosferic Howie Bluestein de la Universitatea din Oklahoma din Norman. „Dar mai sunt o multime de probleme si o multime de lucruri care trebuie rezolvate.”

Oamenii de stiinta ar putea gasi noi indicii despre formarea tornadelor, studiind ceea ce se intampla in atmosfera din jurul lor si pe pamantul de sub ei si comparand ceea ce gasesc pe teren cu modele noi, cu rezolutie mai mare, ale furtunilor care le genereaza. Chiar daca urmaresc aceste noi piste, cercetatorii incearca, de asemenea, sa inteleaga cum pot afecta schimbarile climatice cand si unde se formeaza tornade.

Urmarind raspunsuri

De cand oamenii de stiinta au inceput sa studieze in mod serios tornadele la mijlocul secolului al XX-lea, ei au creat o schita destul de buna a pasilor necesari pentru a genera un sucitor. Cele mai multe tornade distructive sunt generate de furtunile supercelule – giganti care au de obicei un nor foarte inalt care se largeste in forma de nicovala in partea de sus. Supercelulele sunt caracterizate printr-o curent ascendent rotativ de o mila lata numita mezociclon, care poate dura ore intregi. Aceasta rotatie vine de la forfecarea vantului, care apropie vantul de sol care se roteste orizontal ca o minge de fotbal in spirala. Aceste vanturi devin apoi orientate pe verticala intr-un curent ascendent, ca un top spinning.

Trebuie sa se intample cateva lucruri pentru ca o supercelula sa devina tornadica: mai intai, mezociclonul gigant din inima furtunii trebuie sa faca aerul sa se roteasca mai aproape de sol. Apoi, acest vartej trebuie intins in sus. Intinderea strange amprenta twister-ului, accelerand rotatia acestuia, similar cu ceea ce se intampla atunci cand patinatorii artistici trag in brate in timpul unei rotiri.

Primele indicii cu privire la fizica tornadelor au venit din informatii la mana a doua si din rapoartele de daune, in timp ce oamenii de stiinta incercau sa descopere ce fel de vant ar putea sufla un hambar sau smulge un pui, spune Richard Rotunno, om de stiinta atmosferic la Centrul National de Cercetare Atmosferica din Boulder, Colorado, si autorul unei imagini de ansamblu asupra dinamicii fluidelor tornadelor in Revizuirea anuala a mecanicii fluidelor din 2013 .

Constructia Sistemului de autostrazi interstatale in anii 1950 a creat o retea peste marile campii plate care a permis oamenilor de stiinta intreprinzatori sa iasa in fata furtunilor si, uneori, sa observe direct tornade. Un mare progres a venit odata cu dezvoltarea radarului Doppler pentru meteorologie. Prin emiterea de impulsuri de energie si detectarea semnalului reflectat, tehnologia capteaza informatii despre vant si precipitatii. Radarul a permis detectarea mezociclonilor, care au devenit baza pentru prognozele tornadelor si un avantaj pentru urmaritori, care se opreau periodic la telefoanele publice pentru a suna laboratorul pentru cele mai recente informatii radar.

Dar radarul nu capteaza toate indiciile pe care oamenii de stiinta le urmaresc – cum ar fi fortele invizibile dintr-o furtuna care determina vanturile in miscare – asa ca au apelat la modele care simuleaza fizica furtunilor, spune cercetatorul atmosferic Paul Markowski de la Universitatea Penn State din University Park. . „Intr-o simulare pe computer, avem toate aceste forte.”

Primele simulari tridimensionale ale supercelulelor au fost create in anii 1970, ajutand oamenii de stiinta sa studieze structurile curentilor ascendenti si descendenti si modul in care evolueaza precipitatiile. Pe masura ce modelele s-au imbunatatit de-a lungul timpului, au dezvaluit ca curentii ascendenti pot transforma zonele rotative de aer in mezocicloni masivi din supercelule. Modelele au aratat, de asemenea, cum furtunile din emisfera nordica se pot imparti intr-o celula stanga si una dreapta, cea din dreapta fiind mai probabil sa duca la vreme severa. Aceste modele reproduceau in cele din urma comportamentul observat in supercelulele reale si ofereau indicii despre modul in care zonele de aer mai rece, numite bazine reci, ar putea juca in formarea tornadei prin scurtarea timpului necesar pentru a se dezvolta un sucitor.

