Protectie împotriva tornadelor
Un fenomen de manifestare violentă a naturii este tornada, termen care, la origine, provine din latinescul tonare. Tornadele sunt furtuni violente din categoria curentilor de tip turbionar (vârtej, vortex) cu aspect de pâlnie sau coloană în rotatie rapidă, al căror diametru poate varia de la câtiva zeci de metri la circa 2 km. Pâlnia tornadei poate fi verticală sau înclinată, iar în cursul deplasării se balansează si se răsuceste, uneori desprinzându-se de la sol. Curentul turbionar de aer se roteste în jurul centrului de joasă presiune cu viteze care pot depăsi 500 km/h, iar viteza de înaintare a tornadei poate atinge 110 km/h, distrugând totul în cale. O tornadă devine vizibilă datorită vaporilor de apă condensati din stratele exterioare dar si antrenării prafului, noroiului sau a diverselor obiecte din zona de contact cu solul. Tornadele provoacă spaimă printre oameni prin efectul de surpriză si forta devastatoare. Fenomenul se desfăsoară atât de rapid încât avertizarea populatiei este ineficientă. Un pas înainte în prognoza tornadelor este asigurat de radarele doppler care detectează picăturile de apă din interiorul norilor si permit meteorologilor să studieze forma, viteza si orientarea curentilor de aer. Numai adăposturile rezistente la solicitări mecanice foarte mari pot asigura protectie pentru oameni si animale. Formatiunile pentru situatii de urgentă trebuie să informeze din timp populatia asupra măsurilor de securitate si să actioneze în situatii critice conform unor planuri de interventie prestabilite.Dacă există conditii favorabile, tornadele pot să apară oricând pe suprafata continentală, între 200 si 600 latitudine nordică si sudică. Pe suprafata continentală, SUA detine recordul pentru numărul anual de tornade, circa 800, urmată de Australia, China, India, Rusia, Anglia, Germania si Bangladesh. Este celebră Aleea Tornadelor (Tornado Alley), o regiune din SUA care se întinde de la Golful Texas spre nord, prin estul Dakotei de Sud. Fenomene similare, însă de mai mică intensitate, se pot produce deasupra oceanelor, masa de aer fiind încărcată cu picături de apă aspirate de curentii turbionari ascendenti, asa cum se întâmplă în apele subtropicale din Golful Mexic si din largul coastei de sud-est a Statelor Unite. Se pare că, răspunzător pentru trombele de apă este aerul continental care se răspândeste peste ocean, unde dă nastere la turbulente.
În prezent, clasificarea tornadelor se bazează pe efectele produse de acestea, deoarece măsurătorile directe ale vitezei vântului sunt dificil de realizat. Este meritul lui Theodore Fujita, profesor de meteorologie la Universitatea din Chicago, de a fi introdus scara ce îi poartă numele, în care tornadele sunt împărtite în slabe (F0,F1), puternice (F2,F3), si violente (F4,F5). Dacă tornadele slabe nu afectează populatia, în schimb cele de nivel F5 distruge constructii solide, ridică în aer autovehicule, răstoarnă trenuri, smulge copacii din rădăcini si putine victime scapă cu viată, lăsând în urmă un peisaj sinistru ca la explozia unei bombe atomice. Poate că aceste imagini dezolante i-a făcut pe unii superstitiosi să creadă că locurile bântuite de tornade sunt blestemate, afirmatie care denotă lipsa de pregătire stiintifică în domeniul fizicii atmosferei.
Norii cumulus si cumulonimbus sunt prevestitori pentru formarea tornadelor la baza acestora ca urmare a interactiunii maselor de aer cald si rece. În general, tornadele apar la înaintarea unui fornt de aer rece, de presiune scăzută care dă nastere unei furtuni violente cu tunete si fulgere, cunoscută sub numele de supercelulă (super-cell). Aerul rece si uscat din frontul atmosferic prin interactiune cu aerul cald si umed din vecinătatea solului produce un curent vertical puternic care se dezvoltă rapid, capătă o miscare de rotatie la nivel de supercelulă , se răceste si împreună cu cu curentul de convectie descendent contribuie la formarea tornadei.
