Давно допытывались ученые, какие причины вызывают грозные смерчи. Много высказывалось различных предположений о том, как они возникают. Но все это были только предположения. И вот тогда один ученый решил сделать смерч собственными руками. В небольшую стеклянную банку он налил на дно воды, плотно закрыл ее крышкой и пропустил через крышку стеклянную палочку. После этого он стал подогревать воду на спиртовой горелке. Как только внутри закрытой банки начали образовываться водяные пары, ученый с помощью маленького моторчика стал быстро вращать стеклянную палочку.
Вокруг этой палочки сразу же образовался столбик тумана — это охладившиеся частички пара, находящиеся рядом с палочкой, вращались вместе с ней. Так ученый получил первую, верхнюю, часть смерча — ведь смерчевый «хобот», опускающийся к земле или воде из грозового облака, также состоит из сгустившихся водяных паров. Оставалось получить нижнюю часть смерча. Для этого ученый, продолжая вращение стеклянной палочки, стал медленно опускать ее к воде. И вот, как только палочка приблизилась к воде, вода вскипела и поднялась маленьким столбиком навстречу туманному столбу. Искусственный смерч был получен (рис. 9).
Рис. 9. Получение искусственного смерча.
Этим опытом было доказано, что происхождение смерчей в природе объясняется чисто физическими причинами, а именно мощными завихрениями воздушных масс при прохождении грозовых туч.
Как же образуются эти завихрения?
Каждый из вас, конечно, видал водовороты в реке. Часто они образуются под мостом. Бегущая вода ударяется об опоры моста, отскакивает назад и, столкнувшись с напирающим сзади потоком, заворачивает в сторону. Вот в этом месте и образуется водоворот, — вода здесь начинает кружиться волчком.
Такое же явление происходит в воздухе — там, где температура и давление близлежащих слоев воздуха резко различны. Воздух, как вода в водовороте, получает здесь вращательное движение, и при этом образуются вихри и смерчи.
Песчаные и пыльные вихри образуются обычно в местах, где земная поверхность сильно нагревается солнечными лучами. От поверхности сильно нагревается в этом месте и воздух; наталкиваясь на менее теплый и более плотный воздух, подобно тому, как вода наталкивается на устои моста, горячий воздух образует завихрение. По спиральным кругам, вращаясь, он быстро устремляется вверх. Образуется вращающийся столб воздуха, который начинает втягивать в себя с земли все легкие предметы.
Каждый из вас может легко получить искусственный песчаный смерч. Возьмите металлический лист, посыпьте его мелким порошком кремнезема (чистого желтого песка) и нагревайте этот лист снизу паяльной лампой. Как только лист и порошок нагреются, на поверхности листа забегают красивые маленькие вихри.
Часто бывает и так, что вихри возникают при встрече воздушных потоков, остановленных какими-либо препятствиями: например, высокими холмами или горами.
Грозовые смерчи образуются в воздухе, там, где черная грозовая туча обрывается своими лохматыми краями. Именно тут получается резкая разница в температуре и давлении воздуха. Встречающиеся потоки воздуха с различной плотностью и температурой завихряются, начинают вращаться все быстрее и быстрее. Скорость этого вращения доходит подчас до семидесяти-восьмидесяти метров в секунду! Это уже не безобидный вихрь. Благодаря центробежным силам внутри бешено вращающегося столба воздуха образуется разреженное пространство, и воздух здесь сильно охлаждается. От этого водяной пар, который всегда находится в воздухе, сгущается в облако. Вот почему смерч и наблюдают в виде облачного столба, спускающегося к земле.
Как только смерчевый столб, бешено вертясь, приближается к поверхности земли или воды, навстречу ему поднимается воздушный или водяной поток, увлекаемый опускающимся смерчем.
Внутри смерчевого столба воздух течет всегда вниз, а по краям, как по штопору, несется вверх, увлекая за собой все, к чему прикасается «хобот» смерча.
Бывает и так, что смерч возникает в толще тучи и движется сперва в виде горизонтального вихря (рис. 10), доходит до края грозового облака и устремляется вниз.
Рис. 10. Американский торнадо. Ясно видна горизонтальная часть смерча.
В создании грозовых смерчей немалую роль играет атмосферное электричество.
Кругом нас в воздухе находится очень много электричества. Оно проявляется во многих, на первый взгляд загадочных, явлениях природы. Так, например, очень давно было известно явление, приводящее суеверных людей в ужас. Ночью во время грозы на крестах церквей, шпицах башен, мачтах кораблей и вообще на любых остриях вдруг загораются огни, похожие на свечу или факел. Эти огни называются огнями святого Эльма. Причина их появления — свечение воздуха под влиянием атмосферного электричества, которое особенно легко истекает с острых концов предметов.
Наиболее же частое проявление атмосферного электричества — это молния во время грозы.
Желая узнать, в какой мере участвует электричество в образовании грозовых смерчей, один ученый произвел такой опыт. Он налил в небольшую миску воды и поднес к ней палочку, заряженную электричеством. Тотчас же вода потянулась небольшим горбом к палочке. Точно так же вода в море тянется к спускающемуся «хоботу» смерча!
Значит, грозовые смерчи образуются не только от завихрений воздуха, но и от того, что в воздухе и облаках, в земле и воде всегда имеется атмосферное электричество. А особенно много его скопляется в грозовых облаках.