Środowisko

Ogniste tornada

Numer 3/2021
Tornado ognia uformowane podczas pożaru niedaleko Grand Junction (Kolorado, USA) w sierpniu 2020 r. Tornado ognia uformowane podczas pożaru niedaleko Grand Junction (Kolorado, USA) w sierpniu 2020 r. Zuma / Forum
Wirujące wiatry czasami łączą się z ogniem, tworząc ogniste tornada – bardzo niebezpieczne zjawisko, którego jeszcze nie umiemy przewidywać, ale jego fizykę coraz lepiej rozumiemy.
Pyrocumulusy zaobserwowane podczas pożaru w Idyllwild (Kalifornia, USA) w lipcu 2018 r.Shutterstock Pyrocumulusy zaobserwowane podczas pożaru w Idyllwild (Kalifornia, USA) w lipcu 2018 r.
Kod QR: Widok z helikoptera na ogniste tornado.Wiedza i Życie Kod QR: Widok z helikoptera na ogniste tornado.
Schemat wyjaśniający kształtowanie się ognistego tornada z 2018 r. (Redding, Kalifornia, USA).Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat wyjaśniający kształtowanie się ognistego tornada z 2018 r. (Redding, Kalifornia, USA).
Ogniste tornado sfotografowane 7 sierpnia 2018 r. niedaleko Swadlincote (Anglia).Caters/Forum Ogniste tornado sfotografowane 7 sierpnia 2018 r. niedaleko Swadlincote (Anglia).
Małe tornado ognia uformowane podczas pożaru samochodu.Reuters/Forum Małe tornado ognia uformowane podczas pożaru samochodu.
Kod QR: Niebezpieczne zabawy.Wiedza i Życie Kod QR: Niebezpieczne zabawy.
Mechanizm formowania się ognistych tornad.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Mechanizm formowania się ognistych tornad.

Łączą niszczycielską siłę ognia i klasycznych tornad, obracając wszystko, co spotkają na swojej drodze, w popiół. Te wirujące z ogromną prędkością kolumny ognia mogą bowiem wyrywać drzewa z korzeniami, niszczyć budynki i spalać je jednocześnie. Nic dziwnego, że od lat fascynują badaczy. Niewiele jednak o tych tworach wiadomo. Ogniste tornada należą do najrzadziej występujących na Ziemi zjawisk meteorologicznych. Analizy tego fenomenu są zatem tak skąpe, że naukowcy do dziś się spierają, co właściwie można zakwalifikować jako ogniste tornado, a czego nie można.

Piekło na ziemi

Niektórzy uważają, że prawdziwe ogniste tornada to te wiry ognia, które łączą się z chmurami cumulus flammagenitus (zwanymi też pyrocumulus). Chmury te powstają, gdy wilgotne powietrze zostanie ogrzane przy powierzchni ziemi wskutek np. pożaru czy wybuchu wulkanu. Prąd konwekcyjny wynosi wilgoć ponad poziom kondensacji. Ze względu na zanieczyszczenie pyłem lub sadzą chmury te często przybierają ciemne barwy. Ogniste tornado, zgodne z tą definicją, udokumentowano po raz pierwszy podczas pożaru buszu w 2003 r. niedaleko Canberry w Australii. Charakteryzowała je pozioma prędkość wiatrów rzędu 250 km/h, co odpowiada 3. klasie tornad według skali Fujity (zniszczenie budynków o mocnej konstrukcji, drzewa wyrwane z korzeniami, ciężkie samochody przeniesione na znaczną odległość). Gwałtowna siła pozostawiła po sobie pas zniszczeń o długości ponad 24 km, a strażacy jeszcze przez wiele dni walczyli z pożarami rozproszonymi przez ognisty wir.

Podobne zjawisko pojawiło się po raz kolejny dopiero w 2018 r. w Redding w Kalifornii (USA). Oszacowano, że powstałe wówczas ogniste tornado miało u podstawy ponad 300 m średnicy, a temperatura w jego centrum mogła sięgać nawet 1500°C. Towarzyszyły mu poziome wiatry wiejące z szybkością do 265 km/h. Piekło na ziemi trwało przez trzy kwadranse, podczas których rozpalony olbrzym siał zgrozę na odcinku liczącym ponad 1,5 km, pozbawiając życia cztery osoby. Widok na tornado z helikoptera można obejrzeć tutaj www.youtube.com/watch? v=IlfJGSKmEcg. Na kolejną taką trąbę ogniową nie musieliśmy czekać znowu 15 lat. W sierpniu ub.r. ogniste wiry ponownie nawiedziły Kalifornię, choć nie spowodowały tak katastrofalnych skutków. Co ważne, meteorolodzy przewidzieli, że może do tego dojść, i wydali stosowny komunikat na kilka godzin wcześniej. Było to pierwsze w historii ostrzeżenie tego typu.

Czy niezwykłemu zjawisku muszą koniecznie towarzyszyć wspomniane wyżej chmury? Wielu badaczy uważa, że nie, i za ogniste tornado uznają wszelkie wiry ognia, przy których pojawia się wiatr o prędkości charakterystycznej dla klasycznych tornad. Wobec tego ogniste tornada siały zgrozę już dużo wcześniej. Trąby ogniowe pojawiły się w Stanach Zjednoczonych m.in. podczas pożaru magazynu oleju w San Luis Obispo w 1926 r. oraz pożaru Peshtigo w 1971 r., który pochłonął 1,2–2,5 tys. ofiar.

Ogniste tornada często towarzyszyły pożarom wywołanym przez bombardowanie miast w czasie II wojny światowej. Jedno z najbardziej przerażających uformowało się podczas nalotu na Hamburg w 1943 r. Powstała wówczas burza ogniowa wygenerowała wir, który według niektórych źródeł mógł mieć do 3 km szerokości. W pożarze zginęło ponad 40 tys. cywilów. Równie tragiczne w skutkach było wydarzenie z 1923 r. w Tokio. Miasto nawiedziło trzęsienie ziemi, które zainicjowało falę pożarów. Uciekający przed zawalającymi się budynkami i pożarami ludzie szukali schronienia na otwartej przestrzeni, gdzie wkrótce nadciągnęła trąba ogniowa, która pochłonęła 38 tys. ofiar w ciągu zaledwie 15 min!

Ogniste tornado na zawołanie

Przez dekady naukowcy zastanawiali się, jak doszło do tego strasznego wydarzenia. Sądzili nawet, że klasyczne tornado nałożyło się na pożary zainicjowane przez trzęsienie ziemi. Dopiero kilka dekad później okazało się, jak bardzo się mylili. W latach 80. i 90. ub.w. inżynierowie z University of Kentucky stworzyli mały model pożaru z Tokio z 1923 r., starannie odtwarzając jego przebieg i wiejące wtedy wiatry. W laboratorium uformował się ognisty wir, co sugerowało, że oryginalne zjawisko nie powstało za sprawą jednoczesnego pojawienia się pożarów i klasycznego tornada.

Nie było to pierwsze tornado ogniowe stworzone przez człowieka. W latach 60. XX w. intensywnie badano fizykę tego niezwykłego fenomenu. W tym celu nauczono się wywoływać małe trąby ogniowe w laboratorium. Bardzo ciekawe doświadczenie zaproponowali eksperci z Południowej Stacji Badawczej Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych w Macon. Otoczyli kałużę płonącego alkoholu cylindrycznymi ścianami z pionowymi szczelinami, które wprawiały wpadające do ognia powietrze w ruch wirowy. Powstała mała trąba ogniowa, w której – jak ustalili eksperci – występowało kilkukrotnie szybsze spalanie paliwa niż w przypadku nieobrotowego ognia.

Inny układ zaproponowali naukowcy z Harvard University. Otoczyli ogień cylindrycznym drucianym ekranem, którym można było poruszać z różnymi prędkościami, wymuszając tym samym ruch wirowy powietrza wpadającego do płomieni. Badacze wyznaczyli zależność między prędkością wiatru a rozkładem temperatury w generowanym w ten sposób wirze ognia, uzyskując wgląd w jego wewnętrzne działanie. Ustalono, że poza samym ogniem powstanie takiego wiru wymaga źródła rotacji i mechanizmu jej intensyfikacji.

Fizyka ognistych wirów

W naturze źródłem tych rotacji są wszelkiego rodzaju zawirowania w atmosferze, które powstają w wyniku zderzania się mas powietrza o różnej gęstości i ciśnieniu lub podczas wędrówki wiatru między górami czy wysokimi budynkami. W czasie pożaru ciepłe powietrze się unosi, a w jego miejsce wchodzi chłodniejsze. Jest to tzw. prąd konwekcyjny. Jeżeli zasysane powietrze charakteryzuje duża wirowość, to w miarę jego ogrzewania prędkość rotacji i wznoszenia rośnie, tworząc tubę gorących gazów o pionowej osi obrotu. Wraz ze świeżym powietrzem do wirującego olbrzyma pompowane są także gazy palne, uwalniane z ogrzanej roślinności. Ponieważ wewnątrz ognistego tornada tlen szybko zużywa się u jego podstawy, to substancje te unoszą się coraz wyżej i wyżej, aż natrafią na strefy w niego bogate i ulegną spalaniu. W ten sposób kolumna ognia rozciąga się, redukując jednocześnie swoją średnicę. Zmniejszona średnica z kolei sprawia, że trąba ogniowa – zgodnie z zasadą zachowania pędu – wiruje coraz szybciej.