Mai precis, pe etape, procesul decurge astfel:
-se formează un curent de aer cald si umed, care este împins de frontul de aer rece în interiorul norului de furtună;
-datorită vânturilor orizontale, curentul ascendent capătă la partea superioră o miscare de rotatie care stabilizează local futuna, transformând-o în supercelulă;
-în partea din spate a liniei de vijelie ia nastere un curent descendent de aer rece, care se răspândeste pe suprafata solului cu viteze ce pot depăsi valoarea de 160 km/h;
-se formează tornada în zona dintre curentul ascendent si cel descendent.
O supercelulă poate dura mai multe ore si poate parcurge sute de kilometri, timp în care poate genera mai multe tornade succesive. Există si posibilitatea ca o tornadă violentă să devină de tip multivortex, prin divizarea în mai multe vârtejuri care se rotesc în jurul turbionului mamă.
Majoritatea meteorologilor sunt de acord că această explicatie este corectă dar insuficientă pentru a întelege procesul complex de formare a tornadelor. Într-adevăr, pe lângă fortele datorate gradientilor de presiune si temperatură se manifestă fortele coulombiene si de tip Lorentz, care au un rol important în dinamica atmosferei.
Pămîntul este, nu numai un magnet urias, ci si o sferă conductoare încărcată cu sarcină negativă (circa 5.103C), care este compensată de sarcina pozitivă din atmosferă. La suprafata Pământului, intensitatea câmpului electric este în medie de 130V/m, însă scade progresiv cu altitudinea, astfel încât la înăltimea de 10 km devine neglijabilă. Electricitatea din atmosferă este produsă de fortele de frecare dintre curetii de aer, de radiatiile ionizante solare sau emise de sursele radioactive terestre, dar si în procesul evaporării si condesării apei sub formă de picături încărcate cu sarcină electrică pozitivă. Moleculele de apă (H2O) sunt polarizate, deoarece centrul sarcinilor eelectrice pozitive nu coincide cu centrul sarcinilor electrice negative. Această configuratie se explică pe seama hibridizării sp3 a orbitalilor atomului de oxigen, care posedă două perechi de electroni neparticipanti, la formarea legăturilor covalente. În stare condensată, moleculele de apă se asociază prin legături de hidrogen, datorateatractiei dintre un atom de hidrogen (electropozitiv) si unul de oxigen (electronegativ) de la o moleculă vecină. Spre deosebire de ploaie, precipitatiile solide (grindină, ninsoare) transportă sarcină electrică negativă.
Există trei tipuri de nori polarizati: nori polar-pozitivi,
polar-negativi si tripolari. Trebuie verificat, prin măsurători directe, dacă sarcina electrică din nori este liberă sau legată, dar este posibilă si o variantă mixtă, în care dipolii cu sarcină legată atrag sarcină liberă. În mod obisnuit, norii care produc averse de ploaie sunt încărcati cu sarcină electrică negativă la partea inferioară, iar la cealaltă extremitate este distribuită sarcina electrică pozitivă.
Această distributie a sarcinii electrice este favorabilă echilibrului dinamic, deoarece asigură o fortă electrică verticală care compensează partial greutatea norului.
Pentru studiul mecanismului de formarte a tornadelor, este bine să amintim că o sarcină electrică q care se miscă cu viteza v într-un câmp electric de intensitate E si un câmp magnetic de inductie B suferă actiunea unei forte rezultante F=qE+qvxB, unde primul termen corespunde fortei electrice, iar cel de-al doilea,fortei Lorentz .
Un nor cumulonimbus poate acumula la partea inferioară o cantitate mare de sarcină negativă care modifică local parametrii câmpului electric terestru si-l poate chiar inversa. În aceste conditii, particulele fine de apă care posedă sarcină electrică pozitivă sunt antrenate, nu numai de gradientii de presiune si temperatură, ci si de fortele electrice, într-un curent ascendent care se dezvoltă rapid si capătă o miscare de rotatie datorită înscrierii purtătorilor de sarcină pe traiectorii elicoidale în jurul liniilor de câmp magnetic terestru. Astfel, se poate explica formarea tornadelor anticiclonice din emisfera nordică, în care miscarea turbionară a curentilor de aer se face în sens invers acelor de ceasornic, dar si a tornadelor din emisfera sudică, de tip ciclonic, în care circulatia aerului corespunde acelor de ceasornic, miscări care nu pot fi explicate prin actiunea fortelor Coriolis. Această ipoteză teoretică oferă si o solutie practică pentru atenuarea tornadelor care pun în pericol securitatea habitatelor umane. În principiu, metoda constă în diminuarea perturbatiilor locale ale câmpului electric terestru, fie prin provocarea unei explozii puternice la baza norului pentru a dispersa sarcinile electrice negative, fie prin realizarea unor descărcări electrice - prin canale conductoare - între puncte cu potentiale electrice diferite din atmosferă sau de pe sol. Tehnica actuală permite construirea unei game diversificate de aparate de zbor, cu pilot automat sau telecomandate care pot transporta în interiorul supercelulelor încărcături explozive dar si rezervoare cu electroliti sau au atasate conductoare metalice suficient de lungi, cu scopul de a atenua perturbatiile locale ale câmpului electric. Există si posibilitatea realizării de retele conductoare foarte înalte, plane sau de tip cuscă Faraday, amplasate pe structuri cu fundatie adâncă si conectate elecric la sol prin electrozi, care să colecteze sarcinile electrice din atmosferă si să asigure protectia fată de tornade a spatiului din apropiere. Se poate încerca si acoperirea unor suprafete mari de sol, amplasate pe traseele tornadelor, cu straturi electroizolante suficient de groase, pentru întreruperea canalelor de scurgere a sarcinilor electrice pînă la neutralizarea reciprocă a acestora. Poate că, în perspectivă, se vor construi lasere de mare intensitate în domeniul ultraviolet, ale căror fascicule devin canale conductoare prin ionizarea moleculelor de gaz din compozitia atmosferei. Tornadele reprezintă o provocare pentru cercetarea aplicativă si o mare responsabilitate pentru factorii de decizie politici. Desigur, eforturile materiale si financiare sunt considerabile, însă orice investitie pentru îmblânzirea naturii este necesară pentru a înlătura suferintele oamenilor, a proteja habitatele umane si a asigura calitatea vietii pe planeta albastră. . Mai multe detalii se pot afla pe site-urile www.praxisinventica.com și www.voxinventica.com. Prof. Tudor Vasile, protelisav@yahoo.com.
Protectia geotehnica la seisme si tsunami
Cutremurele de pamant, alaturi de vulcanism si inundatii, sunt cele mai mari catastrofe naturale care provoaca uriase pierderi materiale si de vieti omenesti. In cartea sa Chestiuni naturale cunoscutul filozof Seneca mentioneaza: Nici o primejdie nu este fara leac, de care sa nu ne putem feri; trasnetul n-a distrus niciodata popoare intregi; ciuma depopuleaza orasele, dar nu le distruge... Dar catastrofa cutremurelor de pamant este cea mai intinsa, cea mai inevitabila, cea mai neinduplecata, cea mai generala dintre toate primejdiile.
Cu toate eforturile materiale si financiare depuse pe plan mondial pentru studiul cutremurelor, prognoza acestora si masurile de protectie sunt inca ineficiente. Preocuparile de inginerie seismica au devenit politica de stat, care are in vedere intocmirea hartilor de zonare seimica, elaborarea normelor de proiectare a unor constructii sigure, educatia seismologica a populatiei si asigurarea habitatelor umane. Exista o vasta retea de observatoare geofizice si de statii seismologice,dotate cu aparatura moderna de inregistrare a unor parametrii geofizici- gravitatie, magnetism, electricitate, radioactivitate- precum si a miscarilor scoartei terestre. Informatiile obtinute prin efort propriu sau prin colaborare internationala sunt analizate pe calculatoare pentru descifrarea cauzelor producerii cutremurelor, a modului de propagare a undelor seismice, dar si identificarea unor modalitati de predictie si a unor mijloace de limitare a efectelor distructive. Pe drumul confruntarii de idei in descifrarea mecanismelor seismelor s-a trecut de la conceptii naive, bazate pe mituri si legende la ipoteze indraznete despre deriva continentelor si expansiunea fundului oceanelor, integrate apoi in teoria tectonicii globale. Se considera ca litosfera ( invelisul solid, cu grosimi intre 70 si 100 km) este divizata in placi tectonice care plutesc pe un strat vascos, numit astenosfera, pe care se deplaseaza lent sub actiunea curentilor de convectie, generati cu precadere de gradientii termici. La contactul dintre placile tectonice pot sa apara tensiuni mari care provoaca seisme.
Taria cutremurelor se evalueaza dupa intensitate si magnitudine. Pentru intensitate, cea mai cunoscuta este scara Mercalli-modificata (scara MM), in care seismele sunt clasificate in 12 grade pe baza efectelor acestora asupra oamenilor, cladirilor si solului. Scara magnitudinii a fost initial elaborata de C. Richter si perfectionata ulterior de B. Gutenberg, pentru a elimina aprecierile subiective in evaluarea tariei undelor seismice, fiind definita pe baza unor inregistrari de amplitudine cu seismometre standard.
Se considera ca cele mai mari ctremure care apar pe glob nu pot depasi teoretic valoarea M=9 , datorita limitei de rezistenta a rocilor.
Supun analizei dumneavoastra un studiu de cercetare aplicativa, care se refera la o metoda si la o structura geotehnica utilizate pentru protectia habitatelor umane impotriva cutremurelor de pamant .
In prezent, protectia cladirilor fata de seisme se realizeaza prin diverse solutii constructive,bazate pe suprastructuri din materiale usoare, dar rezistente la solicitarile mecanice, la care se adauga uneori elemente flexibile sau chiar dispozitive de amortizare care preiau socurile seismice, insa sunt costisitoare si dificil de aplicat pe scara larga. Constructiile antiseismice trebuie prevazute cu armaturi rezistente, fara deschideri mari si ornamentatii masive, avand structura de fundament adaptata conditiilor geologice din zona. Proiectul elimina aceste dezavantaje prin aceea ca protectia geotehnica a cladirilor impotriva cutremurelor de pamant este realizata la scara zonala de catre structuri subterane amplasate in calea undelor seismice, in vecinatatea habitatului uman protejat, care asigura schimbarea directiei de propagare a undelor seismice incidente prin fenomenele de reflexie si refractie, datorita modificarii proprietatilor mecanice ale mediului in care a fost inglobata.
Prin aplicarea proiectului se obtin urmatoarele avantaje :
-protectie comuna impotriva seismelor, pe intervale de timp de ordinul secolelor, a tuturor constructiilor din zona amenajata;
-cresterea stabilitatii terenului amenajat antiseismic fata de procesele tectonice ;
-amortizarea investitiilor de amenajare antiseismica a habitatelor umane prin reducerea considerabila a pierderilor materiale si de vieti omenesti .
Energia imensa eliberata intr-un focar seismic se propaga prin unde mecanice de volum -longitudinale P, transversale S - pana la suprafata Pamantului, unde apar prin interferenta undele de suprafata L, cu lungime mare de unda, de tip Love si Rayleigh, care, la magnitudini mari, produc ruperi in scoarta si avarii catastrofale in constructii. Vitezele de propagare a undelor seismice de volