Лекция 9.. Стихийные явления как источник естественных опасных факторов.
Опасные природные явления
Это экстремальные и суровые климатические и метеорологические процессы, которые происходят во всех частях мира, однако некоторые регионы считаются более уязвимыми для определенного рода событий по сравнению с другими. Опасные стихийные природные явления переходят в разряд бедствий в том случае, когда разрушается инфраструктура и гибнут люди. Эти потери представляют собой основные препятствия для развития человечества. Помешать подобным катаклизмам практически невозможно, остается только своевременное прогнозирование событий с целью недопущения жертв и материального ущерба. Однако сложность заключается в том, что опасные стихийные природные явления могут проходить в разных масштабах и в разное время. По сути, каждое из них по-своему уникальное, поэтому и спрогнозировать его весьма сложно. С целью контроля и прогнозирования этих событий на некоторые национальные гидрологические и метеорологические службы и особые специализированные центры возложены задачи по изучению опасных геофизических явлений. Сюда входят извержения вулканов, перенос пепла по воздуху, цунами, радиоактивные, биологические, химические загрязнения и т. д. Характер погоды над любыми районами земного шара зависит от перемещения и эволюции синоптических объектов: циклонов и антициклонов, атмосферных фронтов, воздушных масс.
Основные понятия
Воздушная масса - это количество воздуха в тропосфере, соизмеримое по площади с большими частями материков и океанов и обладающее некоторыми общими физическими свойствами.
Горизонтально воздушные массы измеряются тысячами километров, а вертикально - несколькими километрами.
Воздушные массы имеют разную классификацию:
- тёплые, холодные, нейтральные;
- устойчивые и неустойчивые.
В зависимости от района земного шара, где происходит формирование воздушной массы, они подразделяются по географической классификации:
- арктический воздух;
- воздух умеренных широт;
- тропический воздух;
- экваториальный воздух.
Каждая из перечисленных воздушных масс имеет свои характерные особенности:
Арктический воздух, который формируется над северными широтами и Северным Ледовитым океаном, самый холодный, чистый и прозрачный. Зимой он приносит сильные морозы, а осенью и весной заморозки. С ним связаны и летние прохладные дни.
Полярный воздух, который формируется над умеренными широтами, имеет более высокие температуры, повышенную влажность, менее прозрачен и чист.
Самый тёплый, а летом даже жаркий - это тропический и экваториальный воздух.
Атмосферные фронты.
Переходная зона между двумя соседними воздушными массами, которые различаются по своим свойствам, называется фронтальной зоной или атмосферным фронтом.
Пересечение этой зоны с поверхностью земли называется линией фронта. На фронтальной зоне тёплая и холодная воздушные массы перемешиваются между собой, образуя переходный слой, ширина которого может быть до 100 км.
При смещении холодного фронта, холодный воздух идёт на смену тёплому. Холодный воздух, как более тяжёлый, подтекает под отступающий тёплый воздух. При этом происходит быстрый подъём вытесняемого тёплого воздуха, образуются мощные кучевые облака с ливнями и грозами. При прохождении холодного фронта дует сильный порывистый ветер, падает температура. В случае тёплого фронта тёплый воздух идёт на смену холодному. Тёплая воздушная масса, как более лёгкая, натекает на холодную. Но тёплый воздух поднимается вверх сравнительно медленно. При смещении тёплого фронта образуются слоистые облака и выпадают обложные осадки. При смыкании тёплого и холодного фронтов формируются фронты окклюзии. При этом объединяются облачные системы тёплого и холодного фронтов.
По географическим признакам различают следующие фронты:
- арктические;
- полярные или фронты умеренных широт;
- тропические.
Каждый географический фронт в среднем проходит в весьма определенных широтах:
- арктический - по широте 60 - 80°;
- полярный - по широте 40 - 50°;
- тропический - южнее Японии.
Зимой фронты, как правило, смещаются в более южные широты, летом - в более северные.
Циклоны.
