Tornado (z
hiszp. tronada – burza) – gwałtownie wirująca kolumna powietrza, będąca jednocześnie w kontakcie z powierzchnią ziemi i podstawą
cumulonimbusa lub rzadziej
wypiętrzonego cumulusa. Tornada osiągają różne rozmiary. Zwykle przyjmują postać widzialnego
leja kondensacyjnego, węższym końcem dotykającego ziemi. Dolna część leja jest często otoczona chmurą odłamków i pyłu
[1].
Tornada zaobserwowano na każdym kontynencie oprócz Antarktydy, jednak najwięcej tornad rocznie notuje się w
Stanach Zjednoczonych[2][3].
Większość tornad ma siłę wiatru nie większą niż 180 km/h, szerokość
leja do 75 metrów i pozostaje w kontakcie z ziemią na tyle długo, by
przemierzyć kilka kilometrów. Niektóre osiągają prędkość wiatru ponad
480 km/h, szerokość leja 1,5 km i przemierzają do 100 km dotykając ziemi
[4][5]. Siłę tornad mierzy się w
skali Fujity. Większość najbardziej niszczycielskich tornad formuje się w chmurach burzowych zwanych
superkomórkami[6].
W polskiej terminologii tornado jest określane mianem:
trąba powietrzna (patrz
trąby powietrzne w Polsce).
Rodzaje i powstawanie tornad
Tornado superkomórkowe z widoczną chmurą stropową
Podział ze względu na sposób tworzenia się
Ze względu na warunki, w których powstają, wszystkie tornada można podzielić na dwie główne grupy:
[7]
- Tornado superkomórkowe (tornado związane z mezocyklonem)
- Najbardziej klasyczny i zazwyczaj najgroźniejszy rodzaj tornada.
Mają kształt leja o różnej średnicy (od cienkich przypominających
sznurek do bardzo szerokich). Stanowią większość najbardziej
niszczycielskich tornad[8], a najsilniejsze z nich osiągają prędkość wiatru do 480 km/h[4] (F5 w skali Fujity). Ogólnie mówiąc tornada powstają dzięki zmianie energii potencjalnej na energię kinetyczną (patrz energia potencjalna dostępna konwekcyjnie).
Procesy fizyczne związane z powstawaniem cyrkulacji powietrza w
tornadzie superkomórkowym związane są z niestabilną konwekcyjnie
atmosferą, obecnością mezocyklonu w superkomórkach burzowych,
oraz istnieniu zmian kierunku i prędkości wiatru z wysokością. Zmiany
kierunku wiatru z wysokością i zmiany prędkości wiatru wpływają na
średni ruch komórki – zazwyczaj na prawo od średniego wiatru – oraz na
cyklonalny ruch tornad na półkuli północnej. Tornada tego typu mają
dobrze zdefiniowany cykl rozwoju.
Procesy fizyczne w tornadach badane są przez meteorologów i fizyków
atmosfery przy użyciu metody teledetekcyjnych (m.in. radary
meteorologiczne), bezpośrednie pomiary (sondaże), oraz symulacje
numeryczne. Tornada związane z mezocyklonem są obiektem zainteresowań łowców burz[9]. Ze względu na obecność mezocyklonu zazwyczaj da się je przewidywać lepiej niż tornada typu trąby lądowe.
Widoczne objawy, które mogą zapowiadać nadejście tornad
superkomórkowych to utworzenie się superkomórki i powstanie u jej
podstawy, często wirującej, chmury stropowej. Tego typu tornada występują tylko w superkomórkach burzowych[6].
- Trąby lądowe i wodne (tornado niezwiązane z mezocyklonem)
- To rodzaj tornad, których powstanie nie jest związane z działalnością mezocyklonu w superkomórce burzowej[10]. Nazwę trąby lądowe (ang. landspout) zaproponował Howard B. Bluestein w latach 80. XX wieku i szybko stała się powszechnie używana. Są nazwane przez analogię do trąb wodnych ale występują nad lądem[11][12].
Trąby lądowe związane są z komórkami chmurowymi (cumulus congestus) lub
liniami frontalnymi, czyli wszędzie gdzie horyzontalna zmiana prędkości
wiatru przyczynia się do tworzenia cyrkulacji powietrza. W odróżnieniu
od tornad superkomórkowych wirowość potrzebna do utworzenia trąby
lądowej jest skoncentrowana w warstwie granicznej, czyli poniżej
podstawy chmur. Warunkiem powstawania trąb lądowych jest dobrze
wymieszana warstwa graniczna, w której istnieje zmiana temperatury w
pionie z tzw. gradientem suchoadiabatycznym (niestabilna atmosfera) co
pozwala na silny ruch wstępujący. Procesy dynamiczne tworzenia się trąb
lądowych podobne są do trąb wodnych, które powstają zazwyczaj w rejonach
tropikalnych nad wodą lub w rejonach gdzie zimne powietrze przemieszcza
się nad ciepła wodą co powoduje dużą niestabilność w warstwie
granicznej. Jednak te procesy są różne od dynamiki tornad
superkomórkowych.
- Trąby lądowe często powstają w silnych prądach wznoszących z chmur
kłębiastych (zazwyczaj burzowych), gdy wiatry blisko powierzchni ziemi
wieją z przeciwnych stron[13].
Te tornada są zwykle o wiele słabsze od tornad superkomórkowych, ale
najsilniejsze mogą osiągać w skali Fujity siłę F2, a także w
ekstremalnych przypadkach F3.[10]
Mają zwykle kształt wąskiej rury, są smuklejsze niż tornada powstałe za
sprawą mezocyklonu. Charakteryzują się mniejszym i węższym lejem
kondensacyjnym, który zazwyczaj nie osiąga powierzchni ziemi, a
pierwszymi, widocznymi objawami pojawienia się trąb lądowych są unoszone
odłamki[14].
Dopiero potem wir jest widoczny przy powierzchni ziemi poprzez pyły
zawieszone w powietrzu i rozpoczęciu kondensacji. Mogą tworzyć się
gdziekolwiek pojawia się burza: najczęściej w rozwijających się
komórkach burzowych, ale także w przechodzących chłodnych frontach atmosferycznych, a nawet w superkomórkach. Możliwe jest również ich pojawienie się w wypiętrzających się cumulusach[13]. Ich cykl życia i proces powstania może trwać kilka minut. Skala przestrzenna tornad lądowych jest mała, stąd trudno je przewidzieć[15].
Inne specyficzne typy tornad
Tornado satelickie koło dużego tornada
- Tornado z wieloma wirami
- Tornado, w którym dwa lub więcej wiry obracają się wokół wspólnego
środka. Występują często w intensywnych tornadach. Tego typu tornada
zostawiają wąskie pasy silniejszych zniszczeń. Czasami trudno jest
zauważyć wiry oddzielnie ze względu na maskującą rolę odłamków
niesionych przez tornada[16][6].
- Tornado satelickie
- To słabsze tornado, które tworzy się blisko większego tornada w
obrębie tego samego mezocyklonu. Tornado satelickie wydaje się obracać
wokół większego wiru[17].
- Trąby wodne
- Tak określa się tornada występujące nad wodą. Istnieje podział ze
względu na sposób powstania, tak jak w przypadku tornad nad lądem:
- Trąby wodne nie związane z mezocyklonem – powstają nad wodą w sposób
podobny do trąb lądowych. Mają smukły kształt, taki jak trąby lądowe.
Jest to najpowszechniejszy rodzaj trąb wodnych. Powstają kiedy nad
ciepłą wodę napływa zimne powietrze, czasami podczas dobrej pogody, przy
której na lądzie nie powstają tornada[18].
Wypiętrzające się chmury kłębiaste powodowane przez różnice temperatur
oraz przez czynniki dynamiczne prowadzą do powstawania trąb wodnych[19]. Najczęściej ich intensywność osiąga F0 lub F1, a średnica leja rzadko przekracza 30 metrów[20]. Klimatycznie powstają najczęściej w tropikach i subtropikach, rzadko obserwowane są także latem nad Bałtykiem[21].
-
- Trąby wodne związane z mezocyklonem – powstają w obecności
mezocyklonu w superkomórkach burzowych nad wodą. Mogą być o wiele
intensywniejsze i groźniejsze niż trąby wodne nie związane z
mezocyklonem[22].
Formacje tornadopodobne
Te formacje z widoku przypominające tornada nie są nimi.
- Tornado linii szkwałów (ang. gustnado)
Mała, pionowa kolumna wirującego powietrza przypominająca tornado,
która może występować na przednich krawędziach burz i we frontach w
strefie silnych uderzeń wiatru
[23].
Wiatr w wirze jest zazwyczaj znacznie słabszy niż w tornadach i
gustnado osiąga siłę F0 lub F1 (w skali Fujity). Jednak i one mogą się
przyczyniać do sporych zniszczeń. Powstają, gdy zimne, suche powietrze z
przedniej części chmury opadając przepływa przez ciepłe i wilgotne
powietrze przed chmurą i nadaje jemu efekt wirowy. Przy występujących
uskokach wiatru blisko powierzchni ziemi rotacja pozioma może być
odchylona do pionu i powstaje gustnado
[24].
Wir nie ma styczności z podstawą chmury (stąd nie jest tornadem), a
jedynie z powierzchnią ziemi i zazwyczaj widoczny jest tylko jako chmura
wirujących odłamków i pyłu przy powierzchni ziemi
[25].
- Wir pyłowy (ang. Dust devil)
Wirująca kolumna powietrza przypominająca tornado. Formują się one
zazwyczaj pod bezchmurnym niebem i nie osiągają siły nawet najsłabszych
tornad. Kolumna widoczna jest zwykle jako niewielki, wirujący lej piasku
i kurzu. Wir istnieje blisko gruntu i może powstać, gdy gorące
powietrze przy powierzchni ziemi szybko unosi się do góry przechodząc
przez strefę chłodniejszego powietrza o niższym ciśnieniu.
Zazwyczaj mają średnicę mniejszą niż metr i wiatry poniżej 70 km/h,
ale zdarzały się przypadki wirów o średnicy 90 metrów i wiatru powyżej
100 km/h (czyli siła tornada F0 w skali Fujity)
[26][27].
Własności zewnętrzne tornad
Kształt
Tornado o szerokości 1,5 km w kształcie szerokiego klina
Zanikające tornado w kształcie skręconego sznurka
Większość tornad przybiera kształt wąskiego
leja kondensacyjnego, o szerokości do kilkuset metrów, z chmurą odłamków przy powierzchni ziemi.
Niewielkie i słabe trąby lądowe mogą być widoczne jako mały wir pyłu
zawieszonego w powietrzu przy powierzchni ziemi. Nawet jeśli lej
kondensacyjny jest niewidoczny, to przy wietrze powyżej 64 km/h
cyrkulacja jest zdefiniowana jako tornado.
Tornado o cylindrycznym kształcie i względnie małej wysokości jest
określane jako tornado kominowe (ang. stovepipe tornado). Duże tornada o
pojedynczym wirze mogą przyjmować kształt szerokich klinów i są
określane jako tornado klinowe (ang. wedge tornado). Klin tornada może
być tak szeroki, że wygląda jak blok ciemnych chmur, szerszy niż
wysokość podstawy chmury. Nawet doświadczeni obserwatorzy mogą mieć z
większej odległości problem z rozróżnieniem nisko wiszących chmur od
szerokiego tornada klinowego. Wiele najgroźniejszych tornad ma kształt
szerokiego klina
[28].
Tornada w stadium zanikania przypominają zwykle wyglądem cienkie
linii i często przyjmują skomplikowane, skręcone kształty. Te tornada
określa się mianem tornado w kształcie liny (ang. rope tornado).
Niektóre tornada mogą być cienkie przez cały swój cykl życia, a mimo to
powodować duże szkody. W tornadach rozmiar niekoniecznie jest związany z
intensywnością
[29].
Tornada z wieloma wirami mogą wyglądać jak gromada wirów lub pod
wpływem zakrycia przez odłamki, pył i krople wody mogą wyglądać jak
pojedynczy lej.
Tornada mogą być zasłonięte warstwą deszczu lub pyłu, co uniemożliwia
ich śledzenie i zwiększa ryzyko nagłego pojawienia się tornada.