Im wyższe tornado, tym niższe ciśnienie u jego podstawy i – co za tym idzie – silniejsza jego siła zasysająca. Dlatego duże trąby ogniowe mogą unosić i rozpędzać do niewyobrażalnych prędkości nie tylko masy powietrza, ale też płonące odłamki, a następnie rozrzucać je po okolicy, inicjując nowe pożary. Co więcej, takiego rozpędzonego i rozgrzanego olbrzyma jest bardzo ciężko zatrzymać. Dzieje się tak za sprawą dwóch przeciwstawnych oddziaływań: siły odśrodkowej, która wypycha powietrze na zewnątrz, oraz niskiego ciśnienia w centrum tornada, które zasysa powietrze do środka. Równowaga pomiędzy tymi siłami zapobiega utracie energii wiru i sprawia, że czas życia tornada może sięgać kilkudziesięciu minut!

Przewidzieć najgorsze

Chociaż wiemy już sporo o kształtowaniu się ognistych tornad, to nadal nie jesteśmy w stanie przewidzieć, kiedy i gdzie się jedno z nich pojawi. Wydawać by się mogło, że trąby ogniowe powinny częściej powstawać po zawietrznej stronie gór. Po ominięciu bowiem tak dużej przeszkody wiatr wykazuje tam zwiększoną wirowość. Wiry mogą też działać na płaskich terenach i przy spokojnych wiatrach, np. w wyniku zderzenia zimnych i ciepłych mas powietrza. Tak właśnie uformowało się ogniste tornado z lipca 2018 r. W kotlinie Sacramento (USA) zalegały wtedy gorące i lekkie masy powietrza. Termometry wskazywały powyżej 40oC. Tymczasem wzdłuż gór znad Oceanu Spokojnego nadciągał zimny front, który niebezpiecznie się rozpędzał, spływając w stronę kotliny. Te dwie masy powietrza zderzyły się ze sobą niedaleko miejsca, gdzie palił się las, kreując silne zawirowania w atmosferze, w których wyniku wyłoniło się zabójcze tornado.

Gdzie pojawi się następne ogniste tornado? Czy zjawisko to zawsze można przewidzieć? I czy wystarczy do tego jedynie obserwacja kierunku i prędkości wiatrów w czasie dużych pożarów? Okazuje się, że sprawa jest o wiele bardziej skomplikowana. W 2007 r. naukowcy z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie wykazali, że sam pożar – a właściwie kilka pożarów w odpowiedniej konfiguracji – może wykreować ogniste tornado. Płonące obszary wytwarzają strumienie powietrza, które poruszają się pomiędzy pożarami, zderzają ze sobą i tym samym generują zawirowania. Niektórzy naukowcy uważają wręcz, że każdy pożar lasu może prowadzić do powstania większych lub mniejszych wirów ognia w sprzyjających warunkach. Pozostaje mieć nadzieję, że dalsze badania nad powstawaniem i zachowaniem ognistych tornad, a także postęp w prognozowaniu pogody pozwolą nam w przyszłości trafniej przewidywać zbliżającą się katastrofę i ostrzec zagrożoną ludność na czas.

***

Niewidzialne tornado

Podczas bombardowania Hamburga w 1943 r. wyłoniło się tornado mające u podstawy aż 3 km szerokości. Jak to możliwe? Udowodniono, że jeśli tornado przemieszcza się nad płonącymi obszarami, to wtedy rozciąga się, zmniejszając swoją średnicę i zwiększając prędkość wirowania. Jeżeli jednak trąba ogniowa dociera do miejsca strawionego już przez ogień, to wtedy zwalnia i rozszerza się do tego stopnia, że możemy początkowo jej nie zauważyć. Prawdopodobnie takie zjawisko właśnie powstało w niemieckim mieście w czasie II wojny światowej.

***

Niebezpieczne zabawy

Nie brakuje śmiałków, którzy próbują wywołać miniaturowe ogniste tornada w domowych warunkach. Tym bardziej że do ich stworzenia wystarczy obrotowa taca, żaroodporne naczynie i paliwo, np. etanol: www.youtube.com/watch? v=3tZF6-i8aDc. Odważniejsi eksperymentatorzy potrafią stworzyć większe wiry za pomocą wiatraków elektrycznych: www.youtube.com/watch?v=QwoghxwETng. Jakkolwiek efektowne, tego typu zabawy muszą być wykonywane z należytą ostrożnością pod nadzorem dorosłych.

01.03.2021 Numer 3/2021
Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną