Πρόοδος στην κατανόηση των ανεμοστρόβιλων φωτιάς

Οι μεγάλοι ανεμοστρόβιλοι έχουν φοβερή καταστροφική δύναμη. Μπορούν να σηκώσουν και να πετάξουν μακριά ακόμη και αυτοκίνητα, να ισοπεδώσουν καλλιέργειες και ξύλινες κατασκευές, να κάνουν σημαντικές ζημιές σε πιο ανθεκτικές κατασκευές. Οι μεγάλοι ανεμοστρόβιλοι φωτιάς έχουν τη δύναμη του γρήγορα κινούμενου αέρα συνδυασμένη με την καταστροφική δύναμη της φωτιάς. Ευτυχώς, είναι πολύ πιο σπάνιοι από τους μικρότερους στροβίλους φωτιάς, αλλά όταν εμφανίζονται, αποτελούν θανάσιμο κίνδυνο, τόσο για τους πυροσβέστες όσο και για τον καθένα που θα πλησιάσουν στην πορεία τους.
Τέτοια περίπτωση ήταν ο μεγάλος ανεμοστρόβιλος φωτιάς στο Ρέντινγκ της Καλιφόρνιας το 2018, με τέσσερις νεκρούς και πολλούς τραυματίες. Ο επιτόπιος έλεγχος έδειξε ότι είχε ισοπεδώσει ολόκληρα οικοδομικά τετράγωνα, σκεπές και άλλα συντρίμμια είχαν απλωθεί σε όλη την περιοχή, οχήματα είχαν αναποδογυρίσει, δέντρα είχαν ξεριζωθεί ή σπάσει και πολλά είχαν χάσει τον φλοιό τους από τα σωματίδια σκόνης και άμμου που λειτούργησαν σαν αμμοβολή. Τρεις πυλώνες υψηλής τάσης ύψους 30 μέτρων είχαν καταπέσει, με έναν απ' αυτούς να έχει ξηλωθεί από τη βάση του και να έχει μεταφερθεί 300 μέτρα παραπέρα. Ενα κοντέινερ μήκους 13 μέτρων είχε διαλυθεί και μεταλλικοί σωλήνες βρέθηκαν να έχουν τυλιχθεί γύρω από πεσμένες κολόνες διανομής ηλεκτρικού ρεύματος. Ο περιστροφικός άνεμος είχε ταχύτητα που τον κατατάσσει σε ισοδύναμο κυκλώνα κατηγορίας 3 στη βελτιωμένη κλίμακα Φουτζίτα (με 5 το μέγιστο), ενώ η θερμοκρασία των αερίων έφτασε τους 1.500 βαθμούς Κελσίου. Ο ανεμοστρόβιλος φωτιάς είχε διάμετρο 300 μέτρων στη βάση του και διήρκεσε 40 λεπτά, κινούμενος αργά και διανύοντας συνολικά απόσταση περίπου 1,5 χιλιομέτρου. Τόσο εκτεταμένη και έντονη ήταν η πυρκαγιά, που σχηματίστηκαν εξαιτίας της σωρειτομελανίες (είδος καταιγιδοφόρων νεφών) σε ύψος μεγαλύτερο των 5 χιλιομέτρων.

Νέφη φωτιάς

2008 Getty Images

Πυρκαγιά στην Καλιφόρνια δημιούργησε το 2008 ένα σχηματισμό - πιθανότατα ανεμοστρόβιλο φωτιάς - που απείλησε σπίτια

Επειδή δεν υπάρχουν αρκετές βιβλιογραφικές πληροφορίες, οι επιστήμονες δεν έχουν καταλήξει τι ακριβώς χαρακτηρίζεται μεγάλος ανεμοστρόβιλος φωτιάς. Κυριαρχεί ο ορισμός που χαρακτηρίζει έτσι μόνο τους στροβίλους φωτιάς που συνδέονται με υπερκείμενες σωρειτομελανίες. Οι μεγάλες δασικές πυρκαγιές μπορούν να δημιουργήσουν πυροσωρειτομελανίες σε μεγάλα ύψη. Αυτά τα καταιγιδοφόρα νέφη, που στα ανώτερα τμήματά τους καλύπτονται από σωματίδια πάγου, σχηματίζονται από τη συμπύκνωση της υγρασίας που απελευθερώνεται από την πυρκαγιά (από τη βλάστηση που καταναλώνει, από την προϋπάρχουσα υγρασία στην ατμόσφαιρα και από τα ίδια τα προϊόντα της καύσης). Αλλοι επιστήμονες θεωρούν αυτόν τον ορισμό πολύ περιοριστικό.
Το 1923, ένας μεγάλος σεισμός προκάλεσε εκτεταμένη πυρκαγιά στο Τόκιο. Καθώς η πυρκαγιά απλωνόταν από κτίριο σε κτίριο, οι κάτοικοι για να την αποφύγουν συγκεντρώνονταν σε μια ανοιχτή περιοχή ανάμεσα στα κτίρια. Ακριβώς πάνω από αυτήν την περιοχή σχηματίστηκε ένας μεγάλος ανεμοστρόβιλος φωτιάς, σκοτώνοντας 38.000 ανθρώπους μέσα σε 15 λεπτά. Επί μισό αιώνα, η εξήγηση που δινόταν ήταν ότι ένας συνήθης τυφώνας έτυχε να σχηματιστεί στο ίδιο σημείο που εξελισσόταν η πυρκαγιά. Μόνο όταν τη δεκαετία του 1990 μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Κεντάκι χρησιμοποιώντας τις ιστορικές αναφορές κατασκεύασαν μικρής κλίμακας μοντέλο της περιοχής και των ανέμων, που επικρατούσαν την ώρα της καταστροφικής πυρκαγιάς, και είδαν να σχηματίζεται δίνη φωτιάς, έγινε σαφές ότι δεν επρόκειτο για σύμπτωση, αλλά για ανεμοστρόβιλο που δημιούργησε η ίδια η πυρκαγιά.

Μια δίνη φωτιάς σχηματίζεται στο εργαστήριο από αέρα, που έχει περιστροφική κίνηση, όταν αυτός φυσάει γύρω από φλεγόμενο στουπί

Το μοντέλο για τη φωτιά του 1923 στηρίχτηκε σε προηγούμενη δουλειά άλλων επιστημόνων στο εργαστήριο, όπου διαπιστώθηκε ότι ο στρόβιλος φωτιάς καταναλώνει την καύσιμη ύλη με τριπλάσιο ρυθμό από τον κανονικό, καθώς κατεβάζει τα πυρακτωμένα αέρια χαμηλότερα, προκαλώντας πιο γρήγορη καύση του εναπομένοντος υλικού. Περαιτέρω μελέτες έδειξαν ότι ο ρυθμός αυτός μπορεί να είναι μέχρι και εφτά φορές μεγαλύτερος.
Η κατεύθυνση της κίνησης του στροβίλου κατά μήκος του εδάφους εξαρτάται από τους ατμοσφαιρικούς ανέμους και το ανάγλυφο της περιοχής, με τρόπους που ακόμη δεν μπορούμε να καταλάβουμε πλήρως. Παρά την κατανόηση της φυσικής τους, δεν μπορούμε, επίσης, ούτε να προβλέψουμε την εμφάνιση των μεγάλων ανεμοστρόβιλων φωτιάς. Φαίνεται όμως ότι στοιχείο - κλειδί είναι η ύπαρξη κάποιου παράγοντα, που μπορεί να προκαλέσει έντονη περιστροφική κίνηση του αέρα. Οπως ο άνεμος, που κατεβαίνει μια βουνοπλαγιά, ή η σύγκρουση ενός ψυχρού μετώπου με το θερμό αέρα πάνω από την πυρκαγιά, ή μια συγκεκριμένη διάταξη πυρκαγιών. Η ίδια η πυρκαγιά επιτελεί στη συνέχεια δύο κρίσιμες λειτουργίες για την εμφάνιση του στροβίλου: Συγκεντρώνει την περιστροφή σε μικρότερο χώρο κάνοντάς την πιο έντονη και τη μετατρέπει από οριζόντια σε κάθετη.
Καθώς ο στρόβιλος φωτιάς επιταχύνει την περιστροφή του, δύο αντίθετες δυνάμεις σε ακτινική κατεύθυνση δυναμώνουν: Η φυγόκεντρος που τείνει να οδηγήσει τα αέρια μακριά από τον στρόβιλο και η δύναμη με κατεύθυνση προς τον άξονα περιστροφής, λόγω της υποπίεσης στο εσωτερικό του στροβίλου. Η ισορροπία μεταξύ των δυνάμεων αυτών περιορίζει το άπλωμα των αερίων προς τα έξω και κατά συνέπεια την απώλεια Ενέργειας από τον στρόβιλο. Οι συνήθεις μη περιστροφικές φωτιές ανταλλάσσουν δέκα φορές περισσότερη Ενέργεια με την ατμόσφαιρα που τις περιβάλλει. Αυτός ο μηχανισμός κάνει τους στροβίλους φωτιάς να είναι λεπτοί και ψηλοί. Επειδή πρακτικά δεν εισρέει σε αυτούς αέρας παρά μόνο από τη βάση, το οξυγόνο είναι σε έλλειψη στο εσωτερικό τους. Ενα μέρος των καύσιμων αερίων πρέπει να ανέβει ψηλά, ταξιδεύοντας μέσα από τον πυρήνα του στροβίλου, ώσπου να συναντήσει οξυγόνο για να καεί. Στη βάση του στροβίλου επικρατεί πολύ χαμηλή πίεση. Η τριβή με το έδαφος μειώνει τη φυγόκεντρο δύναμη, ενώ η υποπίεση στο εσωτερικό παραμένει η ίδια, με αποτέλεσμα στη βάση του στροβίλου να δημιουργούνται πολύ ισχυροί άνεμοι με κατεύθυνση προς το εσωτερικό του. Λειτουργεί τελικά σαν μια τεράστια ηλεκτρική σκούπα, που ρουφά αέρα, καίει συντρίμμια γύρω από τη βάση της και εκτοξεύει πυρακτωμένα αποκαΐδια από την κορυφή της σε μεγάλο ύψος.

Φλεγόμενες διατάξεις που σχηματίζουν ένα περίπου τριγωνικό σχήμα μπορούν να περιστρέψουν τον αέρα στο κεντρικό τμήμα, όπου μια άλλη φωτιά συγκεντρώνει την περιστροφή δημιουργώντας μια δίνη. Δασικές και αστικές πυρκαγιές συγκεκριμένων σχημάτων μπορούν με παρόμοιο τρόπο να σχηματίσουν ανεμοστρόβιλους φωτιάς

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»