Теория смерча была разработана на основании достоверного утверждения, что воронка смерча всегда приходит на землю сверху, а ослабев , вновь поднимается наверх. Значит вес воронки должен быть больше веса вытесненного ею воздуха, т.е. по закону Архимеда она будет падать . Тя-желее воздуха в атмосфере может быть только воздух, насыщенный водой и/или льдом. Поэтому правдоподобным будет предположение, что воронка смерча представляет собой вращающийся поток дождя и града, свернутый в спираль в виде относительно тонкой стенки. Содержание воды в стенках во-ронки должно по массе во много раз превосходить содержание там воздуха. Если плотность сухого воздуха составляет 1,3-1,4 кг/м3, то плотность воздуха, содержащего воду и лед внутри стенок смерча, может составлять 50 и более кг/м3.

Если воронка смерча обладает массивными стенками, то их вращение должно приводить к расширению воронки и понижению давления воздуха внутри нее из-за действия центробежных сил. Расширение воронки происхо-дит до тех пор, пока перепад давления снаружи и внутри не уравновесит дей-ствия центробежных сил. Если выделить из стенки площадку S, то снаружи на нее будет действовать сила p S. Равновесие с центробежными силами наступит при условии: p S=mv2/R, где m - масса, приходящаяся на единицу площади стенки; v - скорость стенки; R - радиус воронки.

Приведенное, почти очевидное, условие равновесия стенки воронки приводит к ряду прямых следствий, которые естественно объясняют многие свойства смерчей.

Рассчитаем параметры смерча средней силы. Пусть он имеет диаметр 200 м, высоту Н=2 км, перепад давления p=0,5 атм. и скорость вращения стенки 145 м/с. Определим массу, приходящуюся на единицу площади стенки : = ст lст . Плотность стенки можно считать примерно равной 50 кг/м3, эта плотность обеспечивает устойчивость стенок при заданном перепаде давления снаружи и внутри воронки. При толщине стенки 5 м =250 кг/м2. Общая масса стенки смерча составит 300 тыс.т. Эта масса, вращаясь с заданной скоростью, обладает кинетической энергией W = Mv2/2 = 4,4 1012 Дж. При вращении смерч теряет энергию на трение об окружающий воздух. Сила трения Fтр.и мощность потерь Nтр. выразятся известными соотношениями:

где =1,7 10-5 кг/(м с) - коэффициент вязкости воздуха; S - площадь сопри-косновения слоев (в нашем случае S=6,28 105 м2); v/ d - градиент скорости. Как отмечалось выше, на расстоянии 1-2 м от стенки смерча ветра не ощу-щается. Поэтому, приняв d=1 м и v=150 м/с, получим v/ d =150 с-1, и мощность потерь составит Nтр.= 225 кВт. За одинчас потери на трение соста-вят 0,8 108 Дж. Видно, что по сравнению с запасенной в стенках энергией эти потери ничтожны, и поэтому трение, по существу, не оказывает влияния на время жизни смерча, которое определяется иными энергетическими потеря-ми. В частности, при опускании смерча вниз всего на 1 м/с он потеряет на об-разование каскада 2,2 109 Дж. и время его жизни без внешней подпитки со-ставит 10-20 мин.

У смерчей, которые рождаются в море или идут по песку и пыли, усло-вия для образования каскада особенно благоприятны, и поэтому они быстро расходуют свою энергию.

Рассмотрим поведение любого предмета, который попал в стенку во-ронки. Стенка увлекает предмет, и он, приобретая скорость v, начинает вра-щаться вместе со стенкой вокруг оси смерча по окружности радиусом R. Что-бы оно в дальнейшем осталось на этом радиусе, центробежные силы долж-ны быть уравновешены перепадом давления в стенке. Для простоты рас-смотрим тело площадью S, толщиной d и плотностью т. Тогда центробеж-ная сила Fц выразится соотношением: Fц =( S d тv2т)/R.

Определим перепад давления р в слое толщиной d. Если толщина стенки воронки l и плотность стенки ст, то полный перепад давления на стенке толщиной l составит рст =( S l стv2ст)/R. Поэтому перепад давления на толщине предмета d составит рd = рст ( d/ l). Приравнивая Fц и рd, получаем очевидное соотношение: т v2т= ст v2ст.

Видно, что легкие тела, такие как пушинки, соломинки остаются внутри воздушного вихревого слоя смерча и достигают самых больших скоростей вплоть до звуковых. Более плотные предметы - ткани, бумага, пустые легкие замкнутые объемы с промежуточными значениями средних плотностей, уже при сравнительно малых скоростях перемещаются внутрь плотной стенки во-ронки, достигают там скоростей, равных линейной скорости стенки. Если плотность тела меньше плотности стенки, то тело так и остается в стенке и не покидает смерча, перемещаясь вместе с ним на большие расстояния. Ес-ли тело имеет высокую плотность т ст, то оно может остаться в смерче только до достижения некоторой скорости vкр, которая выражается соотноше-нием: . Например, в смерче с вышеописанными параметрами, у которого плотность стенки составляет 50 кг/м2, а v=150 м/с, камни плотно-стью 2500 кг/м3 могут достичь скорости не более 22 м/с, животные, люди, у которых плотность равна 1000 кг/м3 - не более 30 м/с. До достижения этих скоростей тела вращаются вместе со стенкой воронки и как бы плывут на ее внутренней поверхности, погружаясь по мере роста скорости вглубь воронки.

Смерч может всосать и поднять ввысь большую порцию снега, песка и др. Как только скорость снежинок или песчинок достигает критического зна-чения, они будут выброшены через стенку наружу и могут образовать вокруг смерча своеобразный футляр или чехол. Характерной особенностью этого футляра-чехла является то, что расстояние от него до стенки смерча по всей высоте примерно одинаково: оно определяется скоростью, которая у всех частиц с одинаковой плотностью оказывается одинаковой. Важный частный случай, когда плотность тела, попавшего в смерч, близка к плотности стенки воронки. В этом случае равновесная скорость для тела совпадает со скоро-стью стенки. Если тело попадает на внутреннюю поверхность стенки, то на него действует воздушный вихрь, вращающийся внутри воронки, скорость тела возрастает и станет больше равновесной. Тело сместится к внешней поверхности стенки. Здесь под действием трения о внешний воздух тело за-тормозится, скорость станет меньше равновесной, и тело вновь сместится к внутренней поверхности стенки. Поэтому тела с плотностью стенки оказыва-ются устойчивыми внутри стенок. Таким образом внешний и внутренний по-верхностные слои оказываются в совершенно необычных условиях, при ко-торых на них непрерывно действуют силы, стремящиеся убрать их с поверх-ности и заглубить внутрь стенки, т.е. силы, которые по своим свойствам напоминают силы поверхностного натяжения. Эти силы придают стенкам смерча повышенную устойчивость к возмущениям, делают их однородными по плотности, гладкими, четко ограниченными.

Мы рассмотрели кинематические и динамические свойства воронки смерча. Было установлено, что воронка является достаточно устойчивым об-разованием, она может существовать долго, проходить большие расстояния, лишь бы в нее в достаточном количестве поступал сверху вращающийся по-ток дождя. По сути дела, воронка - это особый вид осадков из грозовой тучи. Поэтому проблема происхождения воронки и существования смерча обу-словливается процессами в верхних слоях тропосферы: именно там опреде-ляется, хлынет ли из тучи просто сильный дождь или этот дождь свернется в воронку и будет сам себя поддерживать, т.к. воронка засасывает в себя большие массы влажного воздуха и забрасывает их в верхние слои. Эти мас-сы воды могут оказать решающее влияние на дальнейшую судьбу смерча.

Рассмотрим в первом приближении процессы, возникающие в грозо-вых облаках. Обильная влага, попадающая в облако из нижних слоев, выде-ляет много тепла, и облако становится неустойчивым. В нем возникают стре-мительные восходящие потоки теплого воздуха, которые выносят массы вла-ги на высоту 12-15 км, и столь же стремительные холодные нисходящие по-токи, которые обрушиваются вниз под тяжестью образовавшихся масс дождя и града, сильно охлажденных в верхних слоях тропосферы. Мощность этих потоков особенно велика из-за того, что одновременно возникают два потока: восходящий и нисходящий. С одной стороны, они не испытывают сопротив-ления окружающей среды, т.к. объем воздуха, идущего вверх, равен объему воздуха, уходящего вниз. С другой стороны, затраты энергии потоком на подъем воды вверх полностью восполняется при падении ее вниз. Поэтому потоки имеют возможность разгонять себя до огромных скоростей (100 м/с и более).

В последние годы была выявлена еще одна возможность подъема больших масс воды в верхние слои тропосферы . Часто при столкновении воздушных масс происходит образование вихрей, которые за свои относи-тельно небольшие размеры получили название мезоциклонов. Мезоциклон захватывает слой воздуха на высоте от 1-2 км до 8-10 км, имеет диаметр 8-10 км и вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 40-50 м/с. Существование мезоциклонов установлено достоверно, структура их исследована достаточно подробно. Обнаружено, что в мезоциклонах на оси возникает мощная тяга, которая выбрасывает воздух на высоты до 8-10 км и выше. Наблюдателями было обнаружено, что именно в мезоциклоне иногда зарождается смерч (рис.9).

Наиболее благоприятная обстановка для зарождения воронки выпол-няется при выполнении трех условий. Во-первых, мезоциклон должен быть образован из холодных сухих масс воздуха. В этом случае по его высоте воз-никает особенно большой температурный градиент, близкий к адиабатиче-скому значению. Во-вторых, мезоциклон должен выйти в район, где в при-земном слое толщиной 1-2 км скопилось много влаги при высокой температу-ре воздуха 25-35оС, т.е. создано состояние неустойчивости приземного слоя, готового к образованию ячеек с восходящими и нисходящими потоками. Про-ходя над этими районами, за короткое время мезоциклон засасывает в себя влагу с больших пространств и забрасывает ее на высоту 10-15 км. Темпера-тура внутри мезоциклона по всей высоте скачком повышается за счет прине-сенного влагой тепла, накопленного не только насыщенным паром, но и во-дяными каплями. Третье условие - это выбрасывание масс дождя и града. Выполнение этого условия приводит к уменьшению диаметра потока от пер-воначального значения 5-10 км до 1-2 км и увеличению скорости от 30-40 м/с в верхней части мезоциклона до 100-120 м/с - в нижней части.