علت ایجاد گردباد

دو سیال مختلف بر روی کره‌ی زمین قرار دارد. یکی از این دو سیال آب است و دیگری هوا. جاذبه‌ی ثقلی زمین هر دو را به طرف مرکز زمین جذب می‌کند. وزن آب جاری بر روی زمین وقتی با خاصیت سیال بودن آن توأم می‌شود باعث می‌شود آب روی زمین همواره به سوی پایین‌ترین یا گودترین جایی که در دسترس دارد جاری گردد. تا اینجا شاید چندان مشکلی وجود نداشته باشد. اما آیا از خود پرسیده‌اید که آبِ جمع شده در منطقه‌ای روی زمین اگر گودالی برای فروشدن ناگهانی بیابد چرا به صورت گرداب فرو می‌رود. به عبارت دیگر چه دلیلی دارد که آب برای فرو شدن به داخل سوراخ یا گودال ایجاد شده هم‌زمان به گرد خود می‌چرخد. این پدیده‌ را غالباً در سینک ظرفشویی‌ها یا جاهای مشابه ملاحظه نموده‌اید. اما آیا پی‌گیر علت آن هم بوده‌اید؟ مسئله وقتی جالب‌تر می‌شود که دریابید که این چرخاب‌ها یا گرداب‌ها در نیم‌کره‌ی شمالی زمین غالباً جهتی پادساعتگرد (یعنی برخلاف جهت گردش عقربه‌های ساعت) و در نیم‌کره‌ی جنوبی زمین غالباً جهتی ساعتگرد دارند. این امر یافتن پاسخ چرایی گردابی بودن فروشدگی آب‌ها را مهم‌تر می‌سازد. یافتن این پاسخ‌ها مستقیماً به ما کمک می‌کند که علت ایجاد گردباد را بیابیم.

کره‌ی زمین در حال چرخش به گرد محور خویش است. این امر ایجاب می‌کند که نقاطی از کره‌ی زمین که به خط استوا نزدیک‌تر است دارای سرعت خطی بیشتری باشند. خوب حالا گودال خیلی وسیعی در نیم‌کره‌ی شمالی را در نظر بگیرید. برای راحتی فرض کنید این گودال آن قدر بزرگ آست که لبه‌ی شمالی‌اش در نزدیکی قطب شمال و لبه‌ی جنوبی‌اش در نزدیکی خط استوا (در شمال آن) می‌باشد. حال تصور کنید که از اطراف این گودال قرار است آب‌ها بر اثر سنگینی خود به داخل گودال فرو شوند. به دلیل گردش زمین و آن چه بر آن است به گرد محور چرخش زمین، آب‌هایی که قرار است از خط استوا به گودال فرو شوند قبل از فرو شدن، دارای سرعت خطی بیشتری نسبت به آب‌هایی هستند که قرار است از نزدیکی قطب شمال به گودال فرو شوند. جهت این سرعتِ خطی، هم‌جهت با چرخش زمین به دور خود می‌باشد. پس به زبان ساده‌تر در حالی که آب‌های نزدیک قطب قبل از به گودال ریختن تقریباً ساکنند آب‌های نزدیک استوا همراه با زمین به طرف شرق کشیده می‌شوند و وقتی قرار است در عین حال به گودال (به طرف شمال) نیز بریزند به طرف شمال شرقی هدایت می‌شوند که این به خاطر سیال بودن آب باعث چرخش پادساعتگرد آب به هنگام فرو رفتن به گودال در نیم‌کره‌ی شمالی می‌شود. استدلالی کاملاً مشابه نشان می‌دهد که اگر این گودال در نیم‌کره‌ی جنوبی می‌بود چرخش آب، ساعتگرد می‌بود. آن چه در این جا به زبان ساده بیان شد همان نیروی کوریولیس است که در فیزیک مطرح است. این وضعیت به طور ایده‌آل در مورد تمام گودال‌ها با هر ابعادی هرچند کوچک برقرار است مگر آن که عاملی دیگر در ابتدا باعث شود چرخش سیال در جهت عکس شروع شود. پس حداقل نتیجه‌ای که می‌گیریم این است که فرو شدنِ آب سیال در یک سوراخ بر اثر وزن خود بر روی زمین، به صورت گردابی یا چرخشی است. در این‌جا با توجه به مشابهتی که بین گردباد و گرداب، در این که در هر کدام سیالی در حال چرخشند، وجود دارد از خود می‌پرسیم که آیا همان علتی که برای گرداب ذکر شد برای گردباد نیز صادق است یا نه. برای بررسی این امر باید کلیه‌ی شرایط هوای سیال به هنگام وقوع گردبادهای بزرگ درنظر گرفته شود. این نوع گردبادها معمولاً هنگامی اتفاق می‌افتند که سطح زمین به علت تابش آفتاب بسیار گرم شده است و هم‌زمان رطوبت فراوان ناشی از تبخیر آب‌های گرم سطحی این گرما و حفظ آن را تشدید کرده است. اگر اولاً این امر در موقعیتی تقریباً ناگهانی واقع شود و ثانیاً هم‌زمان به علل جوی توده هوایی سرد عموماً در قالب ابر یا ذرات معلق در هوا بر روی این هوای گرم واقع شود و به گونه‌ای به صورت موقف هم‌چون بالشتکی آن را بین خودش و زمین برای لحظاتی محبوس کند و ثالثاً شرایط به گونه‌ای باشد که منفذی در این بالشتک ایجاد شود یعنی در ناحیه‌ی کوچکی از آن که احتمالاً می‌تواند ضلع پایینی توده ابر کوچکی باشد هوا به سردیِ بقیه جاهای ضخیم بالشتک سرد نباشد، آن‌گاه هوای گرم سبک و مرطوبِ مجاور زمین که به علت گرما سبک‌تر از هوای سرد شده و دنبال راهی برای صعود و نفوذ به هوای بالاست این منفذ را هم‌چون سوراخی برای نفوذ خواهد دید و از همه سو برای گذشتن از آن به سمت آن جاری می‌شود. در این جا وضعیت کاملاً مشابه است با همان سوراخی که گفتیم بر روی زمین وجود دارد و آب به هنگام فرو شدن به آن به دور خود نیز می‌چرخد. پس هوای جاری به طرف این سوراخ به همان دلیل نیروی گفته شده‌ی کوریولیسی، به هنگام گذشتن از این سوراخ جوی هم‌زمان به دور خود نیز خواهد چرخید. در این حال بخار آب موجود در این هوای گرم و شرجی در برخورد با هوای سرد بالشتک مذکور چگال شده و به قطرات آب که همان باران است تبدیل می‌شود و فرو می‌بارد. بر حسب این که میزان گرما و رطوبت این لایه هوای محبوس شده چقدر باشد و نیز این که تفاوت دمایش با هوای سرد و خشک بالشتک چقدر باشد و نیز این‌که شرایط جوی چقدر اجازه دهد که راه دررو دیگری برای هوای گرم گیر افتاده در زیر بالشتک هوای سرد و ابری نباشد، بزرگی و شدت گردباد متفاوت است. این بزرگی حتی می‌تواند وسعت گردباد را به صدها کیلومتر برساند. در چنین شرایطی روشن است که ناحیه‌ی مرکزی گردباد که چشم گردباد نامیده می‌شود و در آن بالتبع سرعت خطی باد به طور کاملاً محسوسی خیلی کمتر است ممکن است ده‌ها کیلومتر وسعت داشته باشد و همین امر افراد واقع در این منطقه را فریب دهد که گردباد تمام شده است.