Циклон - это атмосферное возмущение с пониженным давлением воздуха, диаметр которого колеблется от тысячи до нескольких тысяч километров. В центре циклона давление воздуха минимальное по сравнению с окружающими районами.
Образующийся вихрь имеет различное направление вращения:
в циклоне северного полушария - против часовой стрелки,
в южном полушарии - по часовой стрелке.
Циклоны бывают глубокие, которые несут значительные ухудшения погоды, и неглубокие, которые лишь изменяют характер погоды, не вызывая опасных явлений погоды. По географическому району возникновения различают внетропические и тропические циклоны. Циклоны, возникающие в Атлантическом океане, носят название ураганов.
Антициклоны.
Антициклон - это атмосферный вихрь, диаметр которого может достигать нескольких тысяч километров (по своим размерам антициклон примерно в два раза больше, чем циклон). В центре антициклона давление воздуха максимальное по сравнению с окружающими районами. В антициклоне происходит отток воздуха во все стороны от центра, и это исключает возможность сближения двух воздушных масс вблизи центра.
В северном полушарии ветер в антициклоне дует по часовой стрелке, в южном - против часовой стрелки.
Местные ветры - это воздушные течения небольшого горизонтального (до 100 км) и вертикального протяжения. Они заметно влияют на погоду и климат прибрежных и горных областей. Под местными понимают ветры, характерные только для определённых географических районов.
Происхождение их различно:
Во-первых, местные ветры могут быть проявлением местных циркуляций, независимых от общей циркуляции атмосферы, налагающихся на неё. Таковы, например, бризы по берегам морей и больших озёр. Различия в нагревании берега и воды днём и ночью создают вдоль береговой линии местную циркуляцию. При этом в приземных слоях атмосферы днём ветер дует с моря на более нагретую сушу, а ночью - наоборот, с охлажденной суши на море (бризы). Характер местной циркуляции имеют также горно-долинные ветры.
Во-вторых, местные ветры могут представлять собой местные изменения (возмущения) течений общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии или топографии местности. Таков, например, фен - тёплый ветер, дующий по горным склонам в долины, когда течение общей циркуляции переваливает горный хребет. Нисходящее движение фена, связанное с повышением температуры воздуха, является следствием именно влияния хребта на общее циркуляционное течение.
Влиянием орографии объясняется и бора (местный сильный, до 40 - 60 м/с, холодный ветер) с различными его разновидностями. Рельеф местности может создавать также усиление ветров в некоторых районах до скоростей, значительно превышающих скорости в соседних районах. Такие локально усиленные ветры того или иного направления в разных районах называются по-разному. Иногда особые свойства придаёт местному ветру прохождение воздуха над сильно нагретой и сухой поверхностью (например, пустыня) или, напротив, над сильно испаряющей (водной) поверхностью.
В-третьих, местными называют и такие сильные или обладающие особыми свойствами ветры в некотором районе, которые, по существу, являются течениями общей циркуляции. Интенсивность их проявления и их характерность для данного географического района являются следствием самого механизма общей циркуляции, географического распределения синоптических процессов. В этом значении называют местным ветром, например, сирокко на Средиземном море.
Кроме сирокко, известны многочисленные местные ветры в различных районах Земли - это самум, хамсин, афганец и пр. Упоминания о таких ветрах можно найти в физико-географических или климатических характеристиках отдельных местностей.
Тромб виден как тёмный столб между облаком и землёй, расширяющийся кверху и книзу, или как хобот, свисающий из облака. Это объясняется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль или воду; кроме того, при сильном падении давления внутри вихря происходит конденсация водяного пара.