Aceste modele aveau o rezolutie relativ grosiera, dar pe masura ce puterea de calcul a crescut, simularile au inceput sa surprinda mai multe detalii despre supercelule, iar cercetatorii au lucrat, de asemenea, pentru a surprinde in mod realist efectele ploii, zapezii si grindinei. Cu toate acestea, rezolutia a fost de ordinul a sute de picioare – mult prea mare pentru a prinde tornade, care tind sa fie mai aproape de 65 de picioare latime.

De asemenea, radarul s-a imbunatatit si mai rapid, iar cercetatorii au inceput sa-l ia pe teren pe camioane. In 1994, o multime de oameni de stiinta care sperau sa inteleaga de unde si-au luat rotatia tornadele au inceput o campanie multianuala numita Verificarea originilor rotatiei in experimentul tornadelor sau VORTEX. Au urmarit furtunile cu tot felul de echipamente, inclusiv baloane meteorologice incarcate cu senzori si masini instrumentate care au facut masuratori ale temperaturii, presiunii si vantului in supercelule. Dar oamenii de stiinta au simtit ca au nevoie de observatii suplimentare, care sa duca la VORTEX-2 in 2009. „Marele concluzie pe care am obtinut-o de la VORTEX-2 a fost ca nu poti sa-ti dai seama daca o furtuna va fi tornadica sau non-tornadica doar prin cum arata pe radar sau ce va arata baloanele meteorologice din apropierea lui”, spune Tanamachi.

Radarul mobil montat pe camion poate urmari o tornada de-a lungul timpului si poate ajuta oamenii de stiinta sa descopere ce aspecte ale mediului ii influenteaza dimensiunea si intensitatea. Jana Houser

Au urmat si alte campanii de teren, dar oamenii de stiinta inca nu au raspuns definitiv de ce unele furtuni supercelule creeaza tornade, in timp ce altele nu progreseaza dincolo de un mezociclon. Acum cauta noi strategii si instrumente pentru a completa restul povestii.

Trimiteti dronele

In ciuda dramei unui sucitor care se invarte, centrul unei tornade probabil nu este locul unde se afla raspunsurile. „A introduce ceva in tornada — este o televiziune buna, dar de fapt nu ne spune multe”, spune Markowski. „Ne spune ca acolo bate vant si presiunea este scazuta.”

In schimb, oamenii de stiinta folosesc noi instrumente pentru a culege indicii din mediu care i-ar putea ajuta sa trimita supercelulele tornadice din cele non-tornadice. „Date detaliate despre structura atmosferei – temperatura, presiunea, vantul – sub baza norilor sunt in mare parte absente”, spune Rotunno. Cercetatorii incep sa zboare cu drone in furtuni pentru a surprinde aceste observatii.

Dronele pot efectua masuratori detaliate la altitudini mai mari decat masinile. Si spre deosebire de baloanele meteorologice, ele pot traversa granitele dintre zonele unei furtuni cu presiune sau densitate a aerului diferita. „Motivul pentru care credem ca sunt importante este ca tornadele tind sa se formeze la aceste granite”, spune cercetatorul atmosferic Adam Houston de la Universitatea Nebraska-Lincoln. Houston si colegii sai au combinat observatiile cu drone cu radar si alte tehnici din domeniu, ca parte a proiectului TORUS, din 2019. Acum, echipa lui Houston cerceteaza datele, cautand tendinte in furtuni pentru indicii despre daca aceste caracteristici relativ mici influenteaza tornada. formare.

