Oko (cyklon)

Obraz huraganu Florence widziany z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, przedstawiający dobrze zarysowane oko w centrum burzy.

Oko to region o przeważnie spokojnej pogodzie w centrum cyklonów tropikalnych . Oko burzy to mniej więcej okrągły obszar, zwykle o średnicy 30–65 kilometrów (19–40 mil). Otacza go ściana oczna , pierścień potężnych burz , w których występują najcięższe warunki pogodowe i najsilniejsze wiatry. Najniższe ciśnienie barometryczne cyklonu występuje w oku i może być nawet o 15 procent niższe niż ciśnienie poza burzą.

W silnych cyklonach tropikalnych oko charakteryzuje się lekkim wiatrem i czystym niebem, otoczonym ze wszystkich stron wysoką, symetryczną ścianą oka. W słabszych cyklonach tropikalnych oko jest mniej wyraźne i może być zakryte przez centralne, gęste zachmurzenie , obszar wysokich, gęstych chmur, które są jasno widoczne na zdjęciach satelitarnych . Słabsze lub niezorganizowane burze mogą również mieć ścianę oka, która nie otacza oka całkowicie lub mieć oko, w którym występuje ulewny deszcz. Jednak we wszystkich burzach oko jest miejscem, w którym występuje minimalne ciśnienie barometryczne burzy — tam, gdzie ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest najniższe.

Struktura

Diagram przekroju poprzecznego dojrzałego cyklonu tropikalnego ze strzałkami wskazującymi przepływ powietrza w oku i wokół niego

Typowy cyklon tropikalny będzie miał oko o średnicy około 30–65 km (20–40 mil), zwykle usytuowane w geometrycznym środku burzy. Oko może być czyste lub mieć cętkowane niskie chmury ( czyste oko ), może być wypełnione chmurami niskiego i średniego poziomu ( pełne oko ) lub może być zasłonięte centralnym gęstym zachmurzeniem. Jest jednak bardzo mało wiatru i deszczu, zwłaszcza w pobliżu centrum. Stoi to w wyraźnej sprzeczności z warunkami panującymi w ścianie oka, w której występują najsilniejsze wiatry burzy. Ze względu na mechanikę cyklonu tropikalnego oko i powietrze bezpośrednio nad nim są cieplejsze niż ich otoczenie.

Chociaż normalnie są dość symetryczne, oczy mogą być podłużne i nieregularne, zwłaszcza podczas słabnących burz. Duże, postrzępione oko to nieokrągłe oko, które wydaje się fragmentaryczne i jest wskaźnikiem słabego lub słabnącego cyklonu tropikalnego. Oko otwarte to oko, które może być okrągłe, ale ściana oka nie otacza oka całkowicie, co również wskazuje na słabnący, pozbawiony wilgoci cyklon lub słaby, ale wzmacniający się. Obie te obserwacje są wykorzystywane do oszacowania intensywności cyklonów tropikalnych za pomocą analizy Dvoraka . Ściany oczu są zazwyczaj okrągłe; jednak czasami pojawiają się wyraźnie wielokątne kształty, od trójkątów po sześciokąty.

Huragan Wilma z otworkowym okiem

Podczas gdy typowe dojrzałe burze mają oczy o średnicy kilkudziesięciu mil, szybko nasilające się burze mogą rozwinąć bardzo małe, wyraźne i okrągłe oko, czasami określane jako oko otworkowe . Burze z otworkami są podatne na duże wahania intensywności i przysparzają trudności i frustracji prognostom.

Szczegółowy widok oka huraganu Isabel, widzianego z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Małe / maleńkie oczy - te o średnicy mniejszej niż 10 nm (19 km, 12 mil) - często wyzwalają cykle wymiany ściany oka , w których nowa ściana oka zaczyna tworzyć się poza pierwotną ścianą oka. Może to mieć miejsce w odległości od piętnastu do setek kilometrów (dziesięć do kilkuset mil) poza wewnętrznym okiem. Następnie burza rozwija dwie koncentryczne ściany oczu lub „oko w oku”. W większości przypadków zewnętrzna ściana oka zaczyna się kurczyć wkrótce po jej uformowaniu, co zatyka wewnętrzne oko i pozostawia znacznie większe, ale stabilniejsze oko. Podczas gdy cykl wymiany ma tendencję do osłabiania burz w miarę ich pojawiania się, nowa ściana oka może kurczyć się dość szybko po rozproszeniu starej ściany oka, umożliwiając ponowne wzmocnienie burzy. Może to wywołać kolejny cykl wzmacniania wymiany ściany ocznej.

Oczy mogą mieć rozmiar od 370 km (230 mil) ( Tajfun Carmen ) do zaledwie 3,7 km (2,3 mil) ( Huragan Wilma ) w poprzek. Chociaż burze z dużymi oczami rzadko stają się bardzo intensywne, zdarza się to, zwłaszcza w przypadku huraganów pierścieniowych . Huragan Isabel był jedenastym najpotężniejszym huraganem na północnym Atlantyku w zapisanej historii i utrzymywał duże oko o szerokości 65–80 km (40–50 mil) przez kilka dni.

Oko huraganu Katrina widziane z samolotu łowcy huraganów

Tworzenie i wykrywanie

Cyklony tropikalne powstają, gdy energia uwolniona przez kondensację wilgoci we wznoszącym się powietrzu powoduje dodatnie sprzężenie zwrotne nad ciepłymi wodami oceanu.

Zazwyczaj oczy są łatwe do wykrycia za pomocą radaru pogodowego . Ten obraz radarowy huraganu Andrew wyraźnie pokazuje oko nad południową Florydą.

Cyklony tropikalne zwykle tworzą się z dużych, zdezorganizowanych obszarów o zaburzonej pogodzie w regionach tropikalnych. Gdy tworzy się i gromadzi więcej burz, burza rozwija pasma deszczu , które zaczynają obracać się wokół wspólnego centrum. Gdy burza nabiera siły, w pewnej odległości od środka rotacji rozwijającej się burzy tworzy się pierścień o silniejszej konwekcji . Ponieważ silniejsze burze i intensywniejsze opady wyznaczają obszary silniejszych prądów wstępujących , ciśnienie barometryczne na powierzchni zaczyna spadać, a powietrze zaczyna gromadzić się w górnych poziomach cyklonu. Powoduje to utworzenie antycyklonu górnego poziomu lub obszaru wysokiego ciśnienia atmosferycznego powyżej centralnego gęstego zachmurzenia. W konsekwencji większość tego nagromadzonego powietrza przepływa na zewnątrz antycyklonicznie nad cyklonem tropikalnym. Poza tworzącym się okiem antycyklon na wyższych poziomach atmosfery zwiększa przepływ w kierunku środka cyklonu, popychając powietrze w kierunku ściany oka i powodując dodatnie sprzężenie zwrotne .

Jednak niewielka część nagromadzonego powietrza zamiast wypływać na zewnątrz, przepływa do wewnątrz w kierunku centrum burzy. Powoduje to jeszcze większy wzrost ciśnienia powietrza, do punktu, w którym ciężar powietrza przeciwdziała sile prądów wstępujących w centrum burzy. Powietrze zaczyna opadać w centrum burzy, tworząc obszar w większości wolny od deszczu — nowo utworzone oko.

Istnieje wiele aspektów tego procesu, które pozostają tajemnicą. Naukowcy nie wiedzą, dlaczego pierścień konwekcji tworzy się wokół środka cyrkulacji, a nie na jego szczycie, ani dlaczego antycyklon na górnym poziomie wyrzuca tylko część nadmiaru powietrza nad burzą. Istnieje wiele teorii na temat dokładnego procesu, w którym powstaje oko: wszystko, co wiadomo na pewno, to to, że oko jest niezbędne, aby cyklony tropikalne osiągały wysokie prędkości wiatru.

Powstanie oka jest prawie zawsze wskaźnikiem rosnącej organizacji i siły cyklonu tropikalnego. Z tego powodu prognostycy uważnie obserwują rozwijające się burze pod kątem oznak formowania się oczu. ^{[ potrzebne źródło ]}

W przypadku burz z wyraźnym okiem wykrycie oka jest tak proste, jak oglądanie zdjęć z satelity pogodowego . Jednak w przypadku burz z wypełnionym okiem lub okiem całkowicie zasłoniętym przez centralne, gęste zachmurzenie, należy zastosować inne metody wykrywania. Obserwacje ze statków i łowców huraganów mogą wizualnie zlokalizować oko, szukając spadku prędkości wiatru lub braku opadów w centrum burzy. W Stanach Zjednoczonych, Korei Południowej i kilku innych krajach sieć radarów pogodowych NEXRAD Doppler może wykrywać oczy w pobliżu wybrzeża. Satelity pogodowe są również wyposażone w sprzęt do pomiaru pary wodnej w atmosferze i chmur, który można wykorzystać do wykrycia formującego się oka. Ponadto naukowcy niedawno odkryli, że ilość ozonu w oku jest znacznie wyższa niż ilość w ścianie oka, z powodu opadania powietrza z bogatej w ozon stratosfery. Instrumenty wrażliwe na ozon wykonują pomiary, które służą do obserwacji wznoszących się i opadających słupów powietrza i dostarczają informacji na temat formowania się oka, nawet zanim zdjęcia satelitarne będą w stanie określić jego powstawanie.

Jedno badanie satelitarne wykazało, że oczy były wykrywane średnio przez 30 godzin na burzę.

Powiązane zjawiska

Zdjęcie satelitarne Cyclone Emnati z sezonu cyklonów na południowo-zachodnim Oceanie Indyjskim 2021–2222 , przedstawiające zewnętrzną i wewnętrzną ścianę oczną podczas cyklu wymiany ściany ocznej

Cykle wymiany gałek ocznych

Cykle wymiany gałek ocznych , zwane również koncentrycznymi cyklami gałek ocznych , występują naturalnie w intensywnych cyklonach tropikalnych, zwykle z wiatrem większym niż 185 km / h (115 mil / h) lub przy dużych huraganach (kategoria 3 lub wyższa w skali huraganu Saffira-Simpsona ). Kiedy cyklony tropikalne osiągają taką intensywność, a ściana oka kurczy się lub jest już wystarczająco mała (patrz wyżej ), niektóre zewnętrzne pasma deszczu mogą się wzmocnić i zorganizować w pierścień burz - zewnętrzną ścianę oka - która powoli przesuwa się do wewnątrz i pozbawia wewnętrzną ścianę oka jego potrzebna wilgotność i moment pędu . Ponieważ najsilniejsze wiatry znajdują się w oku cyklonu, cyklon tropikalny zwykle słabnie w tej fazie, ponieważ ściana wewnętrzna jest „zapychana” przez ścianę zewnętrzną. W końcu zewnętrzna ściana oka całkowicie zastępuje wewnętrzną, a burza może się ponownie nasilić.

Odkrycie tego procesu było częściowo odpowiedzialne za zakończenie eksperymentu rządu Stanów Zjednoczonych dotyczącego modyfikacji huraganu Project Stormfury . Ten projekt miał na celu zasianie chmur poza ścianą oka, powodując utworzenie nowej ściany oka i osłabienie burzy. Kiedy odkryto, że był to naturalny proces związany z dynamiką huraganów, projekt szybko porzucono.

Badania pokazują, że 53 procent intensywnych huraganów przechodzi przynajmniej jeden z tych cykli podczas swojego istnienia. Huragan Allen w 1980 roku przeszedł przez powtarzające się cykle wymiany ścianek ocznych, kilkakrotnie zmieniając status kategorii 5 i 4 w skali Saffira-Simpsona, podczas gdy huragan Juliette (2001) jest udokumentowanym przypadkiem potrójnych ścianek ocznych.

fosy

Fosa w cyklonie tropikalnym to wyraźny pierścień poza ścianą oczną lub między koncentrycznymi ścianami ocznymi, charakteryzujący się osiadaniem — wolno opadającym powietrzem — i niewielkimi lub żadnymi opadami . Przepływ powietrza w fosie jest zdominowany przez skumulowane efekty rozciągania i ścinania . Fosa między ścianami oczu to obszar burzy, w którym prędkość obrotowa powietrza zmienia się znacznie proporcjonalnie do odległości od centrum burzy; obszary te są również znane jako strefy szybkiego włóknienia . Takie obszary można potencjalnie znaleźć w pobliżu każdego wiru o wystarczającej sile, ale są one najbardziej widoczne w silnych cyklonach tropikalnych.

Mezowortyki w oku

Mesovortices widoczne w oku huraganu Emilia w 1994 roku.

