Внешне торнадо – это атмосферный вихрь над сушей с вертикальной, порой изогнутой осью вращения, которая может достигать высоты 12–15 километров. Он возникает в грозовой туче и распространяется вниз, часто до самой поверхности земли, напоминая бешено вращающийся и быстро перемещающийся темный облачный рукав или слоновий хобот. Смерчи всегда несут большие разрушения, и оставленные ими «шрамы» можно найти по всему земному шару. Но наиболее часто они возникают в центральных районах США. Именно в Соединенных Штатах они и получили название торнадо (в Европе их называют тромбами и смерчами). Среднее количество смерчей на территории США – до 1000 в год, причем половина из них приходится на апрель, май и июнь. Наибольших величин этот показатель достигает в Техасе (120 в год), наименьших – в северо-восточных и западных штатах (1 в год).
Американская классификация смерчей, ныне используемая метеорологами всего мира, делит их на шесть категорий:
F0 – слабый. Происходят нарушения дымовых труб и телевизионных антенн, ломаются ветви деревьев, падают деревья со слабыми корнями.
F1 – средний. Срывает крыши, разбивает окна, некоторые деревья вырывает с корнем или ломает, переворачивает или передвигает легкие автоприцепы, сносит с дорог движущиеся автомобили. Подобные повреждения возникают и при действии ураганного ветра.
F2 – значительный. Срывает крыши, разрушает обычные сельские дома, вырывает с корнем большие деревья, уносит с шоссе автомобили, переворачивает железнодорожные вагоны, поднимает в воздух легкие предметы.
F3 – серьезный. Срывает крыши и разрушает части стен, полностью разрушает обычные сельские здания, разрывает стальные оболочки сооружений (ангары или пакгаузы), большинство деревьев вырывает с корнем, отрывает от земли автомобили, подбрасывает их в воздух, переворачивает поезда.
F4 – опустошающий. Большинство зданий превращает в груды обломков, значительно разрушает стальные конструкции, в воздухе летают крупные предметы, уносит на некоторое, иногда большое, расстояние автомобили и поезда.
F5 – поражающий. Смерч проходит, оставляя за собой следы разрушений на относительно узкой полосе территории шириной от 10 до 500 метров. Каркасы зданий срывает с фундаментов, сильно повреждает железобетонные конструкции, в воздухе летают предметы размером с автомобиль. Возможны необычные явления. Смерчи такой силы на территории бывшего Союза никогда не регистрировались.
Каталог смерчей в СССР и СНГ за период 1944–1998 годов включает сведения о 264 смерчах, из которых 40 % были слабыми. За 140 лет наблюдений зарегистрировали 13 серьезных и два опустошающих смерча. В европейской части ученые выделили две основные зоны смерчеобразования. Первая находится между Москвой и Нижним Новгородом, где наблюдались два смерча класса F4. Вторая – по обе стороны украинско-белорусской границы с центром около Киева, где наблюдались три смерча класса F3 (в Киевской, Черкасской и Одесской областях) и большое число смерчей первых двух классов.
Загадка происхождения торнадо до конца еще не решена. Но известно о них уже немало. Образуются они в грозовом облаке – там, где сталкиваются воздушные потоки различных направлений и температур. По мнению многих метеорологов, важнейшее условие для возникновения смерча – существование мощного слоя теплого влажного воздуха у земной поверхности и холодного сухого над ним. При такой весьма неустойчивой комбинации и возникают мощные завихрения масс воздуха, порождающие смерчи. И чем резче контраст температур, влажности, плотности и параметров воздушных потоков, тем мощнее торнадо. Иногда «холодным компонентом» может служить спускающийся в атмосферу Земли вакуумный домен в виде «космического льда».
Ученые считают, что эта быстро вращающаяся воздушная воронка является частью материнского облака, которое по структуре и динамике представляет собой маленький тропический ураган, с типичным для урагана «глазом бури», и имеет спиральное строение. Зарегистрированы случаи (например в районе Шанхая), когда в непосредственной близости от корабля на поверхности моря появились брызги и вдруг из них образовывался крутящийся столб шириной около 10 и высотой 6 метров. Он быстро рос. Сначала над ним не было облаков, но через некоторое время появилось облако, которое на глазах становилось черным. Водяной столб соединял его с морем. Как видим, эти наблюдения подтверждают связь воронки и материнского облака, но меняет их роли местами.
Однако известен и тот факт, что в материнских облаках наблюдаются только длинные горизонтальные вихри. В какой же момент появляется вектор вертикального вращения, остается загадкой. Интересно проследить и движение смерча. Как правило, воронка касается земли только на отдельных участках, а следы разрушений образуют пунктирную линию. Когда воронка касается поверхности земли или воды, то отчетливо проявляется действие большой вертикально направленной силы. В то же время, когда воронка земли не касается, вертикальное течение отсутствует. Чем это вызвано, выяснить специалистам не удалось. Воронки, не касающиеся земли, издают шипящий звук. Воронки, касающиеся земли, рождают ужасный грохот, как будто движутся сотни поездов, но никогда не бывает раскатов грома. На некотором расстоянии от воронки шум заметно ослабевает.
Нуждается в объяснении и тот очевидный факт, что вращение воздуха обязательно приводит к снижению давления. Почему конец воронки на высоте 6 метров не вызывает ни разрушений, ни быстрого движения воздуха, а коснувшись земли, уносит предметы и производит разрушение? Непосредственные измерения показывают, что внутри полости имеется область пониженного давления, равного 0,951 атмосферы, что очень далеко от состояния вакуума. Так почему же хобот при соприкосновении с рекой способен обнажить дно и высосать из нее воду, а многочисленные наблюдатели даже не почувствовали дуновения ветра, когда воронка проходила над ними на высоте 6 метров? Ведь движение воздуха во внутренней полости направлено вниз и достигает большой скорости, а в стенках воронки оно направлено по спирали вверх со скоростью 100–200 метров в секунду.
И вообще, хобот действует как-то избирательно. Например, однажды воронка вырвала с корнем большую яблоню, разодрала ее в клочья, а пчелиный улей, находившийся в одном метре от яблони остался невредим. В штате Оклахома двухэтажный деревянный дом был унесен воронкой и разломан на мелкие куски. А невысокая трехступенчатая лестница, ведущая в дом, осталась на месте. У «форда», стоящего рядом с домом, хобот вырвал два задних колеса, не повредив при этом кузов и не погасив стоявшую под деревом горевшую керосиновую лампу.
До сих пор не сумели произвести непосредственные измерения скорости ветра в хоботе, главным образом из-за поломки приборов. Косвенные оценки дают разные величины – от 200 до 1300 км в час. Поскольку измерения относятся к разным воронкам, в разные моменты их существования, то такой разброс вполне объясним. А ведь именно со скоростью вращения связывают способность протыкать мягкими предметами твердые – соломинки пронзают доски, щепка прокалывает ствол дерева, доска проходит сквозь толстый стальной лист. Так, например, однажды стена деревянного дома оказалась проткнутой насквозь старой обуглившейся доской. При этом обугленный рыхлый передний конец на острие доски остался не поврежденным. Лист клевера оказался вдавлен в твердую штукатурку. После прохождения воронки 1896 года в Сент-Луисе нашли лист железа толщиной 10 мм, пробитый насквозь сосновой палкой. Это самое распространенное и самое необъяснимое проявление торнадо. Считается, что под действием гравитационного поля Земли на тонких концах различных предметов собирается гравитационный заряд большой плотности, который устремляется к гравитационному заряду, создаваемому Землей на поверхности дома или дерева.
Наиболее ярким «зрелищем» в момент прохождения торнадо остается его уникальная способность действовать как пылесос, втягивающий все, что попадается на его пути: бревна, камни, людей, вагоны и даже содержимое водоемов с их обитателями. Движение воздуха в системе смерча обычно происходит против часовой стрелки (но не исключены и движения по часовой стрелке). Одновременно в хоботе совершается подъем воздуха по спирали. На соседних участках происходит опускание воздуха, в результате чего вихрь замыкается. Под влиянием большой скорости вращения внутри вихря развивается центробежная сила, вследствие которой давление в нем понижается. Это приводит к тому, что при перемещении вихря в него всасываются все предметы, которые встречаются на его пути. Затем они выпадают из облаков, иногда на значительном расстоянии. Именно с этим связаны так называемые цветные дожди, которые образуются благодаря втягиванию в систему вихря окрашенных частичек породы и смешиванию их с каплями дождя.