موضوعِ گرداب را به خاطر اورید. اگر در زیر مکانی که مقار زیادی آب جمع شده است سوراخی به سمت فضای خالی بزرگی ایجاد کنیم طبق آن چه گفته شده آب به صورت گردابی از این سوراخ به تدریج در این فضا تخلیه می‌شود. به مرور، بر اثر اصطکاک و برخورد آبِ در حال چرخش با لبه‌های سوراخ احتمالاً سوراخ بزرگ‌تر می‌شود و هر چه زمان بگذرد شدت و مقدار گرداب افزایش می‌یابد و احیاناً کنترل آن ناممکن می‌گردد تا کلاً آب به این صورت تخلیه شود. در مورد هوا نیز می‌توانیم همین مطلب را بگوییم. به محض این که هوا منفذی در آن بالشتک یافت با هجوه همه‌ جانبه‌ی خود به آن باعث گشادتر شدنش می‌شود و این امر خود به این امر‌که کل هوای گرم تنها از همین طریق به هوای سرد فوقانی تخلیه شود کمک می‌کند. اما نکته‌ی اضافه‌ای در این‌جا وجود دارد که در نمونه‌ی آبی مشابه ندارد و آن این که چون در مورد گردباد این منفذ یا سوراخ در یک بالشتک سیال به وجود آمده است که (بر خلاف سوراخ ایجاد شده در زمین برای گرداب) صُلب نیست می‌تواند بر حسب شرایط نیروهای مختلف اعمال شده در بالشتک جابجا شود و به این ترتیب گردبادِ در حال حرکت و جا به جایی را به وجود آورد. وضعیت شبیه شلنگ آزادی است که آب به شدت از سر آزاد آن در حال خروج است و باعث می‌شود شلنگ مانند مار پیچ و تاب بخورد. تفاوت مهم دیگری هم بین گردباد، یا لااقل انواعی از آن، و گرداب وجود دارد که به توضیح آن می‌پردازیم. هنگامی که هوا تنوره کشان و چرخان از این سوراخ به بالا می‌رود خلأی نسبی در زیر این بالشتک به وجود می‌آورد. این خلأ بیشتر در حوالی سوراخ که نخست هوای آن حوالی تخلیه می‌شود محسوس‌تر است. (همین خلأ است که در گردباد همه‌ی اشیاء را به بالا می‌کشد.) دیواره‌ی ایجاد شده از هوای چرخان و احتمالاً شرایط جوی دیگر مانع از آنند که این خلأ با ورود هوا از اطراف جبران شود. لذا هوای سرد و سنگین فوقانی اولویت پیدا می‌کند که راهی از میان گردباد به سمت پایین برای پر کردن این خلأ پیدا کند. به این لحاظ، مخروطی از این هوای سرد از ابر بالای گردباد به طرف زمین شکل می‌گیرد که هوای سرد از آن طریق به طرف پایین پمپ می‌شود.
گردبادهایی این چنینی دارای قدرت‌های مهیبی هستند که در کمتر پدیده‌ی مخرب طبیعی می‌توان سراغ گرفت. قدرت تخریبی آنها وقتی فاجعه‌آمیزتر می‌شود که این گردبادهای عظیم بر روی آب‌های آزاد تشکیل شوند و به طرف ساحل حرکت کنند. قدرت چرخشی آنها تلاطم‌های غول‌پیکری بر سطح آب ایجاد می‌کند که می‌تواند مناطق خشکی بسیار وسیعی در اطراف ساحل را به زیر آب برد. معمولاً این نوع گردبادهای بسیار بزرگ به علت گرم شدن شدید سطح زمین در مناطق استوایی ایجاد می‌شوند اما می‌توانند تا قبل از آن که از بین بروند صدها کیلومتر حتی به طرف مناطق غیر استویی جا به جا شوند. به طور متوسط سالانه در حدود یک‌صد گردباد استوایی ایجاد می‌شود که در حدود ده تا از آنها در حول و حوش آمریکای شمالی جا به جا می‌شود.