czwartek, 7 września 2017

Mity o trąbach powietrznych: Rozsadza zamknięty dom od środka

Jednym z najczęstszych mitów o tornadach jest przekonanie, że główną przyczyną uszkodzeń budynków jest różnica ciśnień między wnętrzem domu a lejem trąby i można temu zapobiegać zostawiając otwarte okno.

Wydaje się, że pierwotnie była to hipoteza wysunięta przez samych meteorologów i jako taka upowszechniana. Potem meteorolodzy doszli do innych wniosków, ale stara wersja nadal krążyła w prasie popularnej i powszechnym przekonaniu, głównie ze względu na obrazowość.

Ciśnienie wewnątrz leja trąby spada dość mocno. Przyczyną jest równowaga między ssaniem związanym z efektem kominowym działającym na ciepły prąd wstępujący a siłą odśrodkową wirujących wokół strug powietrza. W 2003 roku Tim Saramas zmierzył dzięki czujnikom rozstawionym na trasie tornada o szerokości 400 metrów spadek ciśnienia o 100 milibarów.[1] W 2007 roku łowca burz który wjechał opancerzonym wozem do tornado w Tulia zmierzył spadek ciśnienia o 190 mlilibarów.[2] Są to na prawdę spore spadki. Jeśli w środku domu ciśnienie wynosiłoby 1000 hPa to powstały nacisk mógłby wywołać uszkodzenia konstrukcji... pod warunkiem, że dom byłby szczelny.

Możliwość rozsadzenia domu przez samą tylko różnicę ciśnień jest problematyczna, ze względu na nieszczelności. Każdy dom ma jakąś klimatyzację i wywietrzniki, w wielu wolno stojących domach są też garaże których wrota nie są specjalnie uszczelnione. Zauważmy też, że w większości przypadków najmniej odporne na działanie ciśnienia są w domach właśnie okna. Przy słabszych wybuchach w domach jeśli nie zostanie uszkodzona ściana ani dach, to na pewno zostaną wybite okna. Jeśli dom znajdzie się wewnątrz tornada o takiej sile jak te mierzone przez łowców, to okna najpewniej same pójdą w drobny mak, otworzenie jednego nie zmieni sytuacji.
Z kolei gdy trąba powietrzna jest na tyle słaba, że sama różnica ciśnień czy napór wiatru, nie wybije okien, trudno mówić o niebezpieczeństwie rozsadzenia domu. W takiej sytuacji zostawianie specjalnie otwartego okna skończy się zdemolowaniem pokoju przez wpadający wiatr i zalaniem podłogi wdmuchiwanym deszczem.

Mit z pewnością nie utrzymywałby się w świadomość tak dobrze, gdyby nie to, że w pewnym stopniu coś jest na rzeczy. Otóż w wielu przypadkach ciśnienie przyczynia się do uszkodzeń konstrukcji, ale nie jest to po prostu różnica ciśnień, tylko efekty parcia i ssania wywołane wiatrem opływającym dom. Tam gdzie strumień powietrza opływa konstrukcję, następuje pojawienie się podwyższonego ciśnienia i nacisku. Tam gdzie strumień porusza się równolegle do ściany oraz tam gdzie odrywa się i powstają zawirowania, powstaje strefa obniżonego ciśnienia.
Efekty te pojawiają się przy każdym wietrze, także podczas zwykłej wichury. W klasycznym przypadku wiatru owiewającego dom ze spadzistym dachem, parcie pojawia się na ścianie odwietrznej i na odwietrznym spadzie dachu zaś po przeciwnej stronie pojawia się ssanie (to jeszcze zależy od kształtu dachu, ten mało spadzisty lub płaski może być zasysany jako całość). Przyczynia się to do uszkodzeń konstrukcji, częstym przypadkiem jest na przykład zerwanie dachu który był budowany z myślą przenoszenia obciążeń ale nie został odpowiednio zakotwiczony w murze.

