Nie możesz go usłyszeć, ale ten dźwięk może ujawnić, że nadchodzi tornado

Tornada wytwarzają infradźwięki o niskiej częstotliwości, które można wychwycić z odległości wielu mil, a czasem nawet przed powstaniem tornada. Fot. Getty Images

Rozpoczyna się szelestem liści, złowrogim skrzypieniem zawiasów i skrzypieniem pobliskich drzew. Potem następuje ogłuszający huk, jakby zbliżający się pociąg towarowy, przerażający zgrzyt gwoździ wyrywanych z drewnianych desek i nieprzewidywalny odgłos lecących gruzów. Są to dźwięki często opisywane przez osoby, które przeżyły tornado, opowiadające o ucieczce przed tymi zjawiskami. Rzadko otrzymują ostrzeżenia dość wcześnie, ale często wystarczają, aby uratować życie. Tornadom towarzyszy jednak inny dźwięk, którego nie słyszymy. Jego częstotliwość jest tak niska, że ​​wykracza poza zasięg ludzkiego słuchu, ale może zapewnić możliwość wcześniejszego i dokładniejszego ostrzegania o niszczycielskich burzach. Przy wietrze osiągającym prędkość do 483 km/h, burze wytwarzające tornada generują fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości – czyli infradźwięki – które mogą przemieszczać się na odległość setek mil.

Podsłuchiwanie tych sygnałów infradźwiękowych może nie być w stanie zapobiec tornadom niszczącym miasta i wyrzucającym samochody w powietrze jak zabawki, ale może prowadzić do powstania nowego typu systemu wczesnego ostrzegania, który może uratować życie.

Niepewne prognozy

Średnio w USA około 1200 tornad w ciągu roku pozostawia ślady zniszczeń, a większość z nich ma miejsce na Wielkich Równinach w środkowych Stanach Zjednoczonych. Powodują one szkody o wartości milionów, a w niektórych latach miliardów dolarów rocznie i pochłaniają średnio 87 ofiar śmiertelnych rocznie od 1851 r. (chociaż liczba ofiar śmiertelnych różni się znacznie z roku na rok). Według Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (Noaa) w 2023 r. około 76 ludzi zginęło podczas około 1400 tornad w USA do tej pory. Co najmniej 26 osób zginęło w Mississippi, gdy niezwykle długotrwałe tornado uszkodziło ponad 2000 domów na trasie o długości około 94km. W grudniu 2023 r. dwie osoby zginęły – matka i jej dwuletni syn – gdy kilka potężnych tornad przeszło przez Tennessee. Potężne burze, które – włączając doniesienia o tornadach – przetoczyły się 14 marca przez wschodnią Indianę i zachodnie Ohio, powodując śmierć co najmniej trzech osób. Jednak „twistery” są niezwykle trudne do przewidzenia, ponieważ wciąż nie mamy jasnego obrazu tego, dlaczego powstają, a dlaczego nie. Nawet jeśli się uformują, gwałtowna kolumna powietrza zachowuje się nieregularnie.

Przez dziesięciolecia meteorolodzy usiłowali określić, które burze spowodują tornada, a które nie. Chris Nowotarski, profesor nadzwyczajny na wydziale nauk o atmosferze na Texas A&M University, twierdzi, że chociaż eksperci są „dość dobrzy” w przewidywaniu warunków wielkoskalowych, które mogą wywołać tornada z kilkudniowym wyprzedzeniem, przewidywanie, kiedy i gdzie utworzą się określone tornada jest trudniejsze. „Kilka burz, które wydają się zdolne do wytworzenia tornada, może istnieć w tym samym sprzyjającym środowisku, ale tylko jedna lub dwie faktycznie wytworzą tornado” – mówi. Najbardziej niszczycielskie tornada powstają z „superkomórek”. Te gwałtowne burze powstają w wyniku trwałego wirującego prądu wznoszącego się, zwanego mezocyklopnem, który generuje wysokie chmury w kształcie kowadła i niesie ze sobą trudne warunki pogodowe, w tym ulewne deszcze, silne wiatry i duże kule gradowe. Kiedy warunki są sprzyjające, prądy zstępujące w burzy superkomórkowej skupiają wirujące powietrze w niższych poziomach atmosfery. Ostatecznie wirujące powietrze skupia się w wąską kolumnę, która po dotarciu do ziemi zamienia się w tornado. Chociaż istnieje wiele teorii na temat przyczyn tego zjawiska – na przykład różnic temperatur w powietrzu na zewnątrz burzy - dokładne warunki, które powodują powstanie tornada, nie są w pełni poznane.

Sam wiatr jest również niewidoczny dla ludzkiego oka. Stają się widoczne tylko dzięki obecności pary wodnej, która skrapla się w chmurę w kształcie lejka w wirze tornada, gdzie ciśnienie powietrza jest niższe, a kurz i gruz również pomagają je uwidocznić.

Radar dopplerowski może umożliwić wykrywanie mezocyklonów w trakcie ich powstawania, gdy woda niesiona przez te burze odbija sygnał radaru, ale meteorolodzy rzadko są w stanie wykryć rzeczywiste tornada przy użyciu tej techniki. Może to również oznaczać, że ostrzeżenia o tornadach oparte na tej metodzie często okazują się fałszywymi alarmami, ponieważ burza superkomórkowa wykryta za pomocą radaru nigdy nie powoduje powstania tornada, mówi Nowotarski. Często potrzebni są obserwatorzy burz na ziemi, aby sprawdzić, czy utworzyło się tornado. „Wiele burz, które wydają się przygotowane do wywołania tornada, wcale się nimi nie stają” – mówi Nowotarski. „Fałszywe alarmy są problematyczne, ponieważ ostrzeżenie o tornadzie może zakłócać specjalne wydarzenia, pracę i życie codzienne. Może to spowodować, że społeczeństwo nie będzie podejmowało działań w przyszłości i będzie nieprzygotowane, gdy tornado faktycznie nadejdzie”. Prognozy również wykazują tendencję do zachowywania ostrożności przy wydawaniu ostrzeżeń – co jest zrozumiałe, ponieważ konsekwencje braku schronienia mogą być śmiertelne. Jednak fałszywe alarmy prowadzą do zmęczenia i mogą być szczególnie problematyczne w scenariuszach obejmujących wiele zagrożeń, w których tornada pojawiają się w ramach huraganów uderzających w ląd lub w czasie gwałtownych powodzi, mówi Nowotarski. To zmusiło prognostów do poszukiwania innych sposobów przewidywania, czy nadejdzie tornado.

Tornada mogą powodować szkody warte miliardy dolarów, ale są niezwykle trudne do przewidzenia. Fot. Getty Images

Podsłuchiwanie tornad 

Naukowcy słuchają tornad i od lat 70. XX wieku próbują ustalić, czy wydają one unikalny dźwięk. Dowody eksperymentalne sugerują, że infradźwięki o niskiej częstotliwości, w zakresie częstotliwości 1–10 Hz, powstają podczas kształtowania się tornada przez całe jego życie. Niedawny zestaw pomiarów przeprowadzonych w maju 2020 r. podczas tornada w pobliżu Lakin w stanie Kansas ujawnił, że twister wytwarzał wyraźny, podwyższony sygnał o częstotliwości od 10Hz do 15Hz. W niektórych przypadkach wykazano, że układy mikrofonów wykrywających infradźwięki wychwytują hałas wytwarzany przez tornada z odległości ponad 100 km (60 mil), a także wykazały, że infradźwięki powstają zanim w ogóle rozpocznie się geneza tornada. Naukowcy mają nadzieję, że podsłuchując te dźwięki, będzie można nie tylko usłyszeć nadchodzące tornado, ale być może nawet przewidzieć jego powstanie na dwie godziny przed jego rozpoczęciem.

Od 2020 roku zespół z Uniwersytetu Stanowego Oklahoma testuje moc predykcyjną infradźwięków przy użyciu sprzętu instalowanego w pojazdach ścigających tornado. Ich przenośny zestaw, naziemny system lokalnego pozyskiwania danych o infradźwiękach, czyli „Glinda”, nawiązuje do postaci z Czarnoksiężnika z krainy Oz. Mają nadzieję, że sprzęt pomoże łowcom burz lepiej monitorować rozwój tornad w czasie rzeczywistym, wymaga jednak rozmieszczenia sprzętu we właściwym miejscu i czasie. Niektórzy badacze pracują jednak nad systemami, które można pozostawić do ciągłego monitorowania pod kątem tornad. Jedna grupa, kierowana przez Rogera Waxlera, głównego naukowca w Narodowym Centrum Akustyki Fizycznej (NCPA) z siedzibą na Uniwersytecie Mississippi, planuje rozmieścić cztery stałe układy zaawansowanych technologicznie czujników w południowym Mississippi, w celu wykrywania sygnałów infradźwiękowych. Mają nadzieję, że system umożliwi spójne monitorowanie i wykrywanie tornad. 

