Mezociklonális tornádók I.

Kategória:

ismerettejesztő anyagok

1. A tornádó definíciója, általános jellemzése

A Charles A. Doswell III által felállított definíció szerint a tornádó egy olyan intenzíven örvénylő légoszlop, amely egy – többnyire mélykonvekcióhoz kapcsolódó – felhőből (1. kép) alányúlva éri a felszínt, és ott károkat képes okozni. Így az olyan örvény, ami a felhőalapból ered, de a felszínnel nem kerül kapcsolatba, nem tekinthető tornádónak, ezt tubának vagy felhőtölcsérnek hívjuk. Ugyanakkor az alulról építkező, az erőteljes napsugárzás hatására kialakuló és időnként akár károkat is okozni képes örvényeket, az ún. porördögöket sem tekintjük tornádónak, mivel ezek nem kapcsolódnak mélykonvekcióhoz. Ugyanígy a markáns gust front mentén kialakuló, szintén alulról felfelé fejlődő örvények, az ún. gustnadók sem tartoznak a tornádókhoz a fenti definíció szerint, mert ezek sincsenek kapcsolatban a konvektív felhőzettel.


1. kép: Tipikus tornádó struktúrák

A tornádók illetve felhőtölcsérek vizuális megjelenésüket általában annak köszönhetik, hogy belsejükben a drasztikusan lecsökkenő légnyomás hatására a vízgőz kicsapódik, ami létrehozza a jellegzetes formájú - távolról gyakran ék vagy keskeny kötél alakú, a felhő felé kiszélesedő – felhőképződményt (2. kép). Amennyiben a levegő túl száraz vagy a nyomás nem elég alacsony ahhoz, hogy a tölcsérforma kialakuljon vagy a talajig fejlődjön, a tornádót forgó por vagy törmelék tömegként figyelhetjük meg (3. kép). A tornádó definíciójával kapcsolatban hangsúlyozni kell, hogy a tornádó a levegő forgása, nem pedig a felhőzet forgása. Így ha nem is látjuk a felhőtölcsért földet érni vagy egyáltalán semmi sincs, ami megfesse a forgást a felszínen, ám az örvény mégis pusztít, akkor is tornádóról beszélünk. Néhány esetben pedig a csapadék miatt nehézkes a vizuális érzékelésük (csapadékba burkoltak, angolul „rain-wrapped”), ebből kifolyólag szabad szemmel nem is követhetőek nyomon, illetve megfigyelésük csak egy bizonyos, korlátozott szögből lehetséges (3. kép).

2. kép: Tornádók változó karakterisztikával rendelkező kondenzációs tölcsérrel, 2004. május 12. Attica közelében fent bal oldal, fent jobb oldalon egy 2004. június 10-i DNY nebraskai tornádó, középen balra és jobbra Binger közeli 1981. május 22-i tornádó melynél az örvényt por/homok takarja, 1989. május 13. (Hodges) disszipálódó stádium, amikor a tölcsér egy keskeny, kötélszerű formát ölt (alsó két kép). Fotó: Howard B. Bluestein

A tornádók élettartama változó, fennmaradhatnak néhány percig vagy akár egy óránál tovább is, ám a legtöbb esetben csak 10 percig vannak jelen. Átmérőjük általában néhány száz méter, de alapvetően 10 m-től 1,5-2 km-ig terjedhet, rendkívüli esetben pedig akár a 3-4 km-t is elérheti. De a legtöbb tornádó határozottan kisebb átmérőjű, mint a mezociklon (ezek általában 2-5 km átmérőjűek), amelyből legtöbbször kifejlődnek. Általában egy tornádó erősödésével nő annak átmérője és élettartama, azonban ez a megállapítás a megfigyelések alapján nem mindig érvényes. A veszélyes időjárási események, azon belül is a mezociklonnal rendelkező izolált szupercellák kísérőjelenségei közül a tornádók a legpusztítóbbak és legveszélyesebbek. Jellemzően a szignifikáns tornádók (>= EF3 - a tornádók erejét mérő EF-skáláról lásd később!) mind szupercellákhoz köthetőek, azonban a jelenség kialakulásához nem szükséges e zivatartípus létrejötte.

A szél sebessége a tornádókban 20 m/s-tól 140 m/s-ig terjedhet, bár általában azzal kapcsolatban nincs egyetértés, hogy mi a sebességkritérium alsó határa. A tornádó haladási sebessége fontos, mert ennek segítségével meghatározható az alsó sebességhatár: egy gyorsan mozgó (pl. 20 m/s) igen gyenge örvény (pl. az érintő irányú szélsebesség az örvényben csak 20 m/s) is okozhat szignifikáns kárt azon az oldalon, ahol a földfelszínhez viszonyított szél a legnagyobb.

a) Fotó: Howard B. Bluestein	b) Fotó: Howard B. Bluestein
c) Fotó: Howard B. Bluestein	d)
3. kép: a) és b) - példák olyan tornádókra, ahol vizuálisan nincs kapcsolat a felhővel; c) és d) - példák csapadékba burkolt tornádókra

A tornádók többségénél a legerősebb széllökések nem érik el az 50 m/s-ot, azonban egy kis hányaduknál (legerősebb 1 %) ez az érték akár a 75 m/s-ot is meghaladhatja (3 másodperces szélsebesség átlag). Ezek, jellemzően EF4-EF5-ös besorolást kapó tornádókhoz köthető az áldozatok nagy része (mintegy 70 %-a) az USA-ban. Egy átlagosan 100 m átmérőjű tornádó középpontja közelében a vertikális tengelyű örvénylés nagysága 1 s^-1-ot is elérheti (az másodpercenként egy fordulat tesz meg). A tengelyirányú (radiális) beáramlás sebesség átlagosan 20-60 m/s között változik.

Az északi féltekén a legtöbb tornádó ciklonálisan (azaz az óramutató járásával ellentétesen) örvénylik az őket létrehozó szupercellához hasonlóan, azonban néhány esetben anticiklonálisan (azaz az óramutató járásával megegyezően) örvénylő tornádós szupercellák is előfordulnak. Néha előfordul az az eset is, hogy egy ciklonálisan örvénylő tornádós szupercellában ciklonális és anticiklonális tornádó egyaránt létrejön. Ezek jellemzően a ciklonálisan örvénylő tornádó (vagy ahol korábban tornádó volt) párjaként (nem mezociklonális jelleggel) jelennek meg a hátoldali leáramlás átellenes végében (lásd 4. kép).


4. kép: Példa ugyanazon szupercellán belül létrejövő ciklonálisan (fent jobbra) és anticiklonálisan (fent balra) örvénylő tornádóra 2006. április 24-én El Reno (Oklahoma) közelében. A szaggatott fehér vonal jelöli az RFD gust frontjának hozzávetőleges helyzetét a felhőalapnál. Fotó: Howard B. Bluestein

Egyes tornádók további kisebb skálájú (szubtornádó-skála) örvényeket tartalmazhatnak, melyek a tornádó tengelye körül mozognak (5.kép). Ezeket a híres tornádó-kutató, Ted Fujita szívótölcséreknek, szatelit vagy másodlagos örvényeknek nevezte el. Az ilyennel rendelkező tornádókat ún. többörvényes tornádóknak (multiple-vortex) hívjuk. Úgy tűnik, hogy ezen másodlagos örvények a felelősek a lokálisan jelentkező rendkívüli pusztításért és a károk térbeli változékonyságáért. T. Fujita elsőként mutatott rá, hogy nyílt terepen (építményektől, erdőktől mentes) ezek az örvények egy ciklonálisan elrendeződő kárnyomot hagynak maguk után, miközben a tornádó fő tengelye körül mozognak (6. kép), részben körbetáncolják azt, majd disszipálódnak. További jellemzőjük a szívótölcséreknek, hogy az örvénycső tengelye kifelé hajlik a magassággal, a tornádó tengelyéhez képest.

5. kép: Példa többörvényes tornádóra

6. kép: Közeli felvételek szívótölcsérekről (1999. május 3. Verden Oklahoma, fotó: Howard B. Bluestein). Jobb oldalt - többörvényes tornádó jellegzetes felszíni kárnyoma a levegőből (1960. Ted Fujita)

Amikor egy örvénylő légoszlop egy kondenzációs tölcsérfelhőként láthatóvá válik és nincs kapcsolatban a felszínnel, akkor azt mezociklonális tubának nevezzük. Sokszor azonban nehéz eldönteni, hogy mezociklonális tubáról vagy tornádóról beszélünk, ha a talaj menti örvénylés nem elég erős ahhoz és/vagy a felszíni viszonyok korlátozzák, hogy látható törmelék kerüljön a magasba.

Tornádókat már számos eltérő orográfiai tulajdonsággal rendelkező terület felett megfigyeltek. A más és más térszíneken fellépő súrlódási viszonyokból adódó légköri inhomogenitás eltérő módon befolyásolhatja egy tornádó tulajdonságait. Ilyen lehet például a tornádó mozgásában esetlegesen fellépő imbolygás, illetve egyéb a helyi szélnyírási viszonyokban bekövetkező változások (hol erősebb, hol gyengébb) melyek egyaránt csökkenthetik vagy növelhetik egy tornádó kialakulását, intenzitását.

2. Tornádóklimatológia

Tornádók a Föld bármely kontinensén létrejöhetnek, kivéve az Antarktiszon. A jelenség kialakulásához a legkedvezőbb körülményeket az USA középnyugati területein találhatjuk meg (Tornádó-folyosó - lásd 1. ábra), melyekhez a térség földrajzi adottságai nagyban hozzájárulnak. Az ország nyugati harmadát (nagyjából 2000 km szélesen elterülő) hegyvidék uralja, ahol a legmagasabb csúcsok (a Sziklás-hegységben) 4000 m fölé nyúlnak. A domborzat kelet felé nem hirtelen, hanem fokozatosan megy át alföldi síkságba, a közbenső, nyugati részén hozzávetőlegesen 1000 m magas, kelet felé fokozatosan lejtő „fennsíkot” nevezzük Prérinek (angolul „Great Plains”), ezen terül el a Tornádó-folyosó.