Okna i drzwi mogą wpływać na te efekty, zależnie od tego czy są otwarte i po której stronie się znajdują. Jeśli w budynku duży otwór znajduje się po stronie z której wieje wiatr, i będzie otwarty, to wtłaczanie powietrza do budynku zwiększy w nim ciśnienie. Powoduje to wtedy efekt rozpierania na zewnątrz, który powiększa wpływ ssania po zawietrznej.
Częstym obrazkiem po wichurach jest zerwanie części dachu przy ścianie szczytowej w której było okno na strych lub która częściowo wpadła do środka i przez to wiatr mógł poderwać konstrukcję.

W odwrotnym przypadku, to jest gdy okno znajduje się po przeciwnej niż wiatr stronie domu, ciśnienie wewnątrz spada. Zmniejsza to rozpieranie ścian i podrywanie dachu, zwiększa natomiast działanie wiatru na ścianę odwietrzną. Może doprowadzić na przykład do wepchnięcia do środka okien, a co jak co, ale przeciąg przez cały dom w czasie wichury to nie jest dobra sytuacja.
Jeśli mamy dobrze zbudowany dom, lepiej aby okna pozostały zamknięte.

Ostatecznie w przypadku trąb powietrznych za uszkodzenia domów oprócz lokalnych efektów związanych z opływającym wiatrem odpowiadają także uniesione przez wiatr przedmioty.

Zbliżony mit dotyczący huraganów testowali Pogromcy Mitów w programie na kanale Discovery i też nie stwierdzili, aby dawało to jakieś korzyści, zarówno przy uwzględnieniu różnicy ciśnień jak i zmniejszeniu parcia wiatru na otwartą na przestrzał konstrukcję. Bardzo silny wiatr wybijał okna gdy były zamknięte. Słabszy wywoływał szkody w środku gdy okna były otwarte.

Wniosek: Otwarcie okien nie zapobiega uszkodzeniom domu podczas tornada czy huraganu. Podczas słabszych zjawisk więcej szkód wywoła wiatr wpadający przed okno niż jakieśtam ciśnienie, a podczas mocniejszych wichura sama sobie otworzy okna i nie trzeba jej wyręczać.


--------
[1] http://news.nationalgeographic.com/news/2003/06/0627_030627_tvtornadochaser.html
[2]  http://www.ejssm.org/ojs/index.php/ejssm/article/view/39/40

poniedziałek, 4 września 2017

Mity o trąbach powietrznych: w Polsce nie ma tornad

Postanowiłem zacząć we wrześniu krótką serię omawiającą najczęstsze mity na temat trąb powietrznych.

Ten mit co jakiś czas pojawia się w dyskusjach: "W Polsce nie zdarzają się tornada, tylko trąby powietrzne, a to dwa różne zjawiska". Chodzi tutaj o rozróżnienie między dwoma różnymi mechanizmami powstawania trąb powietrznych - mezocyklonicznym i związanym z prądem wstępującym pod chmurą. I otóż rzekomo ten pierwszy mechanizm generuje "prawdziwe" tornada, które zdarzają się tylko w Ameryce, zaś u nas nie pojawiają się i dlatego nasze wiry powietrzne powstające wedle tego drugiego mechanizmu powinny być nazywane tylko trąbami powietrznymi.
  Mit jest bardzo stary, w archiwach internetu znajduję go już w dyskusjach wokół trąby powietrznej w Skrzydlowie w 2007, która była pierwszym tak medialnym przypadkiem. Potem pojawia się co jakiś czas, wspierany niestety przez "ekspertów" synoptyków. [1]

Jak już wspominałem, istnieją dwa podstawowe mechanizmy powstawania trąb powietrznych. W jednym trąba jest dolną końcówką wiru, który powstał w chmurze burzowej, w drugim jest wyciągniętym aż do rosnącej chmury zawirowaniem z warstw przyziemnych. Ten pierwszy typ to tornada superkomórkowe.

Superkomórka, to burza zawierająca szczególny typ komórki konwekcyjnej, w której centralny ciepły prąd wstępujący wiruje. Jego powstawaniu sprzyjają uskoki prędkościowe w atmosferze, powodujące powstanie w chmurach poziomych wirów. Prąd wstępujący wyciąga ten wir ku górze aż wreszcie sam zaczyna wirować nadając ruch całej chmurze. Wirowanie obniża ciśnienie wewnątrz i zwiększa szybkość prądu wstępującego, przez co burza zamienia się w samonakręcającą maszynkę, wykorzystującą maksymalnie warunki konwekcyjne.
Trąba powietrzna to w istocie dolny, silnie ścieśniony odcinek centralnego burzowego wiru, pojawiający się w tylnej części burzy.