Вихрь перемещается вместе с облаком чаще всего со скоростью около 30 - 40 км/ч. Время существования смерчей измеряется минутами, тромбов - десятками минут, иногда несколькими часами. За это время вихрь может продвинуться над морем на несколько километров, а над сушей - на десятки, иногда даже на сотни километров, всё сметая на своём пути. Атмосферное давление в вихре сильно понижено - на десятки или даже на сотню миллибар. Воздух вращается вокруг оси вихря, одновременно поднимаясь вверх. Скорость ветра в тромбах может достигать 50 - 100 м/с, как это можно определить по разрушениям; очень велики и восходящие скорости. Ветер при тромбе срывает и разрушает лёгкие постройки, переносит на большие расстояния людей и животных, ломает и вырывает с корнем деревья, прокладывая в лесах просеки. Падение давления при прохождении тромба бывает настолько большим и быстрым, что наружное давление не успевает выровняться с давлением внутри здания; давление внутри остается более высоким. Поэтому дома, попавшие в сферу действия тромба, иногда взрываются изнутри: слетают крыши, вылетают оконные рамы, даже разрушаются стены.
Торнадо - это тромбы над континентальной Америкой. Скорость ветра в них от 100 - 200 м/с до 300 м/с (100 - 1000 км/ч и более). Ломаются деревья, разрушаются здания и т.д. Длительность - от нескольких минут до нескольких часов. Возникают в окраинных частях медленно перемещающихся циклонов. Скорость поступательного движения - 40 км/ч. В центре воронки давление на 100 - 200 мбар ниже, чем в окрестностях. В пустынях США они не связаны с циклонами и с облаками.
Траектория торнадо достигает несколько сотен километров. Ширина зоны разрушения соответствует ширине торнадо: 2 - 3 км. Разность давлений между центром и периферией вихря достигает 150 - 200 мбар. Высота - до 10 км. Конвективные восходящие потоки создают кучевые и кучево-дождевые облака. Восходящий поток (термик) образует вначале плоское кучевое облако, которое может перерасти в мощное кучевое с ливнями, градом и молниями.
Из многочисленных описаний торнадо А.Е. Шейдеггером (1981) выведены феноменологические особенности этого явления:
1. Торнадо опускаются сверху вниз и вызывают разрушения, когда касаются земли.
2. В горизонтальном разрезе торнадо образует ядро (глаз), окружённое вихрем. Скорость ветра около земли может достигать 90 м/с.
3. Постоянно существует значительная разность давлений между ядром и периферийной частью торнадо. В центре величина давления меньше на 20-80 мбар.
4. Имеются, по-видимому, некоторые "точки всасывания", которые движутся вокруг ядра со скоростью вращения всего вихря. В них вихрь может приподнимать с рельсов железнодорожные вагоны массой до 13 т. Это соответствует ветру, имеющему скорость 100 м/с.
5. Есть доказательство, что в пределах торнадо существуют также сильные нисходящие потоки. При прохождении торнадо отдельные доски вдавливаются в землю на глубину до 45 см.
6. Что вместе с торнадо наблюдаются молнии.
7. Средняя скорость движения центра торнадо относительно земли составляет около 27 м/с.
В таблице приведена шкала градации торнадо, используемая в мире.
| Категория интенсивности торнадо | Скорость ветра, Миль/ч (м/с) | Характеристика разрушения |
| Ф 0 | 40 - 72 (20 - 36) | Лёгкие повреждения |
| Ф 1 | 73 - 112 (37 - 56) | Средние повреждения |
| Ф 2 | 113 - 157 (57 - 78) | Значительные повреждения |
| Ф 3 | 158 - 206 (79 - 103) | Серьёзные повреждения |
| Ф 4 | 207 - 260 (104 - 130) | Опустошительные повреждения |
| Ф 5 | 261 - 318 (131 - 159) | Невероятные, катастрофические разрушения |
Самая мощная вспышка торнадо в США наблюдалась в апреле 1974 г. - 148 торнадо. В результате было убито 315 человек, ранено - 6 142, ущерб составило 600 млн. долл.
Шквал:
Скорость ветра при шквале внезапно, порывом, усиливается да 20 м/с и более. Это усиление ветра продолжается несколько минут, а иногда повторяется на протяжении короткого времени. Более или менее резко меняется и направление ветра. Несмотря на кратковременность шквалов, они могут приводить к катастрофическим последствиям.
Шквалы в большинстве случаев связаны с кучево-дождевыми (грозовыми) облаками местной конвекции, либо холодного фронта. В первом случае они называются внутримассовыми, во втором - фронтальными.
Внутримассовый шквал обусловлен тем, что в передней части кучево-дождевого облака возникает сильное восходящее движение воздуха, а в центральной и тыловой частях облака нисходящее движение, в частности, создаваемое ливневыми осадками, которое увлекает за собой воздух. Таким образом, в облаке и под ним возникает вихревое движение воздуха с направлением по горизонтальной оси, в которое вовлекается воздух из смежных районов. При приближении большого облака конвекции ощущается усиление ветра и поворот его направления к облаку, в резко выраженных случаях это явление принимает форму шквала.
Сходные условия будут и в случае фронтальных шквалов. Здесь также играют роль восходящее движение тёплого воздуха перед продвигающимся холодным фронтом и нисходящее движение в голове холодного воздуха за фронтом, принимающее форму резкого "обрушивания". Фронтальные шквалы наблюдаются вдоль фронта одновременно в ряде мест. Поэтому в XIX в., когда было установлено существование холодных фронтов, их называли линиями шквалов. Шквал обычно связан с ливневыми осадками и грозой, иногда с градом. Лишь в условиях большой сухости воздуха возможны шквалы без образования кучевых облаков.
Атмосферное давление при шквале резко повышается в связи с бурным выпадением осадков, а затем снова падает (так называемый грозовой нос).
Шквальными бурями и смерчами называют вихри, возникающие в тёплое время года на мощных атмосферных фронтах, реже - при особо интенсивной местной циркуляции.
Скорость движения воздуха в вихре суммируется со скоростью движения фронта, в результате чего образуются шквальные бури. Их ширина - несколько километров, редко до 50 км, длина пути - 20 - 200 км, длительность в каждой точке пути - от нескольких минут до получаса. Скорость ветра в шквальных бурях достигает иногда ураганных значений (до 60 - 80 м/с). Они сопровождаются мощными ливнями и грозами.
Шк ала Бофорта:
| 0 - 7 баллов, V < 19 м/с (56 км/ч) - от затишья до сильного ветра. 8 6аллов, V=19 - 23 м/с - буря. Ломаются тонкие ветки деревьев, возникает опасность для судов, буровых вышек; 9 баллов, V=23 - 26 м/с - сильная буря. Повреждение лёгких построек, кровли, труб; 10 6аллов, V=20 - 30 м/с - полная буря, вырывает с корнем деревья. Значительные повреждения лёгких построек; 11 баллов, V=30 - 35 м/с - значительный ветровал, массовые повреждения лёгких построек; 12 баллов - ураган. Он может быть разделён более детально: 12.1, V=35 - 42 м/с - сильный ветровал. Значительные разрушения лёгких деревянных посёлков, завал телеграфных столбов; 12.2, V=42 - 49 м/с - 50% деревянных построек разрушаются, а в остальных - сносит крыши, окна, двери. Штормовой нагон волны на 1,6 - 2,4 м выше нормального уровня; 12.3, V=49 - 58 м/с - полное разрушение деревянных построек, в остальных сильные повреждения. Штормовой нагон 1,5 - 3,5 м, нагонное наводнение, повреждение зданий водой; 12.4, V=58 - 70 м/с - полный ветровал деревьев. Полное разрушение лёгких построек и повреждение остальных. Штормовой нагон 3,5 - 5,5 м, сильная абразия морского берега, сильное разрушение нижних этажей зданий волнами; 12.5, V>70 м/с (250 км/ч). Разрушаются многие прочные здания. Штормовой нагон выше 5,5 м. Интенсивные разрушения наводнением. Наивысшая зарегистрированная скорость 280 км/ч. |
При скорости 20 м/с можно удержаться на ногах, а при 35м/с - почти нет.
