Tropski ciklon

Vidi takođe: Oko (ciklon)

 

Tropski cikloni su oblasti relativno niskog pritiska u troposferi, sa najvećim perturbacijama pritiska na malim visinama, nedaleko od površine. Pritisci zabeleženi u centrima tropskih ciklona su među najnižima ikad izmerenim na Zemlji na nivou mora.^[7] Centralna zona tropskih ciklona je toplija nego okružujuća oblast na svim visinama, i stoga se oni nazivaju sistema „toplog jezgra“.^[8]

Polje vetra tropskog ciklona u blizini površine je okarakterisano vetrom koji brzo rotira oko centra cirkulacije, dok se itovremeno radijalno kreće na unutra i naviše. Na spoljašnjoj ivici oluje, vazduh može da bude skoro miran. Usled rotacije Zemlje, apsolutni ugaoni momenat vazduha nije jednak nuli. Sa radijalnim protokom vazduha ka unutrašnjosti, dolazi do ciklonske rotacije (suprotno smeru kazaljki na satu u Severnoj hemisferi, i u smeru kazaljki na satu u Južnoj hemisferi) da bi se očuvao ugaoni momenat. Na izvesnom unutrašnjem prečniku, vazduh počinje da se penje ka vrhu troposfere. Taj prečnik je tipično koincidentan sa unutrašnjim prečnikom zida oka, i ima najjače vetrove u blizini površine u celokupnoj oluji; konsekventno, on je poznat kao prečnik maksimalnih vetrova.^[9] Kad se ispenje, vazduh se udaljava od centra oluje, proizvodeći štit od cirusnih oblaka.^[10]

Gore opisani proces dovodi do polja vetra koje je skoro osno simetrično. Brzina vetra je niska u centru, brzo se povečava idući ka prečniku maksimalne brzine vetra, i zatim se postepeno snižava sa daljim povećanjem prečnika. Međutim, polje vetra često manifestuje dodatne prostorne i temporalne varijabilnosti usled dejstava lokalizovanih procesa, kao što je olujna aktivnost i horizontalne nestabilnosti protoka. U vertikalnom pravcu, vetrovi su najjači u blizini površine i smanjuju se sa povečanjem visine unutar troposfere.^[11]

 

U centru formiranog tropskog ciklona, vazduh potanja umesto da se podiže. Kod dovoljno jake oluje, vazduh može da potone preko dovoljno dubokog sloja da suzbije formiranje oblaka, čime se formira čisto „oko“. U oku je vreme normalno mirno i bez blaka, mada more može da bude izuzetno nemirno.^[12] Oko je normalno okruglog oblika, i tipično ima prečnik od 30 – 65 km, mada su slučajevi sa samo 3 km, kao i od 370 km takođe zabeleženi.^[13][14]

Oblačna spoljašnja ivica oka se naziva „zidom oka“. On se tipično širi ka spoljašnjoj strani sa povećanjem visine, te podseća na arenu fudbalskog stadujuma; taj fenomen se ponekad naziva stadijumskim efektom.^[15] Na zidu oka vetar dostiže najveću brzinu, vazduh se najbrže diže, oblaci dostižu njihovu najveću visinu, i precipitacija je najteža. Najteža oštećenja izazvana vetrom se javljaju u oblastima gde zid oka tropskog ciklona pređe preko kopna.^[12]

Kod slabijih oluja, oko može da bude zaklonjeno centralnim gustim naoblačenjem, koje je gorni sloj cirusnog štita koji je asociran sa koncentrisanom oblašću jake olujne aktivnosti u blizini centra tropskog ciklona.^[16]

Zid oka može da varira tokom vremena u obliku promenljivih ciklusa. To je posebno slučaj kod intenzivnih tropskih ciklona. Spoljašnji kišni opsezi mogu da budu organizovani u obliku olujnih prstenova koji se polako pomeraju ka unutrašnjosti. Smatra se da se time smanjuje sadržaj vlage i ugaoni momenat primarnog zida oka. Kad primarni zid oka oslabi, tropski ciklon privremeno utihne. Spoljašnji zid oka konačno zameni primarni na kraju ciklusa, nakon čega može da dođe do obnavljanja intenziteta oluje na njen početni nivo.^[17]

„Intenzitet“ oluje se definiše kao maksimalna brzina vetra u oluji. Ta brzina se oređuje kao prosek bilo jednog ili deset minuta na standardnoj referentnoj visini od 10 metara. Izbor vremenskog perioda proseka, kao i imenska konvencija klasifikacije oluja, se razlikuje među prognoznim centrima i okeanskim bazenima.

Postoji niz šikoko korišćenih načina izražavanje veličine oluje. Najčešće korišćeni obuhvataju prečnik i maksimalnu brzinu vetra, prečnik vetra od 34-čvorova (i.e. sile oluje), prečnik najudaljenije zatvorene izobare (ROCI), prečnik nestajanja vetra.^[19][20] Jedna dodatna mera je prečnik pri kome se relativno polje vrtloženja smanji do 1×10⁻⁵ s⁻¹.^[21]

Na Zemlji, tropski cikloni pokrivaju širok opseg veličina, od 100–2000 km mereno po prečniku nestajanja vetra. Oni su u proseku najveći u području severozapadnog Tihog okeana, a najmanji u istočnom Tihom okeanu. Ako je prečnik najudaljenije zatvorene izobare manji od dva stepena latitude (222 km), onda je ciklon „veoma mali“ ili „patuljak“. Prečnik od 3–6 latitudna stepena (333 – 670 km) se smatra „prosečnom veličinom“. „Veoma veliki“ tropski cikloni imaju prečnik veći od 8 stepeni (888 km).^[18] Promatranja pokazuju da je veličina u maloj meri povezana sa promenljivama kao što su intenzitet oluje (i.e. maksimalna brzina vetra), prečnik maksimalnog vetra, latituda, i maksimalni potencijalni intenzitet.^[20][22]

Veličina igra važnu ulogu u modulaciji štete od oluje. Ako je sve ostalo jednako, veća oluja će uticati na veće područje tokom dužeg vremenskog intervala. Osim toga, snažnije polje prizemnog vetra može da generiše veći olujni priliv usled kombinacije duže zahvaćenosti vetrom, dužeg trajanja i većih talasa.^[23] Na primer, uragan Sandi, koji je pogodio istočne SAD 2012. godine, jedva da je dostigao uraganski intenzitet pre dosezanja kopna, ali je zbog svoje ekstremno velike veličine bio jedan od kopnenih uragana koji su izazvali najveću materijalnu štetu u istoriji SAD.

Gornji cirkulacija jakih uragana proteže se u tropopauzu atmosfere, koja je pri nižim latitudama na 15.000–18.000 metara.^[24]

 

Trodimenzionalno polje vetra u tropskom ciklonu se može podeliti u dve komponente: primarnu cirkulaciju i sekundarnu cirkulaciju". Primarna cirkulacije je rotacioni deo protoka; ona je čisto cirkularna. Sekundarna cirkulacija je prevrćući deo protoka; ona deluje u radijalnom i vertikalnom pravcu. Primarna cirkulacija obuhvata najjače vetrove i odgovorna je za najveći deo štete uzrokovane olujuom, dok je sekundarna cirkulacija sporija mada vlada energetikom oluje.

Primarni izvor energije tropskog ciklona je isparavanje vode sa površine okeana, koja se ultimatno rekondenzuje u oblacima i kiši, kad se vruć vazduh podigne i ohladi do zasićenja. Energetika sistema se može idealizovati kao atmosferska Karnotova toplotna mašina.^[26] Prvo, uplivni vazduh u blizini površine stiče toplotu, prvenstveno putem isparavanja vode (i.e. latentna toplota) na temperaturi vruće okeanske površine (tokom isparavanja, okean se hladi, a vazduh se zagreva). Drugo, ugrejani vazduh se podiže i hladi unutar zida oka uz konzervaciju totalnog toplotnog sadržaja (latentna toplota se jednostavno konvertuje u osetnu toplotu tokom kondenzacije). Treće, vazduh se odliva i gubi toplotu u obliku infracrvene radijacije u otvorenom prostoru na temperaturi hladne tropopauze. Konačno, vazduh se sleže i zagreva na spoljašnjoj ivici oluje uz konzervaciju totalnog toplotnog sadržaja. Prvi i treći korak su skoro izotermski, dok su drugi i četvrti korak skoro izentropski. Ovaj naviše-naniže prevrćući protok je poznat kao sekundarna cirkulacija. Karnotova perspektiva daje gornju granicu maksimalne brzine vetra koju oluja može da dostigne.

Naučnici procenjuju da tropski ciklon oslobađa toplotnu energiju brzinom od 50 do 200 eksa džula (10¹⁸ J) na dan,^[27] što je ekvivalentno sa oko 1 PW (10¹⁵ Vata). Ta brzina oslobađanja energije je do 70 puta veća od svetske energetske potrošnje ljudi i 200 veća od svetskog električnog kapaciteta. Ona je ekvivalentna sa eksplozijom nuklearne bombe snage 10 megatona svakih 20 minuta.^[27][28]

Primarni rotirajući protok tropskog ciklona proizilazi iz konzervacije ugaonog momenta sekundarne cirkulacije. Absolutni ugaoni momenat rotirajuće planete ${\displaystyle M}$  je dat izrazom

${\displaystyle M={\frac {1}{2}}fr^{2}+vr}$ 

gde ${\displaystyle f}$  označava Koriolisov parameter, ${\displaystyle v}$  je azimutalna (i.e. rotirajuća) brzina vetra, i ${\displaystyle r}$  je poluprečnik do ose rotacije. Prvi član na desnoj strani je komponenta planetarnog ugaonog momenta koja se projektuje na lokalnu vertikalu (i.e. osu rotacije). Drugi član je relativni ugaoni momenat same cirkulacije u odnosu na osu rotacije. Pošto član planetarnog ugaonog momenta isčezava u blizini ekvatora (gde je ${\displaystyle f=0}$  ), tropski cikloni se retko formiraju unutar 5° od ekvatora.^[6][29]

Usled radijalnog protoka vazhuha ka unutrašnjosti na niskim nivoima, dolazi do kružne rotacije radi očuvanja ugaonog mementa. Slično tome, brzo rotirajući protok vazduha se kreće radijalno naviše u blizini tropopauze, te dolazi do umanjenja ciklonske rotacije i ultimatne promene smera na dovoljno velikom poluprečniku, što dovodi do anticiklona u gornjem nivou. Rezultat je vertikalna struktura koja se odlikuje jakim ciklonom na niskim nivoima i jakim anticiklonom u blizini tropopauze. Sa gledišta termalnog balansa vetra, to korespondira sistemu koji je topliji u centru nego u okruženju na svim altitudama (i.e. "toplo jezgro"). Sa perspektive hidrostatičkog balansa, toplo jezgro se translira u niži pritisak u centru na svim altitudama, sa maksimalnim padom pritiska u blizini površine.^[11]

Usled površinskog trenja, priliv samo parcijalno očuvava svoj ugaoni momenat. Stoga, površina mora kao donja granica deluje kao izvor (usled isparavanja) i potrošač (usled trenja) energije sistema. Posledica ove činjenice je postojanje teoretske gornje granice najveće jačine vetra koju tropski ciklon može da dostigne. Pošto se isparavanje linearno povećava sa brzinom vetra (kao što se izlazak iz bazena oseća hladnijim tokom vetrovitih dana), postoji pozitivna povratna sprega na unos energije u sistem, poznata kao uticaj vetrom indukovane razmene površinske toplote (engl. Wind-Induced Surface Heat Exchange - WISHE).^[26] Ova sprega se znatno umanjuje kad disipacija usled trenja, proporcionalnog sa kubom brzine vetra, postane dovoljno velika. Gornja granica se naziva „maksimalni potencijalni intenzitet“, ${\displaystyle v_{p}}$ , i data je sa

${\displaystyle v_{p}^{2}={\frac {C_{k}}{C_{d}}}{\frac {T_{s}-T_{o}}{T_{o}}}\Delta k}$ 

gde ${\displaystyle T_{s}}$  označava temperaturu površine mora, ${\displaystyle T_{o}}$  je temperatura odliva ([K]), ${\displaystyle \Delta k}$  je razlika entalije između površine i prekrivajućeg vazduha ([J/kg]), a ${\displaystyle C_{k}}$  i ${\displaystyle C_{d}}$  su koeficijenti razmene (koji su bezdimenzioni) entalpije i momenta, respektivno.^[30] Razlika entalpije površine i vazduha se uzima da je ${\displaystyle \Delta k=k_{s}^{*}-k}$ , gde je ${\displaystyle k_{s}^{*}}$  entalpija zasićenja vazduha pri temperaturi mora i pritisku na nivou mora, a ${\displaystyle k}$  je entalpija graničnog sloja vazduha koji pokriva površinu.

Maksimalni potencijalni intenzitet je predominantno funkcija same okoline (i.e. bez tropskog ciklona), i stoga ova veličina se može koristiti za određivanje regiona na Zemlji koji mogu da podrže tropske ciklone datog intenziteta, i načina na koji ti regioni mogu da evoluiraju tokom vremena.^[31][32] Specifično, maksimalni potencijalni intenzitet ima tri komponente, mada je njegova varijabilnost u prostoru i vremenu predominantno uzrokovana varijabilnošću komponente razlike entalpije između površine i vazduha, ${\displaystyle \Delta k}$ .

Na tropski ciklon se može gledati kao na toplotnu mašinu koja konvertuje ulaznu toplotnu energiju sa površine u mehaničku energiju koja se može koristiti za vršenje mehaničkog rada protiv površinskog trenja. U ravnoteži, brzina neto produkcije energije sistema mora da bude jednaka brzini gubitka energije usled disipacije trenjem na površini, i.e.

${\displaystyle W_{in}=W_{out}}$ 

Brzina gubitka energije po jedinici površine usled površinskog trenja, ${\displaystyle W_{out}}$ , je data sa

${\displaystyle W_{out}=C_{d}\rho |\mathbf {u} |^{3}}$ 

gde je ${\displaystyle \rho }$  gustina vazduha u blizini površine ([kg/m³]) i ${\displaystyle |\mathbf {u} |}$  je brzina vetra u blizini površine ([m/s]).

Brzina oslobađanja energije po jedinici površine, ${\displaystyle W_{in}}$  je data sa

${\displaystyle W_{in}=\epsilon Q_{in}}$ 

gde je ${\displaystyle \epsilon }$  efikasnost toplotne mašine i ${\displaystyle Q_{in}}$  je totalna brzina toplotnog unosa u sistem po jedinici površine. Pošto se tropski cikloni u idealnom slučaju mogu smatrati Karnotovom toplotnom mašinom, efikasnost Karnotove toplotne mašine je data sa

${\displaystyle \epsilon ={\frac {T_{s}-T_{o}}{T_{s}}}}$ 

Toplota (entalpija) po jedinici mase je data sa

${\displaystyle k=C_{p}T+L_{v}q}$ 

gde je ${\displaystyle C_{p}}$  toplotni kapacitet vazduha, ${\displaystyle T}$  je temperatura vazduha, ${\displaystyle L_{v}}$  je latentna toplota isparavanja, i ${\displaystyle q}$  je koncentracija vodene pare. Prva komponenta odgovara osetnoj toploti, a druga latentnoj toploti.

Postoje dva izvora toplote. Dominantni izvor je unos toplote sa površine, prvenstveno usled isparavanja. Aerodinamička formula za brzinu unosa toplote po jedinici površine, ${\displaystyle Q_{in:k}}$ , je data sa

${\displaystyle Q_{in:k}=C_{k}\rho |\mathbf {u} |\Delta k}$ 

gde ${\displaystyle \Delta k=k_{s}^{*}-k}$  predstavlja razliku entalpija između površine okeana i prekrivajućeg vazduha. Drugi izvor je unutrašnja osetna toplota koja se generiše disipacijom usled trenja (označena sa ${\displaystyle W_{out}}$ ), koja se javlja u blizini površine unutar tropskog ciklona i reciklira se u sistemu.

${\displaystyle Q_{in:friction}=C_{d}\rho |\mathbf {u} |^{3}}$ 

Stoga je totalna brzina neto produkcije energije po jedinici površine data sa

${\displaystyle W_{in}={\frac {T_{s}-T_{o}}{T_{s}}}\left(C_{k}\rho |\mathbf {u} |\Delta k+C_{d}\rho |\mathbf {u} |^{3}\right)}$ 

Postavljajući ${\displaystyle W_{in}=W_{out}}$  i uzimajući ${\displaystyle |\mathbf {u} |\approx v}$  (i.e. brzina rotacionog vetra je dominantna) dovodi do gore datog rešenja za ${\displaystyle v_{p}}$ . Ovaj izvod podrazumeva da se totalni unos energije i njen gubitak unutar sistema mogu aproksimirati njihovim vrednostima na poluprečniku maksimalnog vetra. Učinak uvrštavanja ${\displaystyle Q_{in:friction}}$  je da se totalni unos toplote množi faktorom ${\displaystyle {\frac {T_{s}}{T_{o}}}}$ . Matematički, to ima efekat zamenjivanja ${\displaystyle T_{s}}$  sa ${\displaystyle T_{o}}$  u imeniocu Karnotove efikasnosti.

Alternativni izvod za maksimalni potencijalni intenzitet, koji je matematički ekvivalentan sa gornjom formulacijom, je

${\displaystyle v_{p}={\sqrt {{\frac {T_{s}}{T_{o}}}{\frac {C_{k}}{C_{d}}}(CAPE_{s}^{*}-CAPE_{b})|_{m}}}}$ 

gde CAPE označava konvektivnu dostupnu potencijalnu energiju (engl. Convective Available Potential Energy), ${\displaystyle CAPE_{s}^{*}}$  je CAPE dela vazduha podignutog iz zasićenja na nivou mora u odnosu na sondiranje okoline, ${\displaystyle CAPE_{b}}$  je CAPE graničnog sloja vazduha, i obe veličine se proračunavaju na poluprečniku maksimalnog vetra.^[33]

Na Zemlji, karakteristična temperatura za ${\displaystyle T_{s}}$  je 300 K, a za ${\displaystyle T_{o}}$  je 200 K, što odgovara Karnotovoj efikasnosti od ${\displaystyle \epsilon =1/3}$ . Odnos keficijenata površinske razmene, ${\displaystyle C_{k}/C_{d}}$ , se tipično uzima da je 1. Međutim, zapažanja upućuju na to da koeficijent otpora ${\displaystyle C_{d}}$  varira sa brzinom vetra i da može da opadne pri jakom vetru unutar graničnog sloja formiranog uragana.^[34] Dodatno, ${\displaystyle C_{k}}$  može da varira sa visokim brzinama vetra usled efekta morskog spreja na isparavanje unutar graničnog sloja.^[35]

Karakteristična vrednost maksimalnog potencijalnog intenziteta, ${\displaystyle v_{p}}$ , je 80 m/s. Međutim, ova veličina znatno varira u vremenu i prostoru, posebno unutar sezonskih ciklona, pokrivajući opseg od 0–100 m/s.^[33] Ova varijabilnost je prvenstveno usled promenljivosti disekvilibrijuma površinske entalpije ( ${\displaystyle \Delta k}$  ), kao i termodinamčke strukture troposfere, koje su kontrolisane dinamikom velikih opsega tropske klime. Ove procese moduliše niz faktora uključujući temperaturu površine mora (i ishodišna dinamika okeana), pozadinu vetra u blizini površine, i vertikalnu strukturu atmosferskog radijativnog zagrevanja.^[36] Priroda ove modulacije je kompleksna, posebno na klimatskim vremenskim skalama (dekadama ili duže). Na kraćim vremenskim skalama, varijabilnost maksimalnog potencijalnog intenziteta se obično povezuje sa perturbacijama temperature površine mora u odnosu na tropiski prosek, pošto regioni sa relativno toplom vodom imaju termodinamička stanja koja su znatno sklonija pojavi tropskih ciklona nego regioni sa relativno hladnom vodom.^[37] Međutim, na ovaj odnos indirektno utiče dinamika tropika velikih opsega; u poređenju s tim je direktan uticaj apsolutne temperature morske površine na ${\displaystyle v_{p}}$  slab.

 

Prolaz tropskog ciklona preko okeana uzrokuje znatno hlađenje gornjih slojeva okeana, što može da utiče na naknadni razvoj ciklona. Ovo hlađenje je prventveno uzrokovano mešanjem hladne vode iz dubine okeana sa toplom površinskom vodom usled vetra. Taj efekat dovodi do negativnog povratnog procesa kojim se inhibira dalji razvoj, ili dolazi do slabljenja. Dodatno hlađenje može proistekne iz priliva hladne vode iz kiše (do toga dolazi zato što je atmosfera hladnija na višim altitudama). Naoblačenje takođe može da utiče na hlađenje okeana, putem zaklanjanja površine okeana od direktnog sunčevog svetla pre i neznatno nakon prolaska oluje. Svi ti efekti se mogu kombinovati da proizvedu dramatični pad temperature morske površine preko velikih oblasti za samo nekoliko dana.^[38]

• Kategorija 1 - vetar 119-153 km/h. Oštećuje: nepričvršćene kamp-prikolice, žbunje, drveće
• Kategorija 2 - vetar 153-177 km/h. Oštećuje: oštećuje strukture kuća (po neki crep), obara po neko veliko drveće, poplave u priobalju
• Kategorija 3 - vetar 178-209 km/h. Oštećuje: oštećuje strukture kuća (veća oštećenja), obara veliko drveće, veće poplave u priobalju
• Kategorija 4 - vetar 210-249 km/h. Oštećuje: ruši krovne konstrukcije, čupa drveće, žbunje, znake, poplave i masovna evakuacija 10 km uz obalu.
• Kategorija 5 - vetar snažniji od 249 km/h. Oštećuje: nosi krovove, zgrade se ruše, masovna evakuacija 15 km uz obalu

 

 

Tropski ciklon na Wikimedijinoj ostavi

• US National Hurricane Center – North Atlantic, Eastern Pacific
• Central Pacific Hurricane Center Arhivirano 2011-09-23 na Wayback Machine-u – Central Pacific
• Japan Meteorological Agency – NW Pacific
• India Meteorological Department – Bay of Bengal and the Arabian Sea
• Météo-France – La Reunion – South Indian Ocean from 30°E to 90°E
• Fiji Meteorological Service – South Pacific west of 160°E, north of 25° S
• Trends in tropical cyclone activity: Indian Ocean 1998-2014
• Indonesian Meteorological Department – South Indian Ocean from 90°E to 125°E, north of 10°S
• Australian Bureau of Meteorology (TCWC's Perth, Darwin & Brisbane) Arhivirano 2008-07-23 na Wayback Machine-u. – South Indian Ocean & South Pacific Ocean from 90°E to 160°E, south of 10°S
• Meteorological Service of New Zealand Limited – South Pacific west of 160°E, south of 25°S