Upphovsman:CC0 Public Domain
Orkaner är kraftfulla väderhändelser som föds i öppet hav. Drivs av fukt från det varma havet, orkaner kan intensifieras i styrka, flytta stora avstånd över vattnet, och slutligen släppa lös deras förstörelse på land. Men vad som händer med orkaner efter att de har landat är fortfarande en öppen fråga.
Nu, en färsk studie i Fysisk granskning Vätskor har använt simuleringar för att utforska ödet för landande orkaner. Forskarna fann att efter landning, den varma, det dynamiska hjärtat av en orkan ersätts av en växande kall kärna – ett oväntat fynd som kan hjälpa prognosmakare att förutsäga nivån av extremt väder som samhällen längre in i landet kan möta.
"Rent generellt, om en orkan träffar land, den försvagas och dör, " sa professor Pinaki Chakraborty, senior författare och chef för Fluid Mechanics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Men ibland, en orkan kan intensifieras igen djupt in i landet, skapar mycket förstörelse, som översvämningar, i samhällen långt borta från kusten. Så, att förutsäga kursen som en orkan kommer att ta är avgörande."
Dessa återintensiveringshändelser inträffar när orkaner, även känd som tropiska cykloner eller tyfoner i andra globala regioner, övergång till extratropiska cykloner:Stormar som inträffar utanför jordens tropiska områden. Till skillnad från tropiska cykloner som utnyttjar sin styrka från havsfuktighet, extratropiska cykloner får sin energi på grund av instabila förhållanden i den omgivande atmosfären. Denna instabilitet kommer i form av väderfronter – gränser som skiljer varmare, lättare luft från kallare, tätare luft.
"Väderfronter är alltid instabila, men frigörandet av energi är vanligtvis mycket långsamt. När en orkan kommer, det kan störa fronten och utlösa en snabbare frigöring av energi som gör att stormen intensifieras igen, "sade författaren Dr Lin Li, en före detta Ph.D. student vid Prof. Chakrabortys enhet.
Dock, att förutsäga om denna övergång kommer att inträffa är en utmaning för väderprognosmakare eftersom orkaner måste interagera med denna front på ett specifikt och komplext sätt. För närvarande, prognosmakare använder en nyckelegenskap för att objektivt identifiera denna övergång:Förekomsten av en kall kärna i en landande orkan, orsakad av en inåtgående kall luftström från väderfronten.
Dock, när Prof. Chakraborty och Dr. Li simulerade vad som händer med orkaner efter att ha träffat land, de fann att en kall kärna fanns i alla landande orkaner, växa upp från botten av orkanerna när de förföll, trots en stabil atmosfär utan väderfronter.
"Detta verkar vara en naturlig följd av när en orkan landar och börjar förfalla, " sa Dr Li.
Luft på en norra halvklotets orkan cirkulerar moturs i enorma hastigheter. När det snurrar, luften rör sig också inåt, stiger uppåt och rör sig sedan utåt. Den uppstigande fuktiga luften kondenserar, som avger värme och bildar en varm kärna inne i orkanen. Professor Pinaki Chakraborty och Dr. Lin Li studerade orkanernas termodynamik som en del av en studie i Physical Review Fluids. Kredit:OIST
Tidigare teoretiska modeller av landfallande orkaner missade den växande kalla kärnan eftersom de inte tog hänsyn till fukten som lagrats i landfallande orkaner, förklarade forskarna.
Prof. Chakraborty sa, "När orkaner rör sig över land och förlorar sin fukttillförsel, modeller betraktade dem vanligtvis som bara en snurrande, torr virvel av luft, som liknar snurrande te i en kopp, gnider över markytan och saktar ner på grund av friktion. "
Dock, fuktförrådet i landfallande orkaner gör att termodynamiken fortfarande spelar en avgörande roll för hur de förfaller.
I orkaner över varma hav, luft som kommer in i orkanen är kraftigt mättad med fukt. När denna luft stiger uppåt, det expanderar och svalnar, vilket sänker mängden vattenånga varje "skifte" luft kan rymma. Vattenångan inom varje luftpaket kondenserar därför, släpper ut värme. Detta innebär att dessa luftpaket svalnar långsammare än den omgivande luften utanför orkanen, genererar en varm kärna.
När en orkan rör sig över land, den tappar sin fukttillförsel så luften innehåller mindre fukt. Luften måste stiga ytterligare innan den når en temperatur där den inte längre kan hålla nivån av vattenånga. Ångan kondenserar därför och släpper ut värme som en högre punkt, krymper den varma kärnan till den övre halvan av orkanen, medan den stigande luften bildar en kall kärna i botten. Professor Pinaki Chakraborty och Dr. Lin Li studerade termodynamiken i landande orkaner som en del av en studie i Fysisk granskning Vätskor . Kredit:OIST
Men när en orkan väl träffar land, luften som kommer in i orkanen innehåller mindre fukt. När dessa flygpaket stiger, de måste resa högre innan de når en temperatur som är tillräckligt kall för att vattenångan ska kondensera, fördröja utsläpp av värme. Det betyder att i botten av orkanen, där alla luftpaket rör sig uppåt, det är relativt svalare än den omgivande atmosfären, där flygpaket rör sig slumpmässigt i alla riktningar, vilket resulterar i en kall kärna.
"När orkanen fortsätter att förfalla, den äter upp mer och mer av fukten som lagras i orkanen, så luftpaketen måste stiga ännu högre innan kondens uppstår, "sa Dr Li." Så med tiden, den kalla kärnan växer och den varma kärnan krymper."
Forskarna hoppas att bättre förståelse för kalla kärnor kan hjälpa prognosmakare att mer exakt skilja mellan sönderfallande orkaner och orkaner som övergår till extratropiska cykloner.
"Det är inte längre så enkelt som orkaner med en varm kärna och extratropiska cykloner med en kall kärna, " sade prof. Chakraborty. "Men i sönderfallande orkaner, den kalla kärnan vi ser är begränsad till den nedre halvan av cyklonen, i en extratropisk cyklon, den kalla kärnan spänner över hela orkanen – det är signaturen som prognosmakare behöver leta efter."