„Analiza danych gromadzonych przez lata podczas sezonów tornad nie pozostawia wątpliwości, że tornada emitują sygnał infradźwiękowy, który można wykryć za pomocą szeregu czujników infradźwięków i śledzić z dużych odległości” – mówi Waxler. „To daje nam pewność, że ścieżkę tornada można wyznaczyć na podstawie jednoczesnej detekcji infradźwięków w wielu tablicach”. Zestawy, które wdraża on i jego zespół, powinny pozostać aktywne przez co najmniej trzy sezony tornad, co, jak mają nadzieję, umożliwi im analizę danych infradźwiękowych w czasie rzeczywistym. Zespół Waxlera najpierw zebrał dowody na poparcie swojej teorii infradźwięków, używając czujników pierwotnie zaprojektowanych do wykrywania tajnych testów broni nuklearnej. „Uważa się je za najnowocześniejsze w wykrywaniu sygnałów pochodzących z niezwykle dużych eksplozji” – mówi. Po tym, jak w 2011 r. w Oklahomie wybuchło tornado, jego zespół przeanalizował zebrane dane i był w stanie wyśledzić konkretne tornado podczas burzy EF4 na dystansie 161 km. „W takim przypadku tornado zbliżyło się na tyle blisko, że jego sygnał stał się bardzo głośny” – mówi. Początkowo zaczęli gonić tornada i upuszczać czujniki tak blisko, jak to było możliwe – co, jak przyznaje, było „okropnym pomysłem” i doprowadziło do tego, że jego zespół zamiast szukania tornad, musiał naprawiać układy do wykrywania ich. Niedawno, w 2020 r., badacze wykorzystali swoje zestawy czujników w północnej Alabamie do wykrycia prawie każdego tornada, które przeszło przez ten region. Jedną z obaw związanych z potencjalnymi infradźwiękowymi systemami wczesnego ostrzegania jest to, czy będą one w stanie odróżnić sygnały tornada od ogólnego hałasu burzy. Naukowcy twierdzą jednak, że widzą wyraźny sygnał. „Mamy nawet jeden przypadek, w którym zmienił się charakter sygnału i mogliśmy zobaczyć, że tornado unosiło się w powietrzu” – mówi Waxler. „Byłoby korzystne, gdybyśmy mogli rozróżnić, kiedy tornado znajduje się na ziemi, a kiedy w powietrzu”.

Dokładniejsze śledzenie ścieżki tornad mogłoby poprawić ostrzeżenia i pozwolić sużbom ratowniczym wiedzieć, gdzie skupić swoją pomoc. Fot. Getty Images

Jest więcej wyzwań do pokonania. Hałas wiatru może zakłócać pomiary infradźwięków i nie ma pewności czy infradźwięki są w stanie wiarygodnie odróżnić typy burz. „Jedno z niedawnych badań sugeruje, że burze tornadowe i burze nietornadyczne mogą wytwarzać bardzo podobne sygnatury infradźwięków, więc potencjał wykorzystania infradźwięków do namierzania potencjalnych tornad może być ograniczony” – mówi Nowotarski. Waxler twierdzi, że niektóre źródła infradźwięków podczas burz, takich jak grzmoty, można łatwo rozróżnić. „Grzmot ma inną charakterystykę widmową, taką jak odstęp impulsów, amplituda i długość fali – łatwo stwierdzić, że to nie tornado” – mówi. Przyznaje jednak, że odróżnienie tornad od superkomórek, które nie wytwarzają tornad, stanowi wyzwanie. Może to wynikać między innymi z faktu, że niektóre superkomórki wytwarzają tornada, ale naoczni świadkowie nie zauważają ich w sposób potwierdzający sygnały infradźwiękowe. „Potrzebujemy więcej danych” – mówi Waxler.

Udzielenie prawdziwego ostrzeżenia

Jednak Waxler i jego zespół mają nadzieję, że ich dziesięcioletni eksperyment doprowadzi do powstania skutecznego systemu wczesnego ostrzegania o tornadach, szczególnie w połączeniu z innymi źródłami, takimi jak radar dopplerowski. „Nie jest nierozsądne, że możemy zlokalizować tornado na połowie boiska piłkarskiego” – dodaje Waxler. „Wyobrażam sobie mapę w aplikacji z kropką wskazującą, że nad South Lamar zbliża się tornado”. W ostatnich dziesięcioleciach poziom ostrzeżeń uległ poprawie: w latach 2003–2017 87% śmiercionośnych tornad było poprzedzonych ostrzeżeniem z wyprzedzeniem, ale ludzie nadal mają średnio zaledwie 10–15 minut na znalezienie schronienia. Badanie oparte na wywiadach z 23 osobami, które przeżyły dwa śmiercionośne tornada, wykazało, że ludzie próbowali oceniać ryzyko wystąpienia tornada i reagować na nie w miarę rozwoju sytuacji, ale niektórzy nie mieli gdzie się schronić. Eksperci uważają, że ostrzeżenia o tornadach są zbyt często ignorowane z powodu „zmęczenia ostrzeżeniami” spowodowanego fałszywymi alarmami i godzinami telewizyjnych relacji z burz. Jedno z badań wykazało, że 37% ankietowanych nie rozumiało potrzeby podejmowania środków ostrożności podczas ostrzeżenia o tornadzie. Waxler ma nadzieję, że dokładniejszy system wczesnego ostrzegania może zmienić sposób, w jaki ludzie reagują, gdy słyszą o zbliżającej się burzy. „Zamiast chować się w wannie lub piwnicy, lepszym pomysłem byłoby wsiąść do samochodu i pojechać, jeśli wiesz, gdzie jest tornado. Celem jest ratowanie życia”.