При скорости 28 м/с давление ветра около 70 кг/м2, а при 56 м/с - 280 кг/м2.
Шкала Сэфайра-Симпсона оценки интенсивности ураганов:
| Категория урагана | Максимальная скорость ветра в урагане (м/с) | Характерная высота штормового нагона (м) | Степень ущерба | ||||
| 33 - 42 | 1,2 - 1,7 | Минимальный | |||||
| 34 - 49 | 1,7 - 2,6 | Умеренный | |||||
| 50 - 58 | 2,6 - 3,8 | Значительный | |||||
| 59 - 69 | 3,8 - 5,5 | Чрезвычайный | |||||
| >70 | >5,6 | Катастрофический |
ВИДЫОПАСНЫХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ
1. Ранние заморозки. Заморозки не беспокоят жителей города, но опасны для теплолюбивых растений, потому весна и осень - тревожное время для жителей села.
2. Гололед. Гололёд - слой плотного льда, образующийся на поверхности земли и на предметах (стволах и ветвях деревьев, телеграфных проводах, стенах домов и т.д.)
3. Гололёд. Обычно гололёд наблюдается при температурах воздуха от 0 до -3°С, но иногда и при более низких.
4. Гололёд. Корка намёрзшего льда может достичь толщины нескольких см и вызвать обламывание сучьев, обрыв проводов, погубить посевы.
5. Гололёд - очень опасное явление в городе.
6. Сильные морозы Мороз - не редкость для нашей холодной северной страны, но случается, что температура опускается намного ниже средней многолетней для данной местности.
7. Сильные морозы Если низкая температура воздуха сочетается с сильным ветром или высокой влажностью, то это опасное явление. В сильные морозы плохо работает транспорт, возрастает количество аварий на трубопроводах, увеличивается количество обморожений людей.
8. Метель. Когда снег выпадает при сильном ветре, снежинки летят с большой скоростью, закручиваясь во всех направлениях.
9. Метель. При низовой метели сильный ветер поднимат уже выпавший снег на высоту более 2 м. При метели сильно ухудшается видимость. Это очень усложняет работу транспорта. Иногда на время метелей и сильных морозов прекращают работу школы и детские сады.
10. Метель. Больше всего метели характерны для Дальнего Востока (особенно Камчатки), но случаются и в Европейской части России.
11. Обильный снегопад. Когда снега выпадает сразу много, это всегда создает трудности коммунальным службам и жителям.
12. Обильный снегопад. Норма количества осадков, выпадающих в виде снега, различна на западе и востоке нашей страны. Больше всего снега в России выпадает на Камчатке, но практически везде бывает выпадение осадков сразу месячной нормы.
13. Обильный снегопад. Обильные снегопады нарушают работу транспорта не только в городах, но и в аэропортах, на автомобильных магистралях и железных дорогах.
14. Половодье. Весной, когда бурно тает снег, в реки попадает столько воды, что они выходят из берегов.
15. Половодье. Поднятие уровня воды в реках приводит к затоплению больших равнинных участков в долинах рек, где часто строят села и деревни.
16. Туман. Скопление в приземном слое воздуха мельчайших взвешенных частиц воды или ледяных кристаллов называется туманом.
17. Туман. Густой туман - очень опасное явление. Видимость может упасть до нескольких метров.
18. Туман. Во время тумана полностью прекращается работа наземного и воздушного транспорта. Жизнь в городе замирает.
19. Смог. Иногда в крупных городах выбросы из труб промышленных предприятий не уносит ветром, а они накапливаются в приземном слое воздуха. Такая дымовая завеса, иногда в смеси с туманом, образует смог над городом.
20. Смог. Смог не всегда вызван промышленностью. В августе 2002 года из-за сильной засухи и жары в Подмосковье горели торфяники. Легкий ветерок в сторону Москвы накрыл весь город дымовой завесой с запахом гари.