1. ábra: Az USA-beli Tornádó-folyosó elhelyezkedése

Mivel az USA is az északi félteke mérsékelt övében található, természetes, hogy itt is a nyugatias áramlás az uralkodó, ami általában a tavasz közepétől a nyár elejéig a legintenzívebb főként a kontinens és a tengervíz közötti hőmérsékletkülönbség miatt. Ugyanakkor ebben az időszakban még a magassági teknők is markánsak és kellően hidegek a tél utóhatásaként (lásd 2. ábra). Az óceán felől nyugatról érkező ciklonok és magassági teknők ugyanakkor nedvességük nagy hányadát csapadék formájában a Sziklás-hegység nyugati részén hagyják. Ennek következtében, miután átkeltek a hegyvidéken, és fokozatos süllyedésbe kezdenek egészen az alföldi területekig, a süllyedésük során úgy melegszenek, hogy külön energiát már nem kell vízcseppek párologtatására fordítania. Mindez azt eredményezi, hogy az átkelő légtömegek magasabb hőmérsékletűek lesznek ugyanazon a magassági szinten a hegyvidék keleti felén, mint a nyugatin. Továbbá ez a főn hatás a hegység keleti felén, a légtömegen belül olyan vertikális hőmérsékleti profilt eredményez, ami a talaj felé közeledve erőteljes melegedéssel, és ami még fontosabb, megfordítva, felfelé haladva erőteljes hűléssel jellemezhető. Mindez a légrétegződés igen erős labilizálódásához vezet, amelyet a kimélyülő ciklonok keleti oldalán a Mexikói-öböl felőli markáns alacsony szintű nedvesség és hő transzport tovább fokoz (lásd ismét 2. ábra) a középnyugati területek felett. Ezek a folyamatok pedig igen heves zivatarok kialakulásához teremtik meg a feltételeket.

2. ábra: Tipikus szinoptikus helyzet a Tornádó-folyosó felett (1 - hideg levegő áramlása a magasban nyugat felől, 2 - markáns jet stream a magassági teknő peremén, 3 - száraz meleg levegő délnyugatias irányból, 4 - alacsonyszintű nedvesség- és hőtranszport a Mexikói-öböl térségéből)

Az így kialakult légrétegződés azonban kétélű fegyver: egyrészt a levegőt a magasban kiszárítja, így hiába labilis a légkör, a feláramlásokat és a felhőket a száraz levegő bekeveredése elemészti; másrészt ez a fajta süllyedő melegedés erőteljes inverziót idéz elő az alacsonyabb rétegekben, ami konvektív tiltásként jelentkezik: a talaj alapú konvekciónak át kell törnie a tiltást ahhoz, hogy a labilis rétegeket elérje. Ezt a szituációt az amerikaiak „loaded gun”-nak (magyarul csőre töltött fegyver) nevezik, mivel ha megfelelő emelés átsegíti a légelemet a konvektív tiltás szakaszán, a feláramlás extrém labilitású környezetbe kerül, ami hatalmas légköri energiákat szabadít fel, a feltöltött fegyver hirtelen elsül.

Ha megfelelő labilitási és nedvességi viszonyokhoz kellően nagy vertikális szélnyírás társul például a teknő peremén kialakuló erőteljes futóáramlás, a jet stream következtében (lásd 2. ábra), akkor adottak a feltételek igen intenzív szupercellák létrejöttéhez. A szélnyírást tovább növelheti a délies, intenzív felszínközeli advekció a ciklonok meleg szektorában, amit az ottani terminológia gyakran „low-level jet”-nek nevez (többé-kevésbé a nálunk használatos meleg-nedves szállítószalag megfelelője). Ez az áramlás általában markánsan jobbra forduló hodográfot eredményez, ez pedig együtt jár a helikalitás megnövekedésével. Mindezek a tényezők pedig igen erős tornádók kialakulását teszik lehetővé. (További részletekért lásd az alábbi írást!)

Tornádókban aktív térségeket (3. ábra) - bár az USA-hoz képest szerényebb előfordulási gyakoriságokkal - a Föld más részein is találhatunk. Ezek jellemzően a magasabb hegységek leáramlás felöli oldalán és a jelentős hőkapacitással rendelkező vízfelületektől északra, illetve délre (Föld féltekeitől függően) helyezkednek el. Ilyen helyek többek között: Délkelet-Kína (Dél-Kínai tengertől északra és a Tibeti-platótól keletre); Banglades (Bengáli-öböltől északra és a Himalájától dékeletre); Brazilia déli része (Andoktól keletre és a Dél-Atlanti-óceántól északnyugatra); Észak-Olaszország egy része, Szlovénia, Horvátország (Adriától északra és az Alpoktól délkeletre). Azonban a Föld más részin is találhatunk tornádó járta vidékeket, ahol jellemzően nem túl gyakoriak a szupercellák. Ilyen például Florida Keys és számos Mediterrán sziget térsége, ahol a nem mezociklonális tornádók a gyakoriak. Ezekről a tornádótípusokról részletesen egy későbbi írásunkban olvashattok. Magyarországon minden évben kialakulnak tornádók, éves számuk tizes nagyságrendű, és idehaza tekintélyes hányaduk szintén nem-szupercellás eredetű (a tubák ennél jóval gyakoribbak).

3. ábra: A tornádók előfordulásának kedvező napok éves gyakorisága (Brooks et al. 2003.)

