Tropski ciklon

Tropski ciklon je meteorološka pojava na Zemlji koja se sastoji od brzih vetrova te mnogo kiše. Uragani mogu trajati nekoliko dana ili nedelja i česta su pojava na istoku SAD, Jugoistočnoj Aziji i na severu Australije. Suprotno medijskim napisima o snažnim vjetrovima koji sve uništavaju na svom putu, uragani su na kopnu mnogo slabiji vjetar od naše bure, iako u obalnom području imaju veću razornu moć zbog dizanja nivoa mora.

Tropski ciklon je brzo rotirajući olujni sistem koji se odlikuje centrom niskog pritiska, jakom vetrovima, i spiralnim aranžmanom grmljavinskih oluja koje proizvode jaku kišu. U zavisnosti od njegovog položaja i jačine, tropski ciklon se naziva imenima kao što su urgan (,  ili ), tajfun (, ), tropska oluja, ciklonska oluja, tropska depresija, i jednostavno ciklon.

Tropski cikloni se tipično formiraju nad velikim prostranstvima relativno vruće vode. Oni izvode svoju energiju iz isparavanja vode sa površine okeana, od koje se zatim kondenzacijom formiraju oblaci i kiša, kad se vlažni vazduh podigne i ohladi do zasićenja. Ovaj izvor energije se razlikuje od ciklonskih oluja srednje geografske širine, kao što su severoistočnjaci i evropske oluje, koje su prvenstveno podstaknute horizontalnim temperaturnim kontrastima. Jaki rotirajući vetrovi tropskih ciklona su rezultat konzervacije ugaonog momenta uzrokovanog rotacijom Zemlje, pri protoku vazduha prema osi rotacije. Konsekventno, oni se retko formiraju u pojasu od 5° oko ekvatora. Tropski cikloni tipično imaju prečnik u opsegu od 100 i 4.000 kilometara.

Termin tropski se odnosi na geografsko poreklo ovih sistema. Oni se skoro ekskluzivno formiraju iznad tropskih mora. Reč ciklon proizilazi iz njihove kružne prirode, pri čemu vetar duva nasuprot smera kazaljki na sadu u Severnoj hemisferi i u smeru kazaljki na satu u Južnoj hemisferi. Suprotni smerovi cirkulacije su posledica Koriolisovog efekta.

Pored jakog vetra i kiše, tropski cikloni mogu do proizvedu visoke talase, pogubne olujne poplave, i tornada. Oni tipično brzo slabe nad kopnom, gde su odsečeni od svog primarnog izvora energije. Iz tog razloga su priobalni regioni posebno osjetljivi na oštećenja uzrokovana tropskim ciklonima u odnosu na unutrašnjost. Jake kiša, međutim, mogu da dovedu do znatnih poplava u unutrašnjosti, i olujni udari mogu da proizvedu ekstenzivne priobalne poplave i do 40 km od obale. Mada je njihov uticaj na ljudske populacije obično poražavajući, tropski cikloni mogu da ublaže suše. Oni takođe mogu da odnose toplotnu energiju sa tropika i da je prenose na predele sa umerenijom klimom, što može da ima važnu ulogu u regionalnoj i globalnoj modulaciji klime.

Fizička struktura 

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. Centralna zona tropskih ciklona je toplija nego okružujuća oblast na svim visinama, i stoga se oni nazivaju sistema „toplog jezgra“.

Polje vetra 
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. Kad se ispenje, vazduh se udaljava od centra oluje, proizvodeći štit od cirusnih oblaka.

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.

Oko i centar 

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. 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.

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. 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.

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.

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.

Intenzitet 
„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.

Razmere 

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. Jedna dodatna mera je prečnik pri kome se relativno polje vrtloženja smanji do 1×10−5 s−1.

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). 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.

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. 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.

Fizika i energetika 

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.

Sekundarna circulacija: Karnotova toplotna mašina 
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. 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, 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.

Primarna cirkulacija: rotirajuči vetrovi 
Primarni rotirajući protok tropskog ciklona proizilazi iz konzervacije ugaonog momenta sekundarne cirkulacije. Absolutni ugaoni momenat rotirajuće planete  je dat izrazom

gde  označava Koriolisov parameter,  je azimutalna (i.e. rotirajuća) brzina vetra, i  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  ), tropski cikloni se retko formiraju unutar 5° od ekvatora.

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.

Maksimum potencijalnog intenziteta 
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 ( - WISHE). Ova sprega se znatno umanjuje kad disipacija usled trenja, proporcionalnog sa kubom brzine vetra, postane dovoljno velika. Gornja granica se naziva „maksimalni potencijalni intenzitet“, , i data je sa

gde  označava temperaturu površine mora,  je temperatura odliva ([K]),  je razlika entalije između površine i prekrivajućeg vazduha ([J/kg]), a  i  su koeficijenti razmene (koji su bezdimenzioni) entalpije i momenta, respektivno. Razlika entalpije površine i vazduha se uzima da je , gde je  entalpija zasićenja vazduha pri temperaturi mora i pritisku na nivou mora, a  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. 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, .

Izvod 
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.

Brzina gubitka energije po jedinici površine usled površinskog trenja, , je data sa

gde je  gustina vazduha u blizini površine ([kg/m3]) i  je brzina vetra u blizini površine ([m/s]).

Brzina oslobađanja energije po jedinici površine,  je data sa

gde je  efikasnost toplotne mašine i  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

Toplota (entalpija) po jedinici mase je data sa

gde je  toplotni kapacitet vazduha,  je temperatura vazduha,  je latentna toplota isparavanja, i  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, , je data sa

gde  predstavlja razliku entalpija između površine okeana i prekrivajućeg vazduha. Drugi izvor je unutrašnja osetna toplota koja se generiše disipacijom usled trenja (označena sa ), koja se javlja u blizini površine unutar tropskog ciklona i reciklira se u sistemu.

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

Postavljajući  i uzimajući  (i.e. brzina rotacionog vetra je dominantna) dovodi do gore datog rešenja za . Ovaj izvod podrazumeva da se totalni unos energije i njen gubitak unutar sistema mogu aproksimirati njihovim vrednostima na poluprečniku maksimalnog vetra. Učinak uvrštavanja  je da se totalni unos toplote množi faktorom . Matematički, to ima efekat zamenjivanja  sa  u imeniocu Karnotove efikasnosti.

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

gde CAPE označava konvektivnu dostupnu potencijalnu energiju (),  je CAPE dela vazduha podignutog iz zasićenja na nivou mora u odnosu na sondiranje okoline,  je CAPE graničnog sloja vazduha, i obe veličine se proračunavaju na poluprečniku maksimalnog vetra.

Karakteristične vrednosti i varijabilnost na Zemlji 
Na Zemlji, karakteristična temperatura za  je 300 K, a za  je 200 K, što odgovara Karnotovoj efikasnosti od . Odnos keficijenata površinske razmene, , se tipično uzima da je 1. Međutim, zapažanja upućuju na to da koeficijent otpora  varira sa brzinom vetra i da može da opadne pri jakom vetru unutar graničnog sloja formiranog uragana. Dodatno,  može da varira sa visokim brzinama vetra usled efekta morskog spreja na isparavanje unutar graničnog sloja.

Karakteristična vrednost maksimalnog potencijalnog intenziteta, , je 80 m/s. Međutim, ova veličina znatno varira u vremenu i prostoru, posebno unutar sezonskih ciklona, pokrivajući opseg od 0–100 m/s. Ova varijabilnost je prvenstveno usled promenljivosti disekvilibrijuma površinske entalpije (  ), 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. 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. Međutim, na ovaj odnos indirektno utiče dinamika tropika velikih opsega; u poređenju s tim je direktan uticaj apsolutne temperature morske površine na  slab.

Interakcija s okeanom 

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.

Safir-Simpsonova skala uragana 
 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

Reference

Literatura 

 Hurricane Glossary of Terms
 List of World's Deadliest Tropical Cyclones
 CDC - NIOSH Storm/Flood and Hurricane/Typhoon Response
 U.S. Billion-dollar Weather and Climate Events
 Florent Beucher, Manuel de météorologie tropicale : des alizés au cyclone (2 tomes), Météo-France, coll. « Cours et Manuel, 897 pp. »,‎ 25 mai 2010 (, présentation en ligne, lire en ligne [PDF]), p. 476 et 420
 Les cyclones sèment la tempête chez les scientifiques, article du Courrier International (pages 48–49, édition du 12 au 18 janvier 2006) : débat sur le réchauffement climatique et ses conséquences sur une possible augmentation du nombre de cyclones.
 Le résultat de recherches publié dans le magazine scientifique Nature du 4 août 2005, par Kerry Emanuel (« Aggravation de l'effet destructeur des cyclones tropicaux sur les 30 dernières années »).
 Henry Piddington, The Horn-book for the Law of Storms for the Indian and China Seas,‎ 1844
 Henry Piddington, The Sailor's Horn-book for the Law of Storms, London, Smith, Elder and Co.,‎ 1848, 360 p.

Vanjske veze 

 US National Hurricane Center – North Atlantic, Eastern Pacific
 Central Pacific Hurricane Center  – 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) . – 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

 
Vjetrovi
Prirodne katastrofe