21. Смог. Особенно сильно смог был заметен по утрам. Он не повлиял на работу коммунального хозяйства города, но жители чувствовали себя очень плохо - даже у здоровых людей постоянно болела голова и першило в горле.
22. Смог. По утрам и вечерам солнце красным кругом просвечивало как сквозь облака. Дышать было трудно.
23. Сильная жара. Жара в городе - явление неприятное. Каменные дома и асфальт нагреваются и уже после полудня начинают отдавать тепло. На улицах становится душно, высокие дома задерживают приток свежего воздуха. Спасение городского жителя - парки и фонтаны.
24. Засуха. Бывает, что летом в течение 1-2 месяцев стоит устойчивая антициклональная погода. В это время выпадает очень мало осадков (или не выпадает вообще). Тогда наступает засуха.
25. Засуха. В отсутствие влаги не прорастают семена растений, а выросшие - вянут. Из-за обмеления рек и понижения уровня грунтовых вод, в городах начинаются проблемы с чистой пресной водой.
26. Лесные пожары. Засуха, летняя жара и беспечность людей часто приводят к лесным пожарам, в которых гибнут гектары леса. На восстановление лесов нужны десятилетия.
27. Пыльная буря. На обширных открытых пространствах летом бывают сильные ветра. Ветер подхватывает верхний слой почвы, песок и пыль, и поднимает на несколько метров. Пыльные бури не только ломают отдельные деревья, но и приводят к запылению даже внутренних помещений.
28. Ливень. Кратковременный ливень жарким летом - подарок природы. Он освежает воздух, смывает пыль.
29. Ливень. Но если ливень длится не один час, а несколько дней, то вода не успевает впитываться в почву, поднимается уровень грунтовых вод и уровень воды в реках.
30. Ливень. Городская система отвода воды переполняется, вода начинает скапливаться на улицах и в подземных переходах. Начинается затопление территории.
31. Ливень. А дальше - последствия: затопленные подвалы, размытые газоны и дороги, перебои в подаче электричества, в работе транспорта и магазинов.
32. Град. Летние ливни часто сопровождаются грозой и градом. В городах обычно существуют громоотводы, а в селах бывают и пожары. От града больше всего страдает урожай нежных садовых и овощных культур: помидоров, персиков, винограда.
33. Ураган. Ураганы не характерны для климата нашей страны, однако иногда случаются. Это чаще всего небольшой циклон с очень низким давлением в центре.
34. Ураган. Ураган неширокой полосой проходит по местности, но разрушения может принести огромные, особенно в городе, в промышленных зонах.
35. Атмосфера и люди. Живя в городе, нам кажется, что мы защищены от капризов природы толстыми стенами домов, двойными рамами, крышей, асфальтом на дорогах. На самом деле, мы по-прежнему зависимы от климатических условий. А климат и его проявления отражают воздействие человека на атмосферу и окружающую среду в целом. В природе все взаимосвязано, и мы - часть ее.
Критерии отнесения природных явлений к опасным – опасные явления(ОЯ)
1. Сильный ветер - максимальная скорость ветра не менее 25м/с.
2. Смерч, шквал - максимальная скорость ветра не менее 25 м/с.
3. Сильная пыльная (песчаная) буря - средняя скорость ветра не менее 15 м/с, продолжительность не менее 12 часов, при видимости не более 500 м.
4. Сильная метель - средняя скорость ветра не менее 15 м/с, продолжительность не менее 12 часов, при видимости не более 500 м.
5. Сильный ливень, количество осадков 50 мм и более за период не более 12 часов.
6. Резкие изменения погоды (похолодания).
7. Заморозки в воздухе и на поверхности почвы, наблюдавшиеся раньше средних многолетних сроков весной и осенью.
8. Сильная жара, максимальная температура воздуха 40° и выше в период май-август,
9. Сильный мороз, минимальная температура воздуха 33° мороза и ниже в период ноябрь-март.