Oamenii de stiinta aduna, de asemenea, informatii despre ce se intampla in apropierea pamantului unde se formeaza tornada. Atat modelarea, cat si observatiile au aratat ca aici apar cele mai mari viteze. Modul in care aerul interactioneaza cu suprafata pamantului – caracteristici precum dealurile si padurile – poate juca un rol in declansarea si intensificarea rasucirilor, dar radarul tinde sa rateze cel putin primele sute de picioare chiar deasupra solului din cauza geometriei fasciculului. Omul de stiinta in atmosfera Jana Houser de la Universitatea de Stat din Ohio din Columbus spera sa invete mai multe despre ce se intampla in acest decalaj.

Echipa lui Houser urmareste furtunile, captand masuratori radar ale marimii si intensitatii unei tornade in timp. Apoi cauta legaturi intre acele date si topografia si rugozitatea suprafetei pe care furtuna a maturat-o. Ei au descoperit ca, in cele mai multe cazuri, schimbarile de teren afecteaza aerul care este aspirat in tornada si schimba puterea sucitorului. Acesta ar putea fi un indiciu important, dar se dovedeste greu de inteles. „Problema”, spune Houser, „este ca uneori acelasi tip de aparitie intr-un caz are ca rezultat o intensificare, iar apoi, in cazul urmator, are ca rezultat o slabire.”

Ar putea exista o limita a cat de bine pot intelege si prezice cercetatorii aceste furtuni, spune Markowski. „Cand vine vorba de tornade, cred ca ne confruntam cu haosul.” Perturbatiile atat de mici incat sunt in esenta nemasurabile sunt peste tot in atmosfera si pot influenta formarea unei tornade. Markowski si alti oameni de stiinta incep sa foloseasca invatarea automata pentru a ajuta sa prezica mai bine cum se comporta aceste furtuni.

Gasind rasucirea

O alta mare intrebare se invarte in jurul rasucitorilor de zeci de ani: „Chiar nu intelegem de unde vine in cele din urma rotatia care alimenteaza tornada”, spune Houser. Aerul care se roteste in mezociclonul unei supercelule este prea mare in momentul in care incepe sa se roteasca pe verticala; furtunile au nevoie de o rotatie suplimentara mai aproape de sol pentru a deveni tornadice. Exista cel putin trei ipoteze cu privire la de unde provine aceasta rotatie aproape de sol si, in orice rasucire dat, pot exista mai multe mecanisme in joc, spune ea.

O ipoteza se bazeaza pe modul in care frecarea incetineste miscarea aerului in apropierea solului. Aerul de la altitudini mai mari se misca mai repede si se prabuseste peste aerul mai lent si incepe sa se rostogoleasca ca un butoi. Ideea este ca acest aer rotativ ar putea fi apoi indreptat in pozitie verticala atunci cand este aspirat intr-un curent ascendent. Alte ipoteze indica curenti descendenti legate de precipitatii si aerul de racire. Diferenta de densitate dintre aerul rece si aerul invecinat mai cald poate genera un curent de aer care determina rotirea. Atat observatiile, cat si modelele au sustinut aceasta idee si indica diferite zone ale furtunii in care se poate intampla acest lucru.

In oricare dintre aceste scenarii, pot exista si multe buzunare mai mici de aer involburat care se imbina, combinandu-se intr-o zona cu suficienta rotatie pentru a face o tornada sa se roteasca. Un nou suport pentru aceasta teorie apare prin simulari de furtuna cu rezolutie mai mare.

Majoritatea modelelor care lucreaza la rezolutii mai aspre nu pot vedea tornade simulate, deducandu-le in schimb pe baza zonelor de aer cu mult rotatie. Omul de stiinta atmosferic Leigh Orf de la Universitatea din Wisconsin-Madison a profitat de progresele in domeniul supercalculaturii pentru a construi modele cu rezolutie de zece metri care pot simula direct tornade. La aceasta scara, turbulentele prind viata, spune Orf. Modelele sale dezvaluie cum s-ar putea combina zone mici de rotatie pentru a declansa o tornada. „Rezolva pe deplin vartejurile non-tornadice care se imbina in moduri foarte convingatoare si pe care nu le-am mai vazut pana acum”, spune el.