Mezowortyki w oku to rotacyjne elementy o małej skali, które można znaleźć w ścianach ocznych intensywnych cyklonów tropikalnych. Zasadniczo są one podobne do małych „wirów ssących”, często obserwowanych w tornadach z wieloma wirami . W tych wirach prędkość wiatru może być większa niż gdziekolwiek indziej w ścianie oka. Mezowortyki w oku występują najczęściej w okresach intensyfikacji w cyklonach tropikalnych.

Mezowortyki w oku często wykazują niezwykłe zachowanie w cyklonach tropikalnych. Zwykle krążą wokół centrum niskiego ciśnienia, ale czasami pozostają nieruchome. Udokumentowano nawet, że mezowiry w oku przekraczają oko burzy. Zjawiska te zostały udokumentowane obserwacyjnie, eksperymentalnie i teoretycznie.

Mezowortyki w oku są istotnym czynnikiem powstawania tornad po wyjściu na ląd cyklonu tropikalnego. Mesovortices mogą odradzać rotację w poszczególnych komórkach konwekcyjnych lub prądach wstępujących ( mezocyklon ), co prowadzi do aktywności tornad. W miejscu wyjścia na ląd powstaje tarcie między krążeniem cyklonu tropikalnego a lądem. Może to pozwolić mezowirom na zejście na powierzchnię, powodując tornada. Te tornadowe cyrkulacje w warstwie granicznej mogą być powszechne w wewnętrznych ścianach oczu intensywnych cyklonów tropikalnych, ale przy krótkim czasie trwania i niewielkich rozmiarach nie są często obserwowane.

Efekt stadionu

Widok oka Typhoon Maysak z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej 31 marca 2015 r., Pokazujący wyraźny efekt stadionu.

Efekt stadionu to zjawisko obserwowane w silnych cyklonach tropikalnych. Jest to dość powszechne zdarzenie, w którym chmury gałki ocznej zakrzywiają się na zewnątrz z powierzchni z wysokością. Daje to oku wygląd przypominający z powietrza otwartą kopułę, podobną do stadionu sportowego . Oko jest zawsze większe na szczycie burzy, a najmniejsze na dole burzy, ponieważ wznoszące się powietrze w ścianie oka podąża za izoliniami o równym momencie pędu , które również nachylają się na zewnątrz wraz z wysokością.

Cechy podobne do oczu

Strukturę przypominającą oko często można znaleźć w nasilających się cyklonach tropikalnych. Podobnie jak oko obserwowane podczas huraganów lub tajfunów, jest to okrągły obszar w centrum cyrkulacji burzy, w którym nie ma konwekcji. Te podobne do oczu cechy najczęściej występują w nasilających się burzach tropikalnych i huraganach o sile kategorii 1 w skali Saffira-Simpsona. Na przykład obiekt przypominający oko został znaleziony w Hurricane Beta , kiedy burza miała maksymalną prędkość wiatru zaledwie 80 km/h (50 mil/h), znacznie poniżej siły huraganu. Cechy te zazwyczaj nie są widoczne w zakresie widzialnym lub podczerwonym z kosmosu, chociaż można je łatwo dostrzec na mikrofalowych zdjęciach satelitarnych. Ich rozwój na środkowych poziomach atmosfery jest podobny do powstania kompletnego oka, ale cechy mogą być przesunięte poziomo z powodu pionowego uskoku wiatru.

Zagrożenia

Samolot lecący przez ścianę oczną burzy do spokojnego oka

Chociaż oko jest zdecydowanie najspokojniejszą częścią burzy, bez wiatru w środku i zazwyczaj czystym niebem, na oceanie jest to prawdopodobnie najbardziej niebezpieczny obszar. W oku wszystkie fale napędzane wiatrem poruszają się w tym samym kierunku. Jednak w centrum oka fale zbiegają się ze wszystkich kierunków, tworząc nieregularne grzbiety, które mogą nakładać się na siebie, tworząc fale zbójeckie . Maksymalna wysokość fal huraganu jest nieznana, ale pomiary podczas huraganu Ivan , kiedy był to huragan kategorii 4, oszacowały, że fale w pobliżu ściany oka przekraczały 40 m (130 stóp) od szczytu do doliny.

Częstym błędem, zwłaszcza na obszarach, gdzie huragany są rzadkie, jest to, że mieszkańcy wychodzą z domów, aby sprawdzić szkody, podczas gdy spokojne oko przechodzi, tylko po to, by zostać zaskoczonym przez gwałtowne wiatry w przeciwległej ścianie oka.

Inne cyklony

Północnoamerykańska zamieć śnieżna z 2006 roku , burza pozatropikalna, pokazała strukturę przypominającą oko w szczytowej intensywności (widoczna tutaj tuż na wschód od półwyspu Delmarva ).

Chociaż tylko cyklony tropikalne mają struktury oficjalnie nazywane „oczami”, istnieją inne systemy pogodowe, które mogą wykazywać cechy podobne do oczu.

Niziny polarne

Niziny polarne to mezoskalowe systemy pogodowe, zwykle o średnicy mniejszej niż 1000 km (600 mil), znajdujące się w pobliżu biegunów . Podobnie jak cyklony tropikalne, tworzą się nad stosunkowo ciepłą wodą i mogą charakteryzować się głęboką konwekcją i wiatrami o sile wichury lub większej. Jednak w przeciwieństwie do burz o charakterze tropikalnym rozwijają się one w znacznie niższych temperaturach i na znacznie wyższych szerokościach geograficznych. Są również mniejsze i trwają krócej, a kilka z nich trwa dłużej niż jeden dzień. Pomimo tych różnic, mogą mieć bardzo podobną budowę do cyklonów tropikalnych, z czystym okiem otoczonym ścianą oka i pasmami deszczu i śniegu.

Cyklony pozatropikalne

Cyklony pozatropikalne to obszary o niskim ciśnieniu, które występują na granicy różnych mas powietrza . Prawie wszystkie burze występujące na średnich szerokościach geograficznych mają charakter pozatropikalny, w tym klasyczne północnoamerykańskie burze północno-wschodnie i europejskie wichury . Najpoważniejsze z nich mogą mieć wyraźne „oko” w miejscu o najniższym ciśnieniu barometrycznym, chociaż zwykle jest otoczone niższymi, niekonwekcyjnymi chmurami i znajduje się w pobliżu tylnego końca burzy.

Cyklony subtropikalne

Cyklony subtropikalne to systemy niskiego ciśnienia z pewnymi cechami pozatropikalnymi i pewnymi cechami tropikalnymi. W związku z tym mogą mieć oko, ale nie mają prawdziwie tropikalnego charakteru. Cyklony subtropikalne mogą być bardzo niebezpieczne, generując silne wiatry i morza, i często ewoluują w pełni cyklony tropikalne. Z tego powodu Narodowe Centrum Huraganów zaczęło włączać burze subtropikalne do swojego schematu nazewnictwa w 2002 roku.

Tornada

Tornada to niszczycielskie burze na małą skalę, które wytwarzają najszybsze wiatry na Ziemi. Istnieją dwa główne typy - tornada z pojedynczym wirem, które składają się z pojedynczej wirującej kolumny powietrza, oraz tornada z wieloma wirami, które składają się z małych „wirów ssących”, przypominających same mini-tornada, wszystkie obracające się wokół wspólnego centrum. Teoretyzuje się, że oba te rodzaje tornad mają spokojne oczy. Teorie te są poparte obserwacjami prędkości dopplerowskiej za pomocą radaru pogodowego i relacji naocznych świadków.

Pozaziemskie wiry

Burza podobna do huraganu na południowym biegunie Saturna, której ściana oka ma wysokość kilkudziesięciu kilometrów

NASA poinformowała w listopadzie 2006 roku, że sonda Cassini zaobserwowała burzę „podobną do huraganu”, która znajdowała się na południowym biegunie Saturna z wyraźnie zaznaczoną ścianą oka. Obserwacja była szczególnie godna uwagi, ponieważ chmur oczu nie widziano wcześniej na żadnej planecie poza Ziemią (w tym brak obserwacji ściany oka w Wielkiej Czerwonej Plamie Jowisza przez statek kosmiczny Galileo ). W 2007 roku misja Venus Express Europejskiej Agencji Kosmicznej zaobserwowała bardzo duże wiry na obu biegunach Wenus , które miały dipolową strukturę oka.

Zobacz też

Linki zewnętrzne