Tornádók a nap bármely szakaszában előfordulhatnak, azonban a Tornádó-folyosóban jellemzően a késő délutáni, kora esti órákban jelennek meg, ami azt jelzi, hogy kapcsolat van a tornádók kialakulása és a besugárzás napi ciklusa között. A zivatarképződés általában a napi maximum hőmérséklet elérését követően vagy nem sokkal azután következik be, mely során a szupercellák akár az esti órákig is kitarthatnak. Azonban más környezeti faktorokkal is számolni kell a tornádók kialakulása szempontjából: amikor a késő délutáni (kora esti) óráktól a felszíni besugárzás csökkenni kezd illetve a naplementéhez közeledve megszűnik, a légkör vertikális átkeveredése is mérséklődik, az átkeverő örvények által létrehozott planetáris határréteg magassága pedig lecsökken, teteje elválik a szabad légkörtől (amelyett a felszín napi hőmérsékletváltozásai már nem befolyásolnak). Ennek eredményeképpen a felszíni szél balra fordul a magassággal, ez pedig az alacsonyszintű vertikális szélnyírás megnövekedéséhez vezet. Ha ilyen feltételek mellett szupercellás zivatarok alakulnak ki, akkor növekszik annak esélye, hogy bennük tornádó is kialakuljon. A jelenség a megfigyelések alapján késő délután 18:00 magasságában kezd kicsúcsosodni, ezért az ottani viharvadász körökben elterjedt a „mágikus 18:00 óra” elnevezés. Ezzel szemben az mezoléptékű konvektív zivatarrrendszerekben (MKR), amelyek csírái gyakran délután jelennek meg, és éjszakára érik el érett fázisukat, nem ritka, hogy éjjel jelennek meg tornádók (USA-beli megfigyelések). Továbbá éjszakai szupercellákban is figyeltek már meg tornádót, amikor is a zivatarképződés - nappali besugárzás híján - valamilyen egyéb markáns emelőhatás következtében valósul meg (pl. front).

3. Tornádók életciklusa és külső megjelenésük

A következőkben tekintsük át a tornádók kifejlődésének vizuális jegyeit, a kezdeti fejlődő stádiumtól az örvény leépüléséig.

Fejlődő stádium

eleinte a szupercella fő feláramlásánál egy kerekded csapadékmentes felhőalapot figyelhetünk meg, mely a mezociklon jelenlétére utal (lásd 7b kép).
a kifejlődő falfelhő ill. a körülötte magasabb szinten elhelyezkedő felhőalap erősödő rotációja, ami az alacsonyszintű örvénylés fokozódását jelenti (lásd 7c kép).
az RFD területén kialakul egy világosabb csapadékmentes terület, az úgynevezett tiszta rés (lásd 7c és 7d kép).
a folyamat innentől kétféle képpen alakulhat: vagy folytatódik a fokozódó örvénylés vagy az RFD túl korán alávágja a feláramlást.
az örvénylés további erősödésével a falfelhő alapjánál megjelenik a kondenzációs tölcsérfelhő (lásd 7d kép).
a folyamat a felszíni rotáció megjelenésével, majd fokozatos erősödésével folytatódik, miközben a tölcsérfelhő keresztmetszete növekszik.

a) A szupercella felülnézeti sematikus képe a tornádó fejlődő stádiumában, a kék vonalak a leáramlásokhoz tartozó frontvonalakat jelölik, a nyilak a jellemző áramlási képet festik meg, a zöld terület a csapadék területét mutatja, a kék folt a hátoldali leáramlás régióját	b) A mezociklonhoz tartozó jellegzetes lencseformájú felhőalakzat
c) A falfelhő megjelenése és erősödő rotációja, a tiszta rés (nyíllal jelölt terület) megjelenése. Fotó: Alan Moller	d) A tölcsérfelhő és tiszta rés (nyíllal jelölt terület) megjelenése. Fotó: Mike Umscheid
7. kép: A fejlődő stádiumú tornádó jellegzetességei és kísérőjelenségei

Érett stádium

a tornádó teljes életciklusa alatt ez a legveszélyesebb szakasz, mely során az örvény a legerősebb intenzitását mutatja.
a tölcsérfelhő tengelye gyakran vertikális pozíciót vesz fel (lásd 8b és 8c kép) és nem feltétlenül éri el a felszínt (lásd 8c kép).
az RFD/clear slot (tiszta rés) először a déli, majd a keleti irányból fokozatosan körbetekeredik a falfelhő körül, mely során a tornádót tápláló meleg, nedves levegő beáramlást gyengítheti, alávághatja.
a hátoldali kifutó front egyre inkább kidudorodik (patkó alakot ölt - lásd 8a kép), miközben a falfelhő és tornádó ennek a végén foglal helyet, az okklúziós régióban.
amennyiben az RFD kellő képpen meleg és nedves, azaz "meleg RFD-ről" beszélünk (a csapadék párolgása következtében kialakuló hőveszteség ellenére is csak mérsékelt a hőmérsékleti deficit), akkor ez a tornádó élettartama szempontjából kedvezően hathat (kevésbé vághatja alá a feláramlást).

a) A szupercella felülnézeti sematikus képe a tornádó érett stádiumában, a kék vonalak a leáramlásokhoz tartozó frontvonalakat jelölik, a nyilak a jellemző áramlási képet festik meg, a piros háromszög a tornádó helyét mutatja, a zöld terület a csapadék területét mutatja.	b) Tornádó a kifejlett stádiumban
c) Kifejlett stádiumú tornádó	d) Kifejlett ék alakú tornádó
8. kép: Az érett stádiumú tornádó jellegzetességei

Leépülő stádium

az RFD teljesen körbeöleli a tornádót és a hűvös levegő alávágja a feláramlást (lásd 9a kép).
a tölcsérfelhő összeroskad, kibillen a tengelyéből és egy torzult kígyózó formát vesz fel. Ekkor a tornádó az úgynevezett "kötél stádiumba" kerül (lásd 9b, 9c és 9d kép).
az örvény még ekkor is veszélyes marad, bár ereje és kiterjedése már közel sem olyan, mint az érett stádiumban.
azonban a nagyobb tornádóknál előfordulhat, hogy a "kötél stádiumon" nem esnek át.
a disszipálódó tornádótól néhány km-re keletre a falfelhő ismét regenerálódhat és a folyamat újra indulhat.

a) A szupercella felülnézeti sematikus képe a tornádó leépülő stádiumában, a kék vonalak a leáramlásokhoz tartozó frontvonalakat jelölik, a zöld terület a csapadék területét mutatja, a nyilak a jellemző áramlási képet festik meg, a piros, vékony háromszög a kötél fázisú tornádó helyét mutatja, a szürke pötty az okklúziós pontot	b) Kötél fázisú tornádó a leépülő stádiumban
c) Kötél fázisú tornádó a tiszta résben. d) Különösen csavarodó kötél fázisú tornádó Fotó: Mike Umscheid, KCBD-TV
9. kép: A leépülő stádiumú tornádó jellegzetességei

a)	b)
10. kép: További példák érdekesen megcsavarodott tornádókra a leépülő stádiumban, miközben a kondenzációs tölcsér felső szakasza fokozatosan elhal. Fotó: Howard B. Bluestein

Tornádó vagy valami más?

Számos légköri, természeti jelenséget, ember alkotta építményt vagy mesterséges képződményt észlelhetünk tévesen tornádónak. Ilyenek lehetnek például:

fractus felhőformációk: ezek általában az intenzív csapadékhullás következtében létrejött, tépett struktúrájú felhőfoszlányok, melyek megvastagodva tornádószerű alakot vehetnek fel. (11a kép)
csapadéksáv: zivatarok intenzív, határozott kontúrú csapadéksávja is emlékeztethet tornádóra. (12a kép)
farokfelhő: általában szupercellás zivataroknál fordul elő, és a feláramlás által történő erőteljes szívást jelzi. Ilyen esetekben a csapadékos terület felől is megindul a levegő áramlása a feláramlás és a mezociklon területe felé, aminek hatására a vízgőz kicsapódása azonnal végbemegy, ez pedig létrehozza a jellegzetes farok formájú lhőalakot. (11c kép)
gustnadó: ez a fajta forgószél a zivatarok kifutószélfrontja mentén jelenik meg, annak a perdületét hasznosítja. Bár gustnadók vizuálisan nagyon hasonlítanak a tornádóhoz, világos megkülönböztető jegyük lehet, hogy nem a felhőből nyúlnak alá, hanem a talajról építkeznek felfelé egy szélrohamvonal mentén.
füst: a zivatar beszívása esetenként nem csak a csapadékos területre, hanem a felszíni törmelékre vagy gyárkéményre is kiterjed. A függőlegesen felszívódó anyagot pedig tévesen tornádónak ítélhetjük. (12b és 12d kép)
adótorony
gabonasiló

Annak eldöntéséhez, hogy az általad megfigyelt jelenség tornádó-e (tuba) vagy sem érdemes azt néhány percen keresztül (> 3 )megvizsgálni és a következő kérdéseket feltenni:

Tisztán látom?
A megfigyelt jelenség egy vertikális tengely körül örvénylik?
A jelenség a zivatar felhőalapjához kapcsolódik?
A jelenség a zivatarcella azon részén helyezkedik el, ahol a tornádók jellemzően megjelennek? (pl. a cella hátsó oldalán a fő feláramlás régiójában, azaz a mezociklon legintenzívebben örvénylő részében)
Ha úgy tűnik, hogy egy tornádóról van szó, akkor képződik törmelék a felszínen?

Amennyiben ezen kérdések bármelyikére is nemleges választ kapsz, akkor jó eséllyel nem tornádót (tubát) látsz. Ha ezután is kétségeid merülnek fel, folytasd a megfigyelést!

a) Alacsonyszintű fractusok	b) Falfelhő szívása a csapadék felől
c) Farokfelhő	d) Falfelhő szívása a csapadék felől (agweatherwatcher.com)
11. kép: Példák tornádóra emlékeztető felhőformákra, amelyek valójában nem tornádók

a) Csapadéksáv	b) Felszíni törmelék, füst felszívása (accuweather.com)
c) Erőműből kiáramló gőzfelhő Fotó: Jeffrey Towers	d) Füst beszívása
12. kép: Példák tornádóra emlékeztető felhőformákra, amelyek valójában nem tornádók

4. Tornádók felépítése és dinamikája:

A tornádók morfológiájáról és dinamikájáról már számos fotogrametrikus tanulmány, laboratóriumi kísérlet és numerikus szimuláció készült, melyeknek köszönhetően részletes áramlási képet kaptunk a jelenségről. Ez alapján a tornádó és annak környezete öt régióra osztható (13 kép):

Külső régió (I.): A külső régiót egy spirálisan befelé örvénylő, súrlódásmentes légáramlás jellemzi, melynek sebessége a tornádó tengelyéhez közeledve egyre gyorsul (a befelé gyorsuló légáramlásért az impulzusmomentum-megmaradása a felelős).

Mag (központi régió II.): A központi (mag) régió a tornádó tengelyétől a maximum szélsebesség sugaráig terjed ki. Ez tulajdonképpen a tölcsérfelhő területe. Az intenzív forgásnak köszönhetően a légrészek jó közelítéssel ciklosztrófikus egyensúlyban vannak, ami azt jelenti, hogy a tornádó tengelye felé mutató horizontális nyomási gradiens erő és a nagy kerületi sebességgel rendelkező légáramlás következtében létrejövő centrifugális erő egyensúlyt tart fenn egymással. Emiatt ez a régió egy centrifugálisan erőteljesen stabil terület, hiszen a radiális/sugár irányú elmozdulások tekintetében igencsak ellenálló. Ez azt eredményezi, hogy egy csaknem beszívás mentes magot (központi régiót) kapunk.

Sarkok (perem régió III.): A perem régió az a terület, ahol az eredetileg horizontális beáramlás vertikális tengelyűvé válik.

Sekély talaj menti (be)áramlás régiója (IV.): A tornádóba talajon beáramló levegő rétegvastagsága valahol 10 és 100 m között változik, amit a felszíni súrlódásnak köszönhetően erőteljes turbulencia jellemez. E súrlódás megakadályozza a ciklosztrófikus egyensúly kialakulását, ami radiális komponensű, spirális beáramlást eredményez a tornádó tengelyének irányába. Ez a spirális beáramlás az impulzusmomentum megmaradás értelmében egyre nagyobb szélsebességeket jelent az örvény tengelyéhez közeledve. Így paradox módon a súrlódás ebben az esetben az örvény erősödéséhez vezet.

Örvénylő feláramlás régiója (V.): Ez nem más, mint a tornádó felett elhelyezkedő nagyobb skálájú örvénylő feláramlás.

13. kép: Tornádó öt régiója Fotó: Paul Markowski

5. Az EF-skála

Dr. Ted Fujita 1971-ben alkotta meg a tornádók erősségének becslését szolgáló Fujita skálát (F-skálát), ez a megfigyelt károk alapján sorolta a tornádókat 6 fokozatba (F0-tól F5-ig, mely növekvő erősséget jelent). A skálát hosszú évtizedeken keresztül használták, de hiányosságai egyre inkább előtérbe kerültek. Ezeket a következőkben foglalhatjuk össze:

- A kárjelzők (KJ) hiánya. Ezek olyan építmények, tárgyak, melyek sérülési fokából egyértelműen következtetni lehet a szélerősségre.
- Nincsenek megfelelő feljegyzések a különféle épületszerkezetek minőségéről és változatairól. Nem mindegy ugyanis, hogy a tornádó egy nagy teherbírású épületet vagy egy gyengébb szerkezetű házat rombolt le, ebből téves következtetéseket vonhatunk le a szélsebességre vonatkozóan.
- Nincs definiálva a kár és a szélsebesség közötti kapcsolat. Ennek hiányában csak durva közelítéssel adható meg a kialakult szélerősség.

E hibák kiküszöbölése valamint a skála tökéletesítése szükségessé vált, mivel a tornádók erejének meghatározásánál gyakran ellentmondások keletkeztek, ami sok esetben a szélsebességek túlbecsüléséhez vezetett. Az új osztályzás, amelyet 2007-ben vezettek be, a Módosított Fujita skála (Enhanced Fujita Scale; EF-Scale) nevet kapta, amely az F-skálához hasonlóan hasonlóan szintén 6 fokozattal rendelkezik (lásd 1. táblázat).

1. táblázatban azt a folyamatot követhetjük nyomon, amikor különböző számítási és átalakítási lépéseket követően eljutunk a „javasolt” EF-skála osztályokhoz.

A korábban említett túlbecsült értékeket lassú mozgású viharok valamint az épületszerkezetek gyenge pontjai is okozhatják. Példaként elmondható, hogy egy nagyon jól megépített ház esetében egy 418km/h-s szél nem feltétlenül okoz tökéletes pusztítást. Ezt számos tudományos cikk is alátámasztja (Minor et al., 1977.; Phan és Simiu, 2003.). A Fujita skálából hiányoznak a könnyen azonosítható kárjelzők, melyek létfontosságúak ahhoz, hogy minél pontosabban becsülhessük meg a szélsebességet. Ezt a hiányosságot felismerve a Texasi Műszaki Egyetem Széltudományi és Műszaki Kutató Központja (TTU-WISE) egy projekt kivitelezését indítványozta, melynek keretében ezeket a hibákat kijavították és módosították a Fujita skálát.

Kárjelzők és kárfokozatok

A TTU kutatócsoportja 28 kárjelzőt (épületek, egyéb struktúrák, fák) vezetett be. Minden egyes kárjelzőhöz különböző számú kárfokozatot rendeltek. Az egymást követő kárfokozatokhoz (KF) egyre magasabb várható szélsebesség-értékek kapcsolódnak. Ezeket a kárfokozatokat a kezdeti, már érzékelhető károktól a kárjelzők teljes pusztulásáig követhetjük nyomon. E megközelítés haszna az, hogy a jövőben további kárjelzőket lehet hozzáadni a jelenlegi listához - amint a megfelelő információk rendelkezésre állnak.

Az egyes kárfokozatokhoz tartozó várható szélsebesség-értékeknek van egy felső és egy alsó határa. Ez annak köszönhető, hogy bizonyos körülmények eltéréseket okozhatnak. Ilyen lehet például, ha egy épület tetőszerkezetét nem megfelelően rögzítik, és a tehereloszlásban egyenetlenségek keletkeznek, illetve hasonló bizonytalanságot jelentenek az egyéb karbantartási hiányosságok is. Tehát a várható szélsebesség érték, mely meghatároz egy adott kárfokozatot, bizonyos normál tényezők együttállásán alapul (pl. gyenge pontok hiánya, megfelelő épületanyagok, építési követelmények betartása, folyamatos karbantartás, stb.). Ezek alapján beláthatjuk, hogy egy adott kárfokozathoz tartozó szélsebesség meghatározása igen nagy kihívás. Ez a fajta megközelítés magában foglalja a szerkezeti analízist, mely nem más, mint a komponensek és struktúrák ellenálló képességének vizsgálata. Ebben az esetben tehát azt számítják ki az egyes kárfokozatoknál, hogy mekkora az a szélsebesség, mely egy adott szerkezet stabilitását megbontja.

Kárjelzők és kárfokozatok leírása

Minden egyes kárjelzőhöz a következő információk állnak rendelkezésre:

A kárjelző neve
A jellemző szerkezet leírása
A kárfokozatokhoz tartozó várható szélsebességek, valamint ezek alsó és felső határai (lásd 1. táblázat)
A kárfokozatokhoz tartozó szélsebességekről készült, ezeket reprezentáló grafikonok (lásd 15f kép)
Fénykép egy tipikus kárjelzőről (kivéve a legnyilvánvalóbbakat)
A jellemző kárfokozatot illusztráló fénykép

Minden egyes kárjelzőhöz tartoznak kárfokozatok, melyek segítségével végigkövethetjük a pusztítást a kezdeti károktól a teljes megsemmisülésig. Ahhoz, hogy megértsük ezt a folyamatot, egy tipikus kétszintes családi házon (könnyűszerkezetes!) mutatjuk be, hogy az egyes kárfokozatok hogyan követik egymást. Az első fázisban érzékelhetővé válik maga a kártétel. A következő lépésben az épület a héjazatának (pl. bitumen zsindely) egy részét (<20%) elveszíti (lásd 14a kép), majd ezt követően, a harmadik fázisban a repülő törmelékek hatására az ablakok és ajtók üvegei kezdenek betöredezni. Ezután további tetőborító anyagok válnak le, valamint a tetőszerkezet egy része vagy egésze felemelkedik. Ezt követően a szél irányától függően a garázsajtó ki- vagy beszakad (lásd 14b kép). A belső nyomás eredményeként betörnek az ablakok vagy az ajtók károsodnak. A tetőszerkezet egy része vagy egésze elszáll, ezáltal a falak felülről elveszítik stabilitásukat (lásd 14c kép). A felső szint külső falai összeomlanak, amit a belső falak követnek. A folyamat a födém felválásával, majd levegőbe emelkedésével folytatódik. Ezt követően az alsó szint falai veszítik el felülről a stabilitásukat, így először a külső, majd a belső falak is összedőlnek – kivéve a kisebb szobákét, kamrákét vagy folyosókét (lásd 14d kép). Az utolsó kárfokozat a kétszintes családi ház teljes pusztulása (14e kép). Egy erős tornádóban ezek az események igen gyorsan lejátszódnak. A tornádó pusztításához nagyban hozzájáruló repülő törmelékek miatt berobban a tető és a falak. Az 5-ös kárfokozat nem szerepelt a fenti leírásban, hiszen a nem megfelelő rögzítés hatására alkalmanként az egész ház leemelkedhet az alapjáról.

Itt kell eloszlatnunk azt az általánosan rögzült mítoszt, hogy a tornádó képes a benne létrejövő nyomásesés hatására felrobbantani házakat, épületeket. Nos, elméleti számítások és mérések alapján is a nyomásesés a tornádóban mindössze 100 hPa (ez is szélsőséges esetben), ami a légköri nyomás mindössze 10 százaléka, ráadásul a házak nem tökéletesen zárnak, tehát pillanatok alatt kiegyenlítik ezt a nyomáskülönbséget, még egy ilyen légköri jelenség esetében is. A károk minden esetben a hatalmas szélsebesség következtében keletkeznek, nem a nyomáskülönbség hatására.

a) 2. Kárfokozat	b) 4. Kárfokozat
c) 6. Kárfokozat	d) 7. Kárfokozat
e) 10. Kárfokozat	f)
14. kép: Egy családi ház elpusztulásának egyes kárfokozatai képekben a) b) c) d) e) és az ehhez tartozó szélsebesség értékek f)

A fentiekből láthattuk, hogy a kárfokozatok egymást követték, így ha csak a kétszintes ház teljes tetőszerkezete semmisül meg, de a külső falak állva maradnak, akkor elmondhatjuk, hogy ez a 6-os kárfokozatnak felel meg (2. táblázat), melynél a várható szélsebesség 196km/h. Ez az érték 167-228km/h között változhat a körülményektől függően.


2. táblázat: Egy kétszintes, könnyűszerkezetes családi házhoz, mint kárjelzőhöz tartozó kárfokozatok

Azonban érdemes megjegyezni, hogy kárfelmérés során egyetlen épület vagy egyéb kárjelző nem elegendő egy tornádó osztályzásához. A legjobb eljárás az, feltéve, ha lehetséges, hogy minél több kárjelzőt vizsgálunk meg és használunk fel a tornádó EF-skálájának meghatározásához.

Normál körülmények között a várható szélsebesség az az érték, mely a legnagyobb valószínűséggel idézi elő az adott kárt. Vannak azonban olyan körülmények, melyek eltérést okozhatnak (felfelé és lefelé egyaránt) a várható szélsebességhez képest, az adott kárfokozaton belül. A kárbecslő feladata eldönteni, hogy a tényleges érték magasabb-e, vagy alacsonyabb a várható szélsebességhez képest. Az EF-skála osztályzata kizárólag az adott kárjelzőre nézve érvényes.

A tornádó osztályozásának menete

Az osztályzás bemutatja egy tornádó életciklusa alatt becsült legnagyobb szélsebességet. Közismert, hogy a szél erőssége a pusztítás sávjában igen változó. Ha az aktuális szélerősség nagyobb, mint az adott kárjelző teljes pusztításához szükséges szélsebesség felső határa, akkor ennek meghatározása nem lehetséges. Például egy családi ház esetében a teljes pusztításhoz szükséges szélsebesség felső határa 354km/h, így ha a tornádó ereje ennél nagyobb, akkor már nincs további kárfokozat, ami jelezhetné ezt a szélerősséget.

15. kép: Részletes kárfelmérést követő EF-skála besorolás (számozott kárjelzők). Kék szaggatott nyíl a tornádó mozgásának iránya és fő csapásvonala, ahol a károk alapján egy EF 4-es tornádó söpört végig; narancs színű nyilak jelzik a konvergens szélkárokat, melyek a fő tengely irányába mutatnak; rózsaszín nyilakkal a ciklonális beáramlásra utaló kárnyomokat jelölik

16. kép: A tornádó által okozott kár nyomvonala (NY-K tengelyű barna sáv, melyet a vegetáció zöldes részei vesznek körül) Massachusetts fölött, amit egy 2011. június 1-i tornádó okozott. A felvételt a Landsat 5 műhold készítette

Ezért ahhoz, hogy meghatározhassuk egy tornádó EF-skála besorolását, a következő lépésekre van szükség:

A levegőből történő vizsgálat során azonosítjuk a lehetséges kárjelzőket valamint a pusztítás kiterjedését.
Kiválasztunk néhány kárjelzőt, melyek a pusztítás sávjában a legnagyobb szélsebességet reprezentálják.
Lokalizáljuk ezen kárjelzők helyét a pusztítás sávjában.
A földről történő megfigyelés során körültekintően megvizsgáljuk a kárjelzők jellegzetességeit.
A következőkben meghatározzuk az EF-skála osztályozást az egyes kárjelzők esetében és az eredményeket dokumentáljuk.
A kárjelzőkre meghatározott szélsebességeket mérlegeljük, s így végül megkapjuk az EF-skála osztályzást.
A tornádó erősségének meghatározásához a legmagasabb osztályzattal rendelkező kárjelzőt alkalmazzuk, feltéve hogy a kárjelző közvetlen környezetében nagyon hasonló kárintenzitás figyelhető meg.

Az alapadatokon kívül feljegyzünk más, az eseményhez szorosan kapcsolódó információt is.

A soron következő anyagunkban (Tornádók II.) részletesen megismerhetitek a mezociklonális tornádók keletkezését, az örvény dinamikáját, előrejelzésüket és további érdekes részleteket a jelenség hátteréről.

Forrás:

- Severe Convective Storms and Tornadoes Observations and Dynamics (Howard B. Bluestein)
- Mesoscale Meteorology in Midlatitudes (Paul M. Markowski, Yvette P. Richardson)
- What is a tornado? (Charles A. Doswell III)
- A Recommendation for an ENHANCED FUJITA SCALE (EF-Scale) (WIND SCIENCE AND ENGINERING CENTERTexas Tech University)
- Tornado Life Cycle (crh.noaa.gov)

Írta / készítette:

Kun Sándor, Csirmaz Kálmán és Buglyó Anett

Fordította:

Kun Sándor, Csirmaz Kálmán és Buglyó Anett

A hozzászóláshoz belépés szükséges

Mezociklonális tornádók I.

Élő viharvadászat

Konvektív előrejelzés

Convective forecast

Köszönjük!

MET-ÉSZ

Zivatar valószínűség a következő órákban

Navigáció

Belépés

Jelenlévő felhasználók

Copyright