2007 Szkoły Wybór Wikipedii. Tematy pokrewne: Klimat i Pogoda
Oko huraganu Isabel kategorii 4 widziane z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej 15 września 2003
Oko to region przeważnie spokojnej pogody występujący w centrum silnych cyklonów tropikalnych. Oko burzy jest zazwyczaj okrągłe i ma zwykle 25-40 mil (40-65 km) średnicy. Jest ono otoczone przez ścianę powiekową, gdzie występują najcięższe zjawiska pogodowe. Najniższe ciśnienie barometryczne cyklonu występuje w oku i może być nawet o 15% niższe niż ciśnienie atmosferyczne na zewnątrz burzy.
Podstawowe definicje
Widok z wnętrza oka huraganu Betsy. Na tym zdjęciu, wykonanym przez Łowców Huraganów na samolocie w środku oka, widać niskie chmury pokrywające ocean na pierwszym planie, a w tle ścianę oczną sięgającą wielu kilometrów wysokości.
Oko jest prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalną cechą cyklonów tropikalnych. Oko, otoczone pionową ścianą burz (eyewall), to mniej więcej okrągły obszar w centrum cyrkulacji cyklonu. W silnych cyklonach tropikalnych oko charakteryzuje się słabym wiatrem i czystym niebem, otoczone ze wszystkich stron potężną, symetryczną ścianą powiekową. W słabszych cyklonach tropikalnych oko jest mniej wyraźne i może być przykryte przez centralne, gęste zachmurzenie, czyli obszar wysokich, gęstych chmur, które są wyraźnie widoczne na zdjęciach satelitarnych. Słabsze lub zdezorganizowane burze mogą również posiadać ścianę powiekową, która nie otacza oka w całości, lub oko, w którym występują ulewne deszcze. We wszystkich burzach, jednakże, oko jest miejscem, w którym panuje minimalne ciśnienie barometryczne: obszar, w którym ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest najniższe.
Schemat przekroju poprzecznego dojrzałego cyklonu tropikalnego, ze strzałkami wskazującymi przepływ powietrza w oku i wokół niego.
Struktura
Typowy cyklon tropikalny będzie miał oko o średnicy około 25 mil (40 km), zwykle znajdujące się w geometrycznym centrum burzy. Oko może być czyste lub mieć plamki niskich chmur (oko czyste), może być wypełnione niskimi i średnimi chmurami (oko wypełnione) lub może być przesłonięte przez centralne gęste zachmurzenie. Jest jednak bardzo mało wiatru i deszczu, zwłaszcza w pobliżu centrum. Jest to wyraźny kontrast w stosunku do warunków panujących w oku, które zawiera najsilniejsze wiatry burzy.
Zazwyczaj dość symetryczne, oko może być podłużne i nieregularne, zwłaszcza w słabnących burzach. Duże poszarpane oko to oko nieokrągłe, które wydaje się być rozczłonkowane i jest wskaźnikiem słabego lub słabnącego cyklonu tropikalnego. Otwarte oko to oko, które może być okrągłe, ale ściana powiekowa nie otacza go całkowicie, co również wskazuje na słabnący, pozbawiony wilgoci cyklon.
Huragan Nate, jak widać na tym zdjęciu w dniu 6 września 2005 roku, prezentuje oko wypełnione chmurami.
Podczas gdy typowe dojrzałe burze mają oczy o średnicy kilkudziesięciu mil, szybko nasilające się burze mogą rozwinąć niezwykle małe, przejrzyste i okrągłe oko, określane jako oko otworkowe. Burze z oczami typu pinhole są podatne na duże wahania intensywności, a także stanowią źródło trudności i frustracji dla prognostyków.
Małe oczy (o średnicy mniejszej niż 10 nmi) często wywołują cykle wymiany ściany powiekowej, gdzie nowa ściana zaczyna się formować poza oryginalną ścianą powiekową. Może to mieć miejsce w dowolnym miejscu od dziesięciu do kilkuset mil (piętnastu do setek kilometrów) poza wewnętrznym okiem. W rezultacie burza posiada dwie koncentryczne ściany, lub „oko w oku”. W większości przypadków, zewnętrzna ściana oczna kurczy się wkrótce po uformowaniu, dławiąc oko wewnętrzne i tworząc znacznie większe, ale stabilne oko. Proces ten zazwyczaj osłabia burze, jednak nowa ściana może się skurczyć dość szybko po tym, jak stara ściana się rozproszy, powodując ponowne wzmocnienie burzy i powtórzenie procesu. Skurczona nowa gałka oczna może wywołać kolejny cykl wymiany gałki ocznej.
Oczy mogą mieć wielkość od 200 mil (320 km) (tajfun Carmen) do zaledwie 2 mil (3 km) (huragan Wilma) średnicy. Podczas gdy jest to bardzo rzadkie, aby burze z dużymi oczami stały się bardzo intensywne, zdarza się to, zwłaszcza w przypadku huraganów pierścieniowych. Huragan Isabel był jedenastym najpotężniejszym atlantyckim huraganem wszech czasów i utrzymywał duże oko o szerokości 40-50 mil (65-80 km) przez okres kilku dni.
Formacja
Cykle tropikalne zazwyczaj tworzą się z dużych, zdezorganizowanych obszarów zaburzonej pogody w regionach tropikalnych. W miarę tworzenia się i gromadzenia kolejnych burz, burza rozwija pasma opadowe, które zaczynają się obracać wokół wspólnego centrum. W miarę jak burza przybiera na sile, w pewnej odległości od centrum burzy tworzy się pierścień silniejszej konwekcji. Ponieważ silniejsze burze i silniejszy deszcz oznaczają obszary silniejszych prądów wznoszących, ciśnienie barometryczne przy powierzchni zaczyna spadać, a powietrze zaczyna gromadzić się w górnych warstwach cyklonu. Skutkuje to powstaniem antycyklonu wyżowego, czyli obszaru wysokiego ciśnienia atmosferycznego nad centralnym, gęstym zachmurzeniem. W konsekwencji większość tego nagromadzonego powietrza wypływa antycyklonalnie na zewnątrz ponad cyklon tropikalny.
Pomiary ozonu zebrane nad huraganem Erin 12 września 2001. W oku (pierścień błękitu i fioletu), powietrze gwałtownie wznosi się od powierzchni ziemi, gdzie prawie nie ma ozonu. W oku (okrąg w kolorze zielonym i żółtym), powietrze opada z bogatej w ozon stratosfery, więc jest tam więcej ozonu.
Jednakże, niewielka część nagromadzonego powietrza, zamiast wypływać na zewnątrz, płynie do wewnątrz w kierunku centrum burzy. To powoduje, że ciśnienie powietrza wzrasta jeszcze bardziej, do punktu, w którym ciężar powietrza przeciwdziała sile prądów wznoszących w centrum burzy. Powietrze zaczyna opadać w centrum burzy, tworząc obszar w większości wolny od deszczu – nowo powstałe oko.
Wiele aspektów tego procesu pozostaje tajemnicą. Naukowcy nie wiedzą, dlaczego pierścień konwekcji tworzy się wokół centrum cyrkulacji, a nie na jego szczycie, ani dlaczego antycyklon górnego poziomu wyrzuca tylko część nadmiaru powietrza ponad burzę. Istnieją setki teorii na temat dokładnego procesu formowania się oka: jedyne, co wiadomo na pewno, to to, że oko jest niezbędne, aby cyklony tropikalne mogły osiągać duże prędkości wiatru.
Wykrywanie
Uformowanie się oka jest prawie zawsze wskaźnikiem rosnącej organizacji i siły cyklonu tropikalnego. Z tego powodu, prognostycy uważnie obserwują rozwijające się burze w poszukiwaniu oznak formowania się oka.
W przypadku burz z czystym okiem, wykrycie oka jest tak proste, jak spojrzenie na zdjęcia z satelity pogodowego. Jednak w przypadku burz z wypełnionym okiem, lub okiem całkowicie zakrytym przez centralne gęste zachmurzenie, konieczne jest zastosowanie innych metod wykrywania. Obserwacje ze statków i Łowców Huraganów mogą wizualnie wskazać oko, szukając spadku prędkości wiatru lub braku opadów w centrum burzy. W Stanach Zjednoczonych, sieć stacji radarowych NEXRAD Doppler może wykryć oko w pobliżu wybrzeża. Satelity meteorologiczne również posiadają urządzenia do pomiaru atmosferycznej pary wodnej i temperatury chmur, które mogą być wykorzystane do wykrycia formującego się oka. Ponadto, naukowcy odkryli ostatnio, że ilość ozonu w oku jest znacznie wyższa niż ilość w ścianie powieki, z powodu powietrza opadającego z bogatej w ozon stratosfery.
Zjawiska towarzyszące
Cykle wymiany ściany powieki
Cykle wymiany ściany powieki, zwane również koncentrycznymi cyklami ściany powieki, naturalnie występują w intensywnych cyklonach tropikalnych, zazwyczaj o wietrze większym niż 115 mph (185 km/h), lub większych huraganach (kat. 3 lub wyższa). Kiedy cyklony tropikalne osiągają ten próg intensywności, a ściana powiekowa kurczy się lub jest już wystarczająco mała (patrz wyżej), niektóre z zewnętrznych pasm deszczu mogą się wzmocnić i zorganizować w pierścień burz – zewnętrzną ścianę powiekową – która powoli przesuwa się do środka i pozbawia wewnętrzną ścianę powiekową potrzebnej wilgoci i momentu pędu. Ponieważ najsilniejsze wiatry są zlokalizowane w oku cyklonu, cyklon tropikalny zazwyczaj słabnie w tej fazie, ponieważ wewnętrzna ściana jest „dławiona” przez ścianę zewnętrzną. W końcu zewnętrzna ściana oczna całkowicie zastępuje wewnętrzną, a burza może się ponownie nasilić.