Drugi typ trąb powietrznych, to wiry nie związane z mezocyklonem, mające związek z zawirowaniami w warstwach przyziemnych, które wyciągane w górę sięgają chmur. Najpospolitszy przykład takiego zjawiska to trąba wodna, nazywana po angielsku waterspout (czyli dosłownie wodobryzg). Gdy zdano sobie sprawę z tego, że w podobny sposób wiry mogą powstać nad lądem, nazwano je landspout czyli po naszemu trąba lądowa.
Ich mechanizm rozwoju związany jest ze strefami konwergencji, gdzie zderzają się masy powietrza płynące z różnych kierunków. Takie strefy powstają we frontach ale także przed samymi frontami gdy zaczyna zmieniać się kierunek wiatru.  Na linii zbieżności wiatrów powstają lokalne, niewidoczne zawirowania w dolnych warstwach atmosfery, nawet przy samej ziemi. Jeśli warunki sprzyjają konwekcji, to na linii zbieżności zaczynają się tworzyć chmury cumulus rosnące w pionie oparte o lokalne prądy wstępujące znad cieplejszej ziemi/wody.

No i otóż - jeśli w prądzie wstępującym pod chmurą powstanie wskutek zbieżności zawirowanie, zaś w tym momencie mająca dobre warunki chmura zacznie szybko rosnąć, to rozciąganie w górę chmury przyspiesza prąd i zacieśnia początkowy słaby wir, wyciągając go od warstw przyziemnych aż do chmury. Ze względu na inny rozkład gradientu ciśnienia (źródło wirowania nie znajduje się u góry w chmurze) takie wiry wyglądają zwykle jak równomierne tuby ze słabo zaznaczonym lub niewidocznym lejkiem u podstawy chmury i często uwidoczniane głównie przez uniesiony z ziemi pył i drobne szczątki.

Zdarzają się jeszcze rzadsze typy jak tornada QLCS czy gustnada czyli wiry szkwałowe (choć te w zasadzie nie są uznawane za trąby powietrzne, bo nie łączą się z chmurą).

Jakie typy pojawiają się w Polsce a jakie w USA? Zarówno tu jak i tu występują oba typy. Nie da się powiedzieć, że jakiś rodzaj jest charakterystyczny dla tornad amerykańskich. Trąby powietrzne związane z superkomórkami zazwyczaj są silniejsze i bardziej długotrwałe niż te związane z wirami wstępującymi, i to one odpowiadają za najgroźniejsze wydarzenia. Superkomórką była burza która w 2008 wywołała trzy tornada koło Częstochowy, tak samo było z trąbami powietrznymi na Pomorzu w 2012 roku, zeszłoroczną trąbą w Bogaczewie i tegoroczną w Landmierzu.
Jakąś różnicą może być siła maksymalna, bo w Stanach pojawiają się silniejsze tornada niż u nas, ale to tylko kwestia warunków.

Amerykańska definicja "tornado" mówi, że są to zjawiska meteorologiczne w formie wirującej kolumny powietrza łączącej chmurę kłębiastą z ziemią.[2] Definicja obejmuje więc wszystkie możliwe typy i jest całkowicie zgodna z naszą definicją Trąby Powietrznej. Oba terminy znaczą to samo, po prostu amerykanie mają swoją nazwę. Zarazem nie jest to nazwa zjawiska lokalnego jak sirocco czy bora, lecz nazwa zjawiska pogodowego niezależnie od lokalizacji. Zaczęliśmy ją przejmować na zasadzie nowego synonimu.

Wniosek: tornado i trąba powietrzna to jedno i to samo, a obu terminów można używać zamiennie.

-------
[1] http://fakty.interia.pl/nauka/news-tornado-to-nie-traba-powietrzna,nId,985307
[2]  http://www.spc.noaa.gov/faq/tornado/