Для всех приземных циклонов характерен один и тот же "джентльменский набор" свойств. Давление в них понижается от периферии к центру, к центру же по спирали течет воздушный поток (рис. 10), в центральной части развивающегося циклона образуется мощная облачность и выпадают осадки. Вращение Циклонов Северного полушария идет против часовой стрелки, Южного — по часовой. Кроме того, тропический циклон, ураган, имеет так называемый "глаз", зону относительного затишья в центре. У внетропических циклонов "глаза" нет.
Рис. 10. Схема тропического циклона (урагана)
Если принять некоторые из этих свойств за определяющие, то остальные можно пояснить через них. Посмотрим, например, как благодаря восходящему потоку воздуха в центре циклона появляется облачность и выпадают осадки. Выделив мысленно какой-нибудь объем воздуха, проследим за его движением. Поднимаясь в более разреженные слои атмосферы, этот объем расширяется и остывает (явление, обратное нагреванию воздуха при его быстром сжатии в велосипедном насосе). При этом содержащийся в объеме водяной пар будет конденсироваться, создавая облачность и осадки; кроме того, превращение пара в воду происходит с выделением тепла. Это тепло приводит к дополнительному расширению газа и помогает ему подниматься. Больше всего пара содержит воздух над прогретым океаном вблизи экватора, поэтому восходящие потоки должны быть особенно сильными в тропических циклонах. Именно поэтому тропический циклон мощнее внетропического.
Через понижение давления к центру циклона можно объяснить спиральность потока в нем и направление вращения циклонов в разных полушариях. Для этого достаточно лишь припомнить сообщенный нам в школе факт, что благодаря вращению Земли реки Северного полушария подмывают правые свои берега, а Южного — левые. Другими словами, речной поток отклоняется от своего основного направления и набегает на берег. У воздушных течений берегов нет, и ничто не мешает им закручиваться. Такой поток будет втекать в область пониженного давления по спирали. Это и означает, что циклон Северного полушария вращается против часовой стрелки (если смотреть сверху на движение воздуха у поверхности Земли), а циклон Южного полушария — по часовой стрелке.
Таким образом, в облике циклона многое понятно. Неясно лишь, почему он возникает. Особенно эта неясность чувствуется при сравнении циклона с другими атмосферными вихрами. Мы только что вывели ряд свойств развивающегося циклона из одного лишь факта, что в центре его существуют восходящие потоки воздуха. Но факт этот нельзя считать принципиально важным для существования самого вихря. В самом деле, у другого гигантского атмосферного вихря — антициклона — воздушные потоки в его центральной части направлены вниз. Правда, из-за такого направления потоков этот вихрь остается невидимкой: поскольку для него не характерны осадки, воздух в нем прозрачен. Но это не меняет существа дела: он очень похож на циклон. Только в центре антициклона давление повышено и вращается он всегда в сторону, противоположную направлению вращения циклона. Почему, читатель поймет, повторив наши рассуждения для растекающихся потоков.
Нельзя сказать, что циклон обязан своим существованием центральной области пониженного давления, хотя, как мы только что видели, спиральность воздушных потоков и направление вращения циклона связаны с наличием такой области. Действительно, многие образующиеся по тем или другим причинам области пониженного давления быстро "заполняются" устремляющимися в них (по спирали, конечно) потоками воздуха, и давление выравнивается. Но такого выравнивания не происходит и давление в области продолжает падать, когда на ней "заводится" циклон со всем комплексом его признаков (восходящими потоками и пр.). Что тут есть следствие чего, неясно.
Наконец, нельзя считать, что вращение Земли, определяющее направление вращения циклона и антициклона, так уж принципиально важно для развития атмосферного вихря. У циклона есть родственник — вихревое образование, гораздо меньшее по размерам, зато с гораздо большими скоростями ветра: смерч, или торнадо. В его центральной части имеются восходящие потоки, и, самое главное, зона пониженного давления в его центре выражена намного резче, чем у циклона (люди, над которыми прошел смерч, говорят, что изнутри он выглядит, как внутренность высокой стопки автомобильных шин). И вот, несмотря на это, встречаются смерчи, которые вращаются не в ту же сторону, что циклоны того же полушария, а в противоположную. Ясно, что вращение этих вихрей не предопределяется вращением Земли.
Не удивительно, что происхождение циклонов и антициклонов (циклогенез) считается одним из труднейших вопросов метеорологии.
Еще менее изученными оказываются смерчи, хотя вниманием людей они не обделены. Они часто случаются в Соединенных Штатах Америки: лишь в течение одного месяца — мая 1982 года — над разными районами США промчалось в общей сложности 365 смерчей. В этой стране смерчи считаются подлинным национальным бедствием, настолько велика их разрушительная сила. В сельскохозяйственном штате Канзас, например, фермерские семьи имеют специальные убежища, чтобы прятаться при приближении смерча.
Смерч появляется внезапно, на своем пути он перемалывает почти все (в том числе и приборы, которые могли бы замерить его физические характеристики). Правда, некоторые предметы, встретившиеся ему на пути, он оставляет совершенно неповрежденными. Известен случай, когда в налетевшем смерче исчезли коровник и корова, но женщина, доившая ее в коровнике, осталась сидеть на месте; возле нее, как и прежде, стояло ведро с молоком. Разнообразием своего поведения смерч похож на живое существо, действующее по своей воле и всячески не желающее, чтобы его изучали.
На эту тему написал один из своих рассказов известный писатель-фантаст Рей Брэдбери. В нем утверждается, что смерч непостижим для современной науки потому, что обладает способностью усваивать интеллекты погибших в нем исследователей-метеорологов. Больше того чувствуя, что кто-то о нем слишком много знает, смерч начинает гоняться за этим человеком и в конце концов настигает его. Тем самым смерч спасается от разоблачения и заодно умнеет еще больше. При нашем уровне знаний о смерчах нетрудно поверить и фантасту.
Собственно природа вихрей — это предмет исследования уже не столько метеорологии, сколько другой науки — механики жидкости и газа. В самом деле, метеоролог, например, изучает условия, при каких возникают тропические циклоны, а при каких — смерчи. Он выясняет, что тропические циклоны, как правило, появляются над морем, а смерчи — над сушей, над теми ее областями, где сталкиваются разные по температуре, плотности, влажности воздушные массы и холодные потоки движутся ниже слоев теплого влажного воздуха. Но, хотя условия возникновения ураганов и смерчей разные, сами вихри оказываются похожими. Значит, свойства их определяются самой средой — воздухом.
По существу, вихри отличаются друг от друга лишь размерами и, если можно так выразиться, развитостью вихревых свойств. Чем меньше вихрь по размерам, тем ярче выражены его вихревые свойства. Сопоставим, например, те вихри, в которых вращение идет вокруг области пониженного давления в центре. Самый большой из этой группы — внетропический циклон. Он достигает нескольких тысяч километров в поперечнике, высота его колеблется между 2–4 и 15–20 километрами, скорость ветра в нем не превышает 40–70 километров в час Давление в его центре процента на два меньше, чем на периферии. Его средний собрат, ураган, имеет горизонтальные размеры в несколько сот километров, высота его- 12–15 километров, скорость ветра в нем достигает уже 400–600 километров в час, давление в центре падает на 10 процентов, ураган имеет характерную полость внутри — "глаз". Меньший брат, смерч, имеет в поперечнике от нескольких метров до 2–3 километров, высоту — от нескольких десятков метров до 1500–2000 метров. А скорость ветра в нем иногда превышает звуковую (1200 километров в час!). Давление в его центре падает на 20 процентов. "Глаз" очень четкий, имеет вид пустого черного цилиндра.
