Энергия типичного смерча радиусом 1 км и средней скоростью ветра 70 м/с, по оценкам С.А.Арсеньева, А.Ю.Губаря и В.Н.Николаевского, равна энергии эталонной атомной бомбы в 20 килотонн тротила, подобной первой атомной бомбе, взорванной США во время испытаний «Тринити» в Нью-Мексико 16 июля 1945.
Форма смерчей может быть многообразной – колонна, конус, бокал, бочка, бичеподобная веревка, песочные часы, рога «дьявола» и т.п., но чаще всего смерчи имеют форму вращающегося хобота, трубы или воронки, свисающей из материнского облака

Смерчи часто возникают группами по два, три, а иногда и более мезоциклонов. Например, 3 апреля 1974 возникло более сотни смерчей, которые свирепствовали в 11 штатах США. Пострадало 24 тысячи семей, а нанесенный ущерб оценен в 70 млн. долл. В штате Кентукки один из смерчей уничтожил половину города Бранденбург, известны и другие случаи уничтожения смерчами небольших американских городов.
Например, 30 мая 1879 два смерча, следовавшие один за другим с интервалом в 20 минут, уничтожили провинциальный городок Ирвинг с 300 жителями на севере штат Канзас. С Ирвингским торнадо связано одно из убедительных свидетельств огромной силы смерчей: стальной мост длиной 75 м через реку «Большая Голубая» был поднят в воздух и закручен как веревка. Остатки моста были превращены в плотный компактный сверток стальных перегородок, ферм и канатов, разорванных и изогнутых самым фантастическим образом. Этот факт подтверждает наличие гиперзвуковых вихрей внутри торнадо.

Хотя многие качественные свойства смерчей к настоящему времени поняты, точная научная теория, позволяющая путем математических расчетов прогнозировать их характеристики, еще в полной мере не создана. Трудности обусловлены прежде всего отсутствием данных измерений физических величин внутри торнадо (средней скорости и направления ветра, давления и плотности воздуха, влажности, скорости и размеров восходящих и нисходящих потоков, температуры, размеров и скорости вращения турбулентных вихрей, их ориентации в пространстве, моментов инерции, моментов импульса и других характеристик движения в зависимости от пространственных координат и времени). В распоряжении ученых есть результаты фото и киносъемок, словесные описания очевидцев и следы деятельности торнадо, а также результаты радиолокационных наблюдений, но этого недостаточно. Торнадо либо обходит площадки с измерительными приборами, либо ломает и уносит аппаратуру с собой. Другая трудность состоит в том, что движение воздуха внутри торнадо существенно турбулентно. Математическое описание и расчет турбулентного хаоса – это сложнейшая и до сих пор в полной мере еще не решенная задача физики. Дифференциальные уравнения, описывающие мезометеорологические процессы, – нелинейные и, в отличие от линейных уравнений, имеют не одно, а много решений, из которых нужно выбрать физически значимое.

Теория торнадо и ураганов была предложена Арсеньевым, А.Ю.Губарем, В.Н.Николаевским. Согласно этой теории торнадо и смерчи возникают из тихого (скорость ветра порядка 1 м/с) мезоантициклона (имеющегося, например, в нижней или боковой части грозового облака) с размером порядка 1 км, который заполнен (за исключением центральной области, где воздух покоится) быстро вращающимися турбулентными вихрями, образующимися в результате конвекции или неустойчивости атмосферных течений во фронтальных областях.
При определенных значениях начальной энергии и момента импульса турбулентных вихрей на периферии материнского антициклона средняя скорость ветра начинает возрастать и меняет направление вращения, формируя циклон. С течением времени размеры формирующегося торнадо увеличиваются, центральная область («глаз бури») заполняется турбулентными вихрями, а радиус максимальных ветров смещается от периферии к центру торнадо.
Давление воздуха в центре торнадо начинает падать, формируя типичную депрессионную воронку. Максимальная скорость ветра и минимальное давление в глазу бури достигается через 40 минут 1,1 секунд после начала процесса образования торнадо.
Для рассчитанного примера радиус максимальных ветров составляет 3 км при общем размере торнадо 6 км, максимальная скорость ветра равна 137 м/с, а наибольшая аномалия давления (разность между текущим давлением и нормальным атмосферным давлением) составляет – 250 гПа. В глазу торнадо, где средняя скорость ветра всегда равна нулю, турбулентные вихри достигают наибольших размеров и скорости вращения. После достижения максимальной скорости ветра торнадо начинает затухать, увеличивая свои размеры. Давление растет, средняя скорость ветра убывает, а турбулентные вихри вырождаются, так что их размеры и скорость вращения уменьшаются. Общее время существования торнадо для рассчитанного С.А.Арсеньевым, А.Ю.Губарем и В.Н.Николаевским примера составляет около двух часов.

Фактически, в предложенной теории есть две термодинамическое подсистемы – подсистема «А» соответствует среднему движению, а подсистема «В» содержит турбулентные вихри. В расчетах не учитывалось поступление новых турбулентных вихрей в торнадо из окружающей среды (например, термиков – всплывающих вверх, вращающихся конвективных пузырей, образующихся на перегретой поверхности Земли), поэтому полная система «А» + «В» является замкнутой и суммарная кинетическая энергия всей системы со временем убывает из-за процессов молекулярного и турбулентного трения. Однако, каждая из подсистем является открытой по отношению к другой и между ними может происходить обмен энергией.
Анализ показывает, что если значения параметров порядка (или, как их называют, критических чисел подобия, которых в теории пять) невелики, то среднее возмущение в виде начального антициклона не получает энергию от турбулентных вихрей и затухает под действием процессов диссипации (рассеяния энергии). Это решение соответствует термодинамической ветви – диссипация стремится уничтожить любое отклонение от состояния равновесия и заставляет термодинамическую систему вернуться к состоянию с максимальной энтропией, т.е. к покою (наступает состояние термодинамической смерти).
Однако поскольку теория нелинейна, то это решение не единственно и при достаточно больших значениях управляющих параметров порядка имеет место другое решение – движения в подсистеме «А» интенсифицируются и усиливаются за счет энергии подсистемы «В». Возникает типичная диссипативная структура в виде торнадо, обладающая высокой степенью симметрии, но далекая от состояния термодинамического равновесия.

Полученные в расчетах цифры интересно сравнить с данными наблюдений Флоридского торнадо 1935 класса F5. Максимальная скорость ветра в этом торнадо оценивалась в 500 км/ч, т.е. в 138,8 м/с. Минимальное давление, измеренное метеорологической станцией во Флориде, упало до 560 мм ртутного столба. Учитывая, что плотность ртути 13.596 г/см3 и ускорение свободного падения 980,665 м/с2 легко получить, что это падение соответствует значению 980,665·13,596·56,9 = 758,65 гПа. Аномалия же давления 758,65–1013,25 достигла –254,6 гПа.

Предложенная теория позволяет правдоподобно рассчитывать и прогнозировать эволюцию смерчей, однако она выдвигает и немало новых проблем. Согласно этой теории, для возникновения торнадо нужны сильно вращающиеся турбулентные вихри, линейная скорость вращения которых иногда может превышать скорость звука. Существуют – ли прямые доказательства наличия гиперзвуковых вихрей, заполняющих возникающий смерч?
Прямых измерений скоростей ветра в смерчах до сих пор нет и именно их должны получить будущие исследователи. Косвенные оценки максимальных скоростей ветра внутри торнадо дают положительный ответ на этот вопрос. Они получены специалистами по сопротивлению материалов на основании изучения изгиба и разрушений различных предметов, найденных в следе смерчей. Например, куриное яйцо было пробито сухим бобом так, что скорлупа яйца вокруг пробоины осталась невредимой, как и при прохождении револьверной пули.
Часто наблюдаются случаи, когда мелкие гальки проходят через стекла, не повреждая их вокруг пробоины. Документально зафиксированы многочисленные факты пробивания летящими досками деревянных стен домов, других досок, деревьев или даже железных листов. Никакое хрупкое разрушение при этом не наблюдается. Втыкаются, как иглы в подушку, соломинки или обломки деревьев в различные деревянные предметы (в щепки, кору, деревья, доски).

Большие турбулентные вихри имеют размеры немногим меньшие, чем общий размер торнадо, но они могут дробиться, увеличивая скорость вращения за счет уменьшения своих размеров (как фигурист на льду увеличивает скорость вращения, прижимая руки к телу). Огромная центробежная сила выбрасывает из гиперзвуковых турбулентных вихрей воздух и внутри них возникает область очень низкого давления. Много в смерчах и молний.
Разряды статического электричества постоянно возникают из-за трения быстро движущихся частиц воздуха друг о друга и происходящей вследствие этого электризации воздуха.

С турбулентными вихрями связаны и другие физические явления, сопровождающие смерчи. Генерация звука, слышимого как шипение, свист или грохот, обычна для этого явления природы. Свидетели отмечают, что в непосредственной близости от смерча сила звука ужасна, но при удалении от смерча она быстро убывает. Это означает, что в смерчах турбулентные вихри генерируют звук высокой частоты, быстро затухающий с расстоянием, т.к. коэффициент поглощения звуковых волн в воздухе обратно пропорционален квадрату частоты и растет при ее увеличении. Вполне возможно, что сильные звуковые волны в смерче частично выходят за частотный диапазон слышимости человеческого уха (от 16 гц до 16 кгц), т.е. являются ультразвуком или инфразвуком. Измерения звуковых волн в торнадо отсутствуют, хотя теория порождения звука турбулентными вихрями была создана английским ученым М.Лайтхиллом в 1950-х.

Смерчи также генерируют сильные электромагнитные поля и сопровождаются молниями. Шаровые молнии в смерчах наблюдались неоднократно. Одна из теорий шаровой молнии была предложена П.Л.Капицей в 1950-х в ходе экспериментов по изучению электронных свойств разреженных газов, находящихся в сильных электромагнитных полях сверхвысокого частотного (СВЧ) диапазона.
В смерчах наблюдаются не только светящиеся шары, но и светящиеся облака, пятна, вращающиеся полосы, а иногда и кольца. Временами светится вся нижняя граница материнского облака.

Интересны описания световых явлений в смерчах, собранные американскими учеными Б.Вонненгутом и Дж.Мейером в 1968 «Огненные шары…Молнии в воронке…Желтовато-белая, яркая поверхность воронки…Непрерывные сияния…Колонна огня… Светящиеся облака… Зеленоватый блеск…Светящаяся колонна…Блеск в форме кольца…Яркое светящееся облако цвета пламени…Вращающаяся полоса темно-синего цвета…Бледно-голубые туманные полосы… Кирпично-красное сияние…Вращающееся световое колесо… Взрывающиеся огненные шары…Огненный поток…Светящиеся пятна…».
Очевидно, что свечения внутри смерча связаны с турбулентными вихрями разной формы и размеров. Иногда светиться желтым светом весь смерч.
Светящиеся колонны двух смерчей наблюдались 11 апреля 1965 в городе Толедо, штат Огайо.
Американский ученый Г.Джонс в 1965 году обнаружил импульсный генератор электромагнитных волн, видимый в смерче в виде светового круглого пятна голубого цвета. Генератор появляется за 30–90 минут до образования смерча и может служить прогностическим признаком.