Когда облачный шлейф из льда и водяного пара вздымается над вершиной сильной грозы, есть большая вероятность, что сильнейший торнадо, ветер или крупный град накроют Землю. Новое исследование Стэнфордского университета, опубликованное сегодня в журнале Science, раскрывает физический механизм этих шлейфов, которые образуются над большинством самых разрушительных торнадо в мире.

Предыдущие исследования показали, что их достаточно просто обнаружить на спутниковых снимках, часто за 30 минут и более до того, как суровые погодные условия достигнут земли. Отсюда и возник вопрос, почему этот шлейф связан с наихудшими условиями и как он вообще существует? 

Новое исследование было проведено через несколько дней после того, как по США прошелся ураган Ида, вызвавший множество разрушений. Ученые отмечают, что понимание того, как и почему шлейфы формируются над мощными грозами, может помочь синоптикам распознать аналогичные надвигающиеся опасности и выдать более точные предупреждения, не полагаясь на доплеровские радиолокационные системы, которые могут быть сбиты ветром и градом - и иметь слепые зоны даже в хорошие дни. 

Грозы, вызывающие большинство торнадо, известны как суперячейки, редкая разновидность штормов с вращающимся восходящим потоком, который может устремляться ввысь с огромной скоростью и с достаточной мощностью, чтобы пробить обычную крышку на тропосфере Земли, самом нижнем слое наша атмосфера.

В более слабые грозы восходящие потоки влажного воздуха имеют тенденцию сглаживаться и распространяться при достижении этой крышки, называемой тропопаузой, образуя облако в форме наковальни. Интенсивный восходящий поток сверхъячейковой грозы выталкивает тропопаузу вверх в следующий слой атмосферы, создавая то, что ученые называют «взлетом вверх». 

Когда ветры в верхних слоях атмосферы проходят над выступающей вершиной шторма и вокруг нее, они иногда поднимают потоки водяного пара и льда, которые устремляются в стратосферу, образуя контрольный шлейф, технически называемый перистым шлейфом над наковальней или AACP. 

Поднимающийся воздух над взлетающей вершиной вскоре возвращается к тропосфере, как шар, который ускоряется вниз после взлетающего гребня. В то же время воздух проходит над куполом в стратосфере, а затем устремляется вниз по защищенной стороне.

Используя компьютерное моделирование идеализированных гроз суперячейки, ученые обнаружили, что это вызывает ураган с уклоном в тропопаузе. Сухой воздух, спускающийся из стратосферы, и влажный воздух, поднимающийся из тропосферы, соединяются в этой очень узкой, безумно быстрой струе, которая становится нестабильной и в итоге все это смешивается и взрывается в турбулентности. Такие скорости на вершине шторма никогда ранее не наблюдались и не предполагались.

Ученые давно поняли, что пролет над грозовыми вершинами влажного воздуха, поднимающегося в верхние слои атмосферы, может действовать как твердые препятствия, которые блокируют или перенаправляют воздушный поток. Было высказано предположение, что волны влажного воздуха, текущие над этими вершинами, могут разбивать воду и поднимать ее в стратосферу. Но до сих пор ни одно исследование не объяснило, как все элементы сочетаются друг с другом.

Новое моделирование предполагает, что взрыв турбулентности в атмосфере, сопровождающий штормовые шлейфы, разворачивается через явление, называемое гидравлическим прыжком. Тот же самый механизм действует, когда порывистый ветер обрушивается на горы и создает турбулентность на спуске, или когда вода, плавно движущаяся вниз по водосбросу плотины, внезапно превращается в пену при соединении с медленно движущейся водой внизу.

Это явление наблюдал еще в 1500-х годах Леонардо Да Винчи в проточной воде, а древние римляне, возможно, стремились ограничить гидравлические прыжки в конструкции акведуков. Но до сих пор ученые видели только динамику, вызванную твердой топографией. Новое моделирование предполагает, что гидравлический прыжок также может быть вызван жидкими препятствиями в атмосфере, которые почти полностью состоят из воздуха и меняют форму каждую секунду на высоте нескольких километров над поверхностью Земли.

Моделирование предполагает, что начало скачка совпадает с удивительно быстрой инжекцией водяного пара в стратосферу, со скоростью более 7000 килограммов в секунду. Это в два-четыре раза выше предыдущих оценок. Достигнув внешнего мира, вода может оставаться там в течение нескольких дней или недель, потенциально влияя на количество и качество солнечного света, который достигает Земли, за счет разрушения озона в стратосфере и нагревания поверхности планеты. 

По словам ученых, высотные исследовательские самолеты НАСА только недавно получили возможность наблюдать трехмерные ветры на вершинах гроз и еще не наблюдали производство AACP с близкого расстояния. Но зато теперь есть технология, позволяющая проверить результаты моделирования, чтобы убедиться, что они реалистичны.