Rzadkie i ciekawe zjawisko tornada ogniowego – czym jest tornado ogniowe i jak powstaje

Gwałtowne zjawiska atmosferyczne, jak huragany, tsunami czy erupcje wulkanów od lat są na piedestale wśród uczonych. Nie tylko z powodu fascynacji mechanizmem ich powstawania, ale również dlatego, że często niosą ze sobą ogromne zniszczenia. Poznanie mechanizmów tych zjawisk może w przyszłości ocalić tysiące ludzi i zminimalizować uszkodzenia. Niektórzy nawet śmią twierdzić, że będziemy w stanie je kontrolować.

Niszczycielska moc dwóch żywiołów

Niezależnie, jaką definicją będziemy się posługiwać, tornado ogniowe łączy w sobie dwa przerażające żywioły. Wiatr o dużej prędkości i niszczycielski ogień razem tworzą płonące wiry siejące zniszczenie na swojej drodze.

Posługując się bardziej restrykcyjną i naukową definicją, o tornadzie ogniowym mówimy, gdy wir połączy się z cumulus flammagenitus, chmurami znanymi również jako pyrocumulus. Te natomiast często przybierają ciemne barwy przez unoszoną sadzę i pył. Sama chmura powstaje wskutek gwałtownego ogrzania wilgotnego powietrza przy powierzchni ziemi jak np. podczas pożaru czy erupcji wulkanu. Wilgoć jest unoszona przez prąd konwekcyjny powyżej poziomu LCL (z ang. poziomu kondensacji wymuszonej).

Zgodnie z tym opisem, po raz pierwszy to zjawisko zaobserwowano w 2003 r. nieopodal Canberry w Australii. Na kolejne trzeba było czekać 15 lat aż do 2018 roku, kiedy to trąba ogniowa pojawiła się w Redding w Kalifornii. Na kolejną trąbę łowcy burz nie musieli czekać kolejnych 15 lat.

Wydarzenie z 2020 roku było o tyle niezwykłe, że naukowcy wydali trafnie pierwsze w historii ostrzeżenie o trąbie ogniowej. Dzięki temu skutki nie były tak katastrofalne, jak w przypadku dwóch poprzednich. W każdym z tych fenomenów występował wiatr poziomy przekraczający 250 km/h. Szacuje się, że w przypadku trąby z 2018 roku temperatura w centrum mogła osiągnąć nawet 1500°C.

Źródło: Pexels

Czy chmura decyduje o klasyfikacji trąby ogniowej?

Wielu badaczy, że występowanie charakterystycznych chmur nie decyduje o zaistnieniu trąby ogniowej. Uważają, że jedynym warunkiem jest wiatr o szybkości charakterystycznej dla klasycznych trąb czy tornad towarzyszący wirom ognia. Zgodnie z takim opisem pierwsze wzmianki o trąbie ogniowej pochodzą z pożaru magazynu oleju w 1926 r. w San Luis Obispo. Trąby powietrzne ze słupem ognia odnotowano także w 1871 r. w Peshtigo.

Pierwsze zdarzenie zainicjowane przez piorun pochłonęło 8 milionów baryłek ropy, a podciśnienie zasysanego tlenu z powietrza zrywało dachy i przewracało domy. Pożar był tak ogromny, że dym widziany był w oddalonym o ponad 200 km Fresno, a płonące konary miotane były na blisko 3 km.

Drugie wydarzenie strawiło prawie całe miasteczko, a według świadków trąby powietrzne porywały wagony kolejowe. Pożar w Peshtigo jest takim fenomenem, że w literaturze możemy natrafić na określenie efekt Peshtigo. To zjawisko burzy ogniowej opisane w publikacji Gess’a i Lutza, nazwane też jako naturalna eksplozja nuklearna.

Wirujące ekrany drogą do odtworzenia trąby ogniowej

W centrach nauki podejmowano już niejednokrotnie próby odtworzenia tego fenomenu. W historii kilka tych prób zakończyło się sukcesem. Wskutek badań prowadzonych na uniwersytecie w Kentucky w latach 80. i 90. XX wieku inżynierowie stworzyli model pożaru z 1923 r. z Tokio. Zrekonstruowali panujące wtedy warunki i jak się okazało, trąba ogniowa nie powstała w wyniku nałożenia się na siebie pożarów i klasycznej trąby powietrznej.

Nie było to pierwsze w historii odtworzenie trąby ogniowej. Już wcześniej badacze nauczyli się jak symulować i wywoływać trąby powietrzne w centrach nauki. Jedno z doświadczeń opracowane w Południowej Stacji Badawczej Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych w Macon polegało na otoczeniu ekranami kałuży płonącego alkoholu. Jako ekrany posłużyły ściany z pionowymi szczelinami, ich konstrukcja wprawiała wpadające do środka powietrze w ruch wirowy.

Powstała w tej konstrukcji trąba ogniowa cechowała się dużo szybszym spalaniem paliwa niż w przypadku klasycznego pożaru. Aby zbadać naturę tworzenia się ognistych tornad, łowcy burz z Harvardu zaproponowali inną konstrukcję. Ogień został otoczony drucianym ekranem w kształcie walca. Dało się nim poruszać z różnymi prędkościami, wprawiając w ten sposób powietrze w ruch wirowy. Dzięki temu modelowi badacze wyznaczyli zależność między prędkością wiatru a rozkładem temperatury w powstałym wewnątrz ekranu ognistym wirze.

Siła napędowa trąb ogniowych w naturze

Do wygenerowania się ognistych tornad poza źródłem ognia potrzebne jest źródło rotacji. W naturze są to wszelkiego rodzaju turbulencje w atmosferze. Te z kolei występują wskutek zderzania się mas powietrza o rozbieżnej gęstości, temperaturze i ciśnieniu. Innym źródłem takich zawirowań może być wędrówka wiatru między górami czy wysokimi budynkami.

Podczas pożarów występuje tzw. prąd konwekcyjny, czyli ciepłe powietrze unoszone jest do góry, a jego miejsce zastępuje chłodniejsze. Jeśli powietrze zasilające pożar cechuje się dużą wirowością, to wskutek coraz wyższej temperatury prędkość rotacji wzrasta. To z kolei prowadzi do utworzenia się ognistego tornada w wyniku przekształcenia z komina gorących gazów o pionowej osi obrotu.

Rozciągnięcie kolumny spowodowane jest unoszeniem gazów palnych od podstawy, gdzie z czasem zaczyna brakować tlenu, do wyższych partii, gdzie tlen jest nadal dostępny. Zwiększenie wysokości takiej kolumny niesie ze sobą zmniejszenie średnicy. To z kolei pociąga za sobą wzrost prędkości obrotowej, zgodnie z zasadą zachowania pędu. W ten właśnie sposób formują się ogniste tornada.

Dodatkowo, wraz ze wzrostem trąby powietrznej spada ciśnienie przy podstawie, to z kolei prowadzi do wzrostu siły zasysającej. Dzięki temu prędkości osiągają niewyobrażalnie duże wartości, co umożliwia nie tylko wyrywanie drzew nawet z korzeniami, ale również miotanie płonącymi konarami na niewyobrażalne odległości.

W związku z działaniem dwóch przeciwstawnych zjawisk, czyli niskiego ciśnienia w centrum i siły odśrodkowej taką trąbę ogniową bardzo trudno zatrzymać. Utrzymywana równowaga między tymi mechanizmami sprawia, że taka trąba powietrzna może przeżyć nawet kilkadziesiąt minut, siejąc zamęt i zniszczenie.

Źródło: Pexels

Inwestycja w naukę i edukację, aby przewidzieć najgorsze

Niezależnie czy trąba powietrzna, czy ogniowa, zjawisko nadal nie jest wystarczająco dobrze znane, aby przewidzieć jego mechanizm powstania i działania. O ile zdawać by się mogło, że tornada ogniowe częściej będą kształtowały się przy formacjach górskich, gdzie powietrze w sposób naturalny może się rozpędzić, o tyle nie jest to czynnik warunkujący powstawanie tych zjawisk.

Trąby ogniowe niosące ze sobą obłoki dymu równie ochoczo powstają na równinach. Wystarczy, że dwie masy powietrza o diametralnie różnych temperaturach zderzą się ze sobą w miejscu, gdzie szaleje pożar. Dlatego też wielu naukowców uważa, że każdy pożar lasu może prowadzić do powstania burzy ogniowej.

Czas pokaże, czy umiemy przewidywać przyszłość

Jedyne, poza dalszą inwestycją w edukację w tym zakresie, co możemy zrobić to mieć nadzieję, że umiejętność prognozowania pogody dalej będzie się rozwijać. Dzięki temu będziemy w stanie przewidzieć zbliżające się zagrożenie i unikniemy katastrofy. Pozostaje nam z cierpliwością oczekiwać dalszych sukcesów w badaniach meteorologicznych prowadzonych w centrach nauki na całym świecie.