Szerokość leja i długość pasa zniszczeń tornada
W Stanach Zjednoczonych średnio tornado ma szerokość 150 metrów, a
przeciętne ścieżka zniszczeń osiąga 8 kilometrów długości. Spektrum
wielkości tornad jest szerokie. Słabe lub zanikające tornada mogą mieć
szerokość 1–2 metrów. Zanotowano tornado o drodze zniszczeń długiej na
zaledwie 2 metry. Z drugiej strony szerokie tornada mogą pozostawiać pas
zniszczeń szeroki na 1,6 kilometra
[26]. Tornado, które zaobserwowano w
Hallam w
Nebrasce 22 maja 2004 roku miało w pewnym momencie szerokość 4 kilometrów
[5].
Najdłużej pozostającym przy ziemi zanotowanym tornadem było słynne
Tri-State Tornado, które uderzyło w
Missouri,
Illinois i
Indianę 18 marca 1925
i zostawiło 352-kilometrowy pas zniszczeń. Wiele tornad, które zdają
się mieć drogę zniszczeń dłuższą niż 160 km, jest w istocie rodzinami
tornad pojawiających się po sobie w krótkim czasie. Nie ma dowodu, że
tak było w przypadku tornada Tri-State
[30].
Istnieje związek pomiędzy siłą tornada, a długością trasy tornada: im
silniejsze tornado, tym zazwyczaj ścieżka zniszczeń jest dłuższa
(średnio tornado F5 jest na ziemi przez 50 km, a F0 przez kilometr).
Również średnia szerokość leja tornada rośnie wraz z jego siłą, średnio
tornada F0 mają szerokość około 30 metrów, a F5 ponad pół kilometra)
[31]. W praktyce występują tornada, które mają własności inne niż typowe – np. silne tornada o wąskim leju.
Wygląd
Fotografie tego samego tornada wykonane z różnych stron. Gdy tornado
jest podświetlone z tyłu słońcem to jest ciemne, a gdy jest oświetlone
od strony obserwatora, to wygląda na znacznie jaśniejsze.
Tornada mogą mieć różne barwy w zależności od tego gdzie się tworzą.
Tornada powstające w suchych warunkach, mogą być niewidoczne oprócz
wirujących odłamków przy powierzchni ziemi. Lej kondensacyjny, który
podnosi mało pyłu i odłamków może być szary lub biały. Podczas
przemieszczania się nad wodą tornada mogą przybrać białą lub niebieską
barwę. Leje przesuwające się wolniej i wsysające wiele odłamków są
zazwyczaj ciemne i przybierają kolor przenoszonego materiału. Tornada na
wielkich równinach
przybierają często czerwoną barwę ze względu na kolor ziemi, a wiry
przechodzące nad terenami górskimi mogą być śnieżno białe ze względu na
obecność śniegu.
Oświetlenie jest głównym czynnikiem w wyglądzie tornada. Tornado,
które jest podświetlone słońcem od tyłu wygląda na bardzo ciemne,
natomiast to samo tornad obserwowane gdy słońce świeci w plecy
obserwatora może wyglądać na szare lub białe. Tornada występujące o
zachodzie słońca mogą przyjmować odcienie żółci lub czerwieni
[32].
Pyl podniesiony przez wiatr, intensywny deszcz lub grad i ciemność to
czynniki redukujące widoczność tornada. Tornada występujące w tych
warunkach są szczególnie groźne gdyż tylko radar i dźwięk tornada mogą
być ostrzeżeniami dla ludzi. Jednak większość tornad powstaje późnym
popołudniem przy dobrych warunkach oświetleniowych
[30]. Tornada nocne mogą być dobrze oświetlane przez częste błyskawice.
Są dowody z radarowych odczytów, ale także na podstawie obserwacji,
że większość tornad ma spokojne, czyste oko, w którym panuje bardzo
niskie ciśnienie analogicznie, jak to się dzieje w
oku cyklonu
tropikalnego. W środku jest spokojnie, wieją lekkie wiatry i jest
ciemno, a jedynym źródłem światła dla tych, których widzieli środek
tornada mogły być błyskawice
[33].