Modelele pot oferi, de asemenea, indicii de comportament de cautat in teren. Modelele lui Orf l-au ajutat pe el si pe colegii sai sa exploreze o trasatura pe care au numit-o curentul de vorticitate in sensul fluxului, sau SVC – o coada de aer involburat pe partea laterala a furtunii care poate amplifica rotatia aerului in apropierea solului. Alti oameni de stiinta au observat acum aceasta caracteristica in supercelulele tornadice reale.

Observatii din lumea reala nu exista inca pentru fuziunile prin rotatie, dar s-ar putea sa vina. Planurile de modernizare a sistemului radar din SUA ar folosi o noua generatie de radar mai rapid, care poate captura caracteristici care se dezvolta intr-o clipa. „Sunt foarte increzator ca lucrurile pe care le vad in simulari vor fi in cele din urma detectate in atmosfera, la fel cum a fost SVC”, spune Orf.

Mize mari

Peisajul cercetarii tornadelor s-a extins de la Marile Campii in sud-estul Statelor Unite, condus de furtunile mortale si cresterea activitatii tornadelor acolo. Cand o eruptie de tornade a lovit regiunea in 2011, incepand cu mijlocul lunii aprilie, peste 300 de oameni au fost ucisi. „A fost cel mai mare focar inregistrat de la super-focarul din 1974”, spune Tanamachi. Asta a motivat o alta campanie in 2015, VORTEX-SE, pentru a studia tornadele de acolo, dar munca s-a dovedit dificila.

Nu numai ca conditiile atmosferice din sud-est difera de cele din Marele Campie, dar este si mai greu sa observam rasucitorii acolo, a descoperit echipa lui Tanamachi. Peisajele deluroase blocheaza privelistile furtunilor, epuizand eforturile de urmarire a furtunilor. In schimb, cercetatorii trebuie sa prognozeze unde s-ar putea forma o tornada si sa se aseze acolo. Singura data cand aceasta abordare a produs o observare a unei tornade in timpul VORTEX-SE, radarul a fost blocat de un suport de copaci.

O mare parte din ceea ce oamenii de stiinta au aflat despre tornade in alta parte nu se aplica in sud-est, deoarece multe dintre tornadele care apar acolo nu sunt insamantate de supercelule. In schimb, ei cresc dintr-o linie de furtuni numita linie squall. „Nu avem nicio idee cum functioneaza acestea”, spune cercetatorul atmosferic Johannes Dahl de la Universitatea Texas Tech din Lubbock. Desi aceste tornade sunt de obicei mai slabe decat cele de la supercelule, ele pot provoca totusi daune si moarte.

In ciuda provocarilor, intelegerea tornadelor din sud-est ramane o prioritate, mai ales ca activitatea tornadelor a inceput in regiune in ultimele patru decenii. Nu este clar inca daca acest lucru se datoreaza schimbarilor climatice sau altceva, cum ar fi modelul climatic cunoscut sub numele de El Nino, spune Dahl. Totusi, cercetatorii au inceput sa vada unele tendinte legate de clima. O privire asupra datelor de 60 de ani de tornade din SUA a aratat ca, desi numarul tornadelor nu s-a schimbat, numarul de zile in care au loc mai multe rasuciri a crescut. Schimbarile climatice par sa ajute unele dintre ingredientele pentru tornade in detrimentul altora. Dar se pare ca intr-o zi buna pentru tornade, conditiile sunt foarte favorabile, spune Houser.

Cu modele din ce in ce mai puternice, o posibila actualizare a sistemului radar din SUA si ajutorul invatarii automate, cercetatorii vor continua in incercarea lor de a dezvalui functionarea interioara a tornadelor. „Desi cercetarile in acest domeniu au loc de zeci de ani”, spune Dahl, „se pare ca intotdeauna exista surprize”