10.2. Zivatarok és tornádók

A zivatarfelhőkről a 6. fejezetben már volt szó. Megismertük a csapadékképződés folyamatát és a felhőképződéshez szükséges dinamikai feltételeket. A zivatarfelhőkben történtek megértéshez ismernünk kell a levegő áramlását is a felhőben és a felhő környezetében. A csapadékképződés és az áramlás között szoros kölcsönhatás van. Például a jégszemek végső mérete erősen függ a feláramlási sebesség nagyságától, a feláramlás intenzitását viszont jelentősen befolyásolja a túlhűlt vízcseppek fagyása során felszabaduló látens hő. Jelentős károkat nem csak a zivatarfelhőkből hulló jégeső, vagy a nagyon rövid idő alatt kihulló nagy mennyiségű csapadék eredményezhet. A zivatarfelhőkből nagy sebességgel leáramló és a felszínen szétáramló levegő, vagy az intenzív zivatarokat kísérő tornádók ugyancsak katasztrofális hatásúak lehetnek. Az alábbiakban a zivatarfelhők struktúráját és a levegő áramlását vizsgáljuk meg a zivatarokban, illetve közvetlen környezetükben.

A zivatarfelhő életciklusa három részre osztható (10.7. ábra):

 

Légtömegen belül kialakuló zivatarfelhők fejlődésének három fázisa

10.7. ábra: Légtömegen belül kialakuló zivatarfelhők fejlődésének három fázisa. Fejlődő állapotban a felhő nagy részében a levegő felfelé áramlik, kialakulnak a felhő- és csapadékelemek (a vízcseppeket körök, a jégszemeket fehér körök, a jégkristályokat csillagok jelölik). Kifejlett állapotban a felhő eléri legnagyobb magasságát, kialakul a felhő üllője, megkezdődik a csapadék kihullása és ezzel együtt a felhő egy részében a levegő lefelé kezd áramolni. Disszipációs, azaz leépülő állapotban a csapadékhullás intenzitása gyengül, a felhő nagy részében a levegő lefelé áramlik.

1.) Az első, fejlődő szakaszban a felhő egészében felfelé áramlik a levegő, és ekkor alakulnak ki a felhő- és csapadékelemek.

2.) A második, kifejlett szakaszban a csapadékelemek gyorsan növekednek. A nagyobb jégszemeket és esőcseppeket a felfelé áramló levegő már nem tudja fenntartani. A lefelé mozgó részecskék a levegő egy részét is magukkal ragadva leáramlást generálnak. Az a tartomány, ahol a levegő már lefelé áramlik, egyre nő, és rövid időn belül (5–10 perc) eléri a felszínt. A leáramló levegő a felszín közelébe érve szétáramlik. Ezt a szétáramlást érzékeljük akkor, amikor azt tapasztaljuk, hogy a zivatar környezetében megerősödik a szél. A zivatarokat kísérő erős széllökést kifutószélnek hívjuk. A kifutószél sebessége akár a 100 km/h-át is elérheti.

3.) A végső, disszipációs állapotban a csapadékhullás intenzitása erősen gyengül, és a felhő egészében a levegő lefelé áramlik.

Nyáron a gyors hőmérséklet-emelkedés következtében délutánonként gyakran megfigyelhetjük, hogy egy-egy helyen gyorsan növekvő gomolyfelhők törnek a magasba, és amilyen gyorsan keletkeznek, olyan gyorsan le is épülnek. Ezekben a felhőkben a három fejlődési fázis időben egymást követően alakul ki a 10.7. ábrán bemutatott módon. Mivel a felhő teljes egészére egy adott időpontban valamelyik fejlődési fázis a jellemző, az ilyen típusú zivatarfelhőket egycellás zivatarfelhőnek nevezzük. Az egycellás zivatarfelhők általában instabil légkörben és frontmentes időjárási helyzetben alakulnak ki. Az egycellás zivatarfelhők mozgását a környezetben fújó szél sebességének nagysága és iránya határozza meg. Ha a szélsebesség kicsi, még egy kevésbé intenzív zivatarfelhőből is jelentős mennyiségű csapadék hullhat egy adott helyen. Amennyiben a fent említett három fejlődési ciklus egyszerre van jelen egy felhőtömbön belül, akkor többcellás zivatarfelhőkről beszélünk (10.8. ábra).

 

Többcellás zivatarfelhő függőleges metszete

10.8. ábra: Többcellás zivatarfelhő függőleges metszete, amely meteorológiai radaron látható kép alapján készült. A nyíllal ellátott vonalak a levegő áramlásának irányát jelölik. A felhőben egyszerre vannak jelen a fejlődő, kifejlett és leépülő fázisban lévő tartományok. Az n+1, illetve n jelű tartományokban a fejlődő állapot a jellemző, az n–1-gyel jelölt régió a kifejlett állapot sajátosságait mutatja, míg az n–2-vel jelölt tartomány már leépülőben van. A kis fehér körök sorozata a jégszemek egy lehetséges pályáját mutatja. A baloldali tengely mellett a zivatarfelhő környezetére jellemző szél sebessége és iránya olvasható le. (Forrás: Browning, et al., 1976).

Általában a felhő haladási irányában legelöl a fejlődő, középen a kifejlett, míg leghátul a leépülő állapotban lévő cella található. A fejlődés különböző fázisaiban lévő tartományok (cellák) elkülönülését csak az 1950-es években sikerült kimutatni időjárási radarok segítségével. A többcellás zivatarfelhőben is – hasonlóan az egycellás zivatarfelhőkhöz – egy-egy cella élettartama kb. félóra. A csapadékhullás a fejlett állapotban lévő cellából (n–1-gyel jelölt tartomány a 10.8. ábrán) a legintenzívebb, és itt a legerősebb a levegő leáramlása is. A lefelé áramló, környezeténél hidegebb levegő a talaj mentén szétáramlik, és felemelkedésre készteti a felszínen lévő melegebb légtömeget. A feláramló levegőben újabb cellák alakulnak ki (n-nel és n+1-gyel jelölt tartományok). Az újabb cellák általában a zivatarfelhő vonulási irányában, attól némileg jobbra alakulnak ki.

A zivatarfelhők harmadik csoportjába az ún. szupercellák tartoznak. Ezek élettartama akár több óra is lehet, noha csak egy feláramlási csatorna figyelhető meg bennük (10.9. ábra). Kialakulásuk feltétele az erősen instabil légkör, valamint a szél sebességének és irányának markáns változása a magassággal. A zivatarfelhők átlagos magassága 6–8 km, de a szupercellák akár a 13–14 km magasságot is elérhetik. A levegő feláramlási sebessége a zivatarfelhőkben 10 és 30 m/s között változik. Egyes szupercellákban megfigyeltek ennél jóval nagyobb értéket is (50 m/s).

 

Szupercella sematikus ábrája

10.9. ábra: Szupercella sematikus ábrája. A feláramlási csatorna tengelyében gyakran alakul ki tornádó, de a csapadékhullást kísérő kifutószél sebessége is elérheti a 100–150 km/h-t. A szél mellett jelentős károkat okozhat az intenzív jégeső is. A feláramlási csatorna felett kimagasodó dóm akár a 14–15 km-es magasságot is elérheti. A szupercella üllőjének horizontális kiterjedése kb. 100 km.

A zivatarok kísérőjelenségei az intenzív csapadékhullás, gyakran jégeső kíséretében, továbbá a jelentős szélsebesség növekedés, ami a szél irányának változásával is járhat a felszínen. A zivatarfelhőkben gyakori villámlásról a 11.3. fejezetben részletesebben is lesz szó. A csapadékhullás intenzitása elérheti a száz milliméter/óra nagyságrendet is. Mivel a zivatarok általában nagy sebességgel (30–50 km/h) mozognak, ez egy adott területen csak 10–20 mm csapadékot jelent. Előfordulhat azonban, hogy a zivatarok csak nagyon lassan mozognak, ilyenkor egy-egy helyen jelentős mennyiségű csapadék is lehullhat. Hazánkban a zivatarokkal kapcsolatos károk részben a jégesőknek, részben a csapadékhullást kísérő szélerősödésnek tulajdoníthatók. Már az egy-két centiméter átmérőjű jégszemek is jelentős károkat okoznak, ugyanis például a 2 cm-es jégszemek kb. 20 m/s-os sebességgel esnek lefelé. A szupercellákból ennél jóval nagyobb jégszemek is eshetnek, az Egyesül Államokban találtak már kb. 15 cm átmérőjű, 0,77 kg tömegű jégszemet is.

 

A zivatarfelhő kifutó szelének hatása a szélviszonyok alakulására

10.10. ábra: A zivatarfelhő kifutó szelének hatása a szélviszonyok alakulására. A vékony fekete nyilak a szél irányát mutatják négy különböző pontban a kifutószél megérkezése előtti időpontig. A fehér vastag nyilak a kifutószél irányát jelzik. A vastag fekete nyilak a szélsebesség irányát mutatják a kifutószél megérkezése utáni időben. A nyilak hossza arányos a szélsebesség nagyságával. Az É melletti nyíl az északi irányt mutatja. A fehér kör a zivatarfelhő helyét jelöli.

A kifutószél megjelenésével mind a szélsebesség, mind a szél iránya jelentősen megváltozhat a környező levegőben (10.10. ábra). Az épületekben okozott kár azzal magyarázható, hogy a nagy szélsebesség miatt jelentős nyomáskülönbség alakul ki a zárt épületeken belül nyugalomban lévő levegő és a külső levegő között.

A repülőterek közelében a kifutószél jelentős veszély forrása lehet. A szél irányának gyors változása csökkentheti a le- vagy felszálló repülőgépekre ható felhajtóerőt, és a repülőgép a földnek csapódhat (10.11. ábra).

 

A szélirány változásának hatása a le- vagy felszállóban lévő repülőgépekre

10.11. ábra: A szélirány változásának hatása a le- vagy felszállóban lévő repülőgépekre. A repülőgép mozgási irányával szembe fújó szél megnöveli a szárnyakra ható felhajtóerőt (fekete nyilak). Ha szélsebesség és/vagy szélirány rövid idő alatt megváltozik, a felhajtóerő jelentősen lecsökken (jobb oldali ábra), és a talaj közelsége miatt már nincs lehetőség korrekcióra. A szél irányát fehér nyilak jelzik.

Az intenzív zivatarok gyakori kísérőjelensége a tornádó, amely egyike a legpusztítóbb légköri képződményeknek. A tornádóban örvénylő levegő sebessége gyakran eléri a 300–400 km/h-t. A tornádó belsejében a nyomás gyakran 700–800 hPa-nál is kisebb. A képződmény horizontális kiterjedése néhány száz méter, maximum 1–2 km, élettartama pedig legfeljebb 1–2 óra. A levegő áramlását egy tornádóban a 10.12. ábrán figyelhetjük meg.

 

A levegő áramlása egy tornádóban

10.12. ábra: A levegő áramlása egy tornádóban

A felszín felett a tornádók külső felszínén a nyomáskülönbségből szármázó gradiens erő egyensúlyt tart a centrifugális erővel (lásd ciklosztrófikus áramlás az 5. fejezetben). Így itt a levegő spirálisan emelkedik felfelé. Más a helyzet a felszínen, ahol a súrlódás fékezi a levegő áramlását, ezért a sugár irányú, a tornádó közepe felé mutató gradiens erő nagyobb lesz, mint a centrifugális erő. Ennek tulajdonítható a felszínen megfigyelhető erős szívó hatás. A felszínen befelé áramló levegő a tornádó belsejében felfelé áramlik.

Tornádók leggyakrabban az Amerikai Egyesült Államok középső területén alakulnak ki. Itt az északról érkező sarkvidéki hideg és a délről érkező meleg, nedves levegő mozgását nem fékezi kelet-nyugat irányú hegyvonulat. Ezért igen heves zivatarok alakulnak ki, amelyeket gyakran kísérnek tornádók. 1974. április 3–4-én például 127 tornádót jegyeztek fel a Mississippi völgyében. Magyarországon szerencsére ez a természeti jelenség viszonylag ritkán, évente csak néhány alkalommal figyelhető meg. Országunkban a tornádók általában a szupercellás nyári zivatarok kísérőjelenségei, de ritkán előfordulhatnak tavasszal vagy ősszel is (pl. 1997. november 11. Kunszentmárton).

10.1. Táblázat. A tornádók Fujita-féle osztályozása

Kategória

Szélsebesség (m/s)

Okozott kár nagysága

A kár jellege

F0

18–32

kicsi

kémények dőlnek le, fiatal fák és közlekedési táblák dőlnek ki

F1

33–50

közepes

háztetők szakadnak fel, gépjárművek borulnak fel vagy sodródnak le az útról

F2

51–70

jelentős

tetőszerkezetek szakadnak fel, gépjárművek törnek össze, nagyobb fák törnek ki vagy gyökerestül csavarodnak ki, kisebb tárgyak sodródnak a levegőben

F3

71–92

súlyos

kőházak falai dőlnek össze, vonatszerelvények borulnak fel, minden fa kidől vagy kitörik, gépjárművek emelkednek fel és métereket repülnek a levegőben

F4

93–116

katasztrofális

az épületek többsége a földdel válik egyenlővé, tetőszerkezetek, gépjárművek és nagyobb tárgyak repülnek a levegőben

F5

117–142

teljes megsemmisülés

vasbetonból álló házak dőlnek össze, nehéz gépjárművek és darabjaik több száz méternyit repülnek a levegőben

A kifutószelet gyakran összetévesztik a tornádóval. A szélsebesség, valamint az okozott károk alapján nem mindig könnyű a két jelenség elkülönítése. Egy japán származású amerikai kutató, Theodore Fujita 6 kategóriába sorolta a tornádókat. Az osztályozás alapja az okozott kár nagysága (10.1. táblázat).

10.2. Táblázat. Tornádók osztályozása a TORRO skála alapján

Skála

Sebesség (m/s)

A tornádó jellemzése

T0

17–24

gyenge

T1

25–32

mérsékelt

T2

33–41

közepes

T3

42–51

erős

T4

52–61

heves

T5

62–72

intenzív

T6

73–83

mérsékelten pusztító

T7

84–95

erősen pusztító

T8

96–107

hevesen pusztító

T9

108–120

intenzíven pusztító

T10

121–134

totálisan pusztító

A teljesség kedvéért megemlítünk egy másik, Európában elterjedt tornádóosztályozást, amelyet a Tornádó és Zivatar Kutatási Szervezet (Anglia) készített el. Az osztályozást a szervezet angol elnevezése alapján (Tornado and Storm Research Organization) TORRO skálának hívják. Az osztályozás alapja a tornádó érintő irányú szélsebessége (10.2. táblázat). Természetesen a két skála nem független egymástól, hiszen az okozott kár rendszerint erősen függ a szélsebességtől.