Odkrycie tego procesu było częściowo odpowiedzialne za zakończenie eksperymentu rządu USA dotyczącego modyfikacji huraganów – Projektu Stormfury. Projekt ten miał na celu zasianie chmur na zewnątrz ściany powieki, powodując powstanie nowej ściany powieki i osłabiając burzę. Kiedy odkryto, że jest to naturalny proces wynikający z dynamiki huraganu, projekt został szybko zarzucony.
Prawie każdy intensywny huragan przechodzi przynajmniej jeden z tych cykli podczas swojego istnienia. Huragan Allen w 1980 roku przechodził wielokrotne cykle wymiany ściany powiekowej, wahając się kilkakrotnie pomiędzy kategorią 5 a kategorią 3 w skali Saffira-Simpsona. Huragan Juliette (2001) był rzadkim udokumentowanym przypadkiem potrójnej wymiany ściany powiekowej.
Fosy
Fosa w cyklonie tropikalnym to wyraźny pierścień na zewnątrz ściany powiekowej lub pomiędzy koncentrycznymi ścianami powiekowymi, charakteryzujący się powoli opadającym powietrzem, niewielkimi opadami lub ich brakiem i przepływem zdominowanym przez naprężenia. Fosa pomiędzy ścianami powiek jest tylko jednym z przykładów strefy gwałtownej filamentacji, czyli obszaru w burzy, w którym prędkość rotacyjna powietrza zmienia się proporcjonalnie do odległości od centrum burzy. Takie zdominowane przez naprężenia regiony można potencjalnie znaleźć w pobliżu każdego wiru o wystarczającej sile, ale są one najbardziej wyraźne w silnych cyklonach tropikalnych.
Mezowortezy ściany powiekowej
Zdjęcie oka huraganu Wilma zrobione o 8:22 CDT 19 października 2005, przez załogę na pokładzie międzynarodowej stacji kosmicznej NASA, 222 mile nad Ziemią. W tym czasie Wilma była najsilniejszym atlantyckim huraganem w historii, z wiatrem bliskim 185 mph (280 km/h) i minimalnym ciśnieniem centralnym wynoszącym tylko 882 mbar. Jest to nie tylko klasyczny przykład oka otworkowego (najmniejsze zaobserwowane oko o średnicy zaledwie 3 km), ale także efekt stadionu, w którym ściana powieki opada na zewnątrz i w górę.
Mezowortezy przyoczodołowe to niewielkie elementy rotacyjne występujące w ścianach powiek intensywnych cyklonów tropikalnych. Są one w zasadzie podobne do małych „wirów ssących” często obserwowanych w tornadach wielowirnikowych. W tych wirach prędkość wiatru może być do 10% wyższa niż w pozostałej części ściany powieki. Mezowortezy oczne są najczęstsze w okresach intensyfikacji cyklonów tropikalnych.
Mezowortezy oczne często wykazują nietypowe zachowanie w cyklonach tropikalnych. Zazwyczaj obracają się one wokół centrum niskiego ciśnienia, ale czasami pozostają nieruchome. Udokumentowano nawet, że mezowortezy przyścienne przecinają oko burzy. Zjawiska te zostały udokumentowane obserwacyjnie, eksperymentalnie i teoretycznie.
Mezowortezy przyoczodołowe są istotnym czynnikiem w powstawaniu tornad po wylądowaniu cyklonu tropikalnego. Mezokortezy mogą wywoływać rotację w pojedynczych burzach (mezocyklon), co prowadzi do aktywności tornadowej. W miejscu wyjścia na ląd, pomiędzy cyrkulacją cyklonu tropikalnego a lądem powstaje tarcie. Może to pozwolić mezoworteksom zejść na powierzchnię, powodując duże wybuchy tornad.
Efekt stadionowy
Efekt stadionowy jest zjawiskiem sporadycznie obserwowanym w silnych cyklonach tropikalnych. Jest to dość powszechne zjawisko, w którym chmury ściany powieki zakrzywiają się na zewnątrz od powierzchni wraz z wysokością. Dzięki temu oko z lotu ptaka wygląda jak otwarta kopuła, przypominająca stadion sportowy. Oko jest zawsze większe w górnej części burzy, a najmniejsze w jej dolnej części, ponieważ wznoszące się powietrze w ścianie powieki podąża za izoliniami o równym pędzie kątowym, które również są nachylone na zewnątrz wraz z wysokością. Zjawisko to odnosi się do charakterystyki cyklonów tropikalnych o bardzo małych oczodołach, gdzie zjawisko nachylenia jest znacznie wyraźniejsze.
Zagrożenia
Chociaż oko jest zdecydowanie najspokojniejszą częścią burzy, bez wiatru w centrum i z zazwyczaj czystym niebem, nad oceanem jest to prawdopodobnie najbardziej niebezpieczny obszar. W oku fale napędzane wiatrem poruszają się w tym samym kierunku. Jednak w centrum oka fale ze wszystkich kierunków zbiegają się, tworząc nieregularne grzbiety, które mogą się nawzajem na siebie nakładać, tworząc fale rozproszone. Maksymalna wysokość fal huraganowych nie jest znana, ale nowe badania wskazują, że typowe huragany mogą mieć fale o wysokości dochodzącej do 33 m (100 stóp). Jest to dodatek do każdej fali sztormowej, która może wystąpić, ponieważ fale sztormowe często sięgają do oka huraganu.
Powszechnym błędem, szczególnie w obszarach, gdzie huragany są rzadkością, jest wędrówka mieszkańców na zewnątrz w celu sprawdzenia zniszczeń, podczas gdy oko huraganu przechodzi nad nimi, myśląc, że burza się skończyła. Są oni wtedy całkowicie zaskoczeni gwałtownymi wiatrami w przeciwległej ścianie oka. Narodowa Służba Meteorologiczna stanowczo odradza opuszczanie schronienia podczas przechodzenia oka burzy.
Inne burze
Chociaż tylko cyklony tropikalne mają struktury, które są oficjalnie nazywane „oczami”, istnieją inne burze, które mogą wykazywać struktury podobne do oka:
Północnoamerykańska śnieżyca z 2006 roku, burza ekstraterropikalna, pokazała strukturę przypominającą oko w swojej szczytowej intensywności (tutaj widziana tuż na wschód od półwyspu Delmarva).
Nisze polarne
Nisze polarne to mezoskalowe układy pogodowe (zwykle mniejsze niż 600 mil lub 1000 km średnicy) występujące w pobliżu biegunów. Podobnie jak cyklony tropikalne, tworzą się one nad stosunkowo ciepłymi wodami, mogą charakteryzować się głęboką konwekcją (burze) i charakteryzują się wiatrami o sile wichury lub większej (> 31 mph, 50 km/h). Jednak w przeciwieństwie do burz tropikalnych, rozwijają się one w znacznie niższych temperaturach i na wyższych szerokościach geograficznych. Są również mniejsze i trwają krócej (niewiele z nich trwa dłużej niż jeden dzień). Pomimo tych różnic, ich struktura może być bardzo podobna do struktury cyklonów tropikalnych, z wyraźnym okiem otoczonym przez ścianę powiekową i pasma deszczu/śniegu.
Burze ekstremalne
Burze ekstremalne to obszary niskiego ciśnienia, które istnieją na granicy różnych mas powietrza. Prawie wszystkie burze występujące na średnich szerokościach geograficznych mają charakter pozatropikalny, w tym klasyczne północnoamerykańskie niże i europejskie wichury. Najcięższe z nich mogą mieć wyraźne „oko” w miejscu najniższego ciśnienia barometrycznego, choć zwykle jest ono otoczone przez niższe, nie konwekcyjne chmury i znajduje się w pobliżu tylnej części burzy.
Burze podzwrotnikowe
Burze podzwrotnikowe to cyklony, które mają pewne cechy pozazwrotnikowe i pewne cechy zwrotnikowe. Jako takie, mogą mieć oko, ale nie są prawdziwymi burzami tropikalnymi. Burze podzwrotnikowe mogą być bardzo niebezpieczne, z silnym wiatrem i morzem, i często przekształcają się w prawdziwe burze tropikalne. Narodowe Centrum Huraganów zaczęło włączać burze podzwrotnikowe do swojego nazewnictwa w 2002 roku.
Tornada
Tornada są niszczycielskimi, małymi burzami, które wytwarzają najszybsze wiatry na ziemi. Istnieją dwa główne typy tornad – tornada jednowirowe, które składają się z pojedynczego wirującego słupa powietrza, oraz tornada wielowirowe, które składają się z małych wirów ssących, przypominających same mini-tornada, obracających się wokół wspólnego centrum. Uważa się, że oba te typy tornad mają spokojne centra, określane przez niektórych meteorologów jako „oczy”. Teorie te są wspierane przez obserwacje radaru dopplerowskiego i relacje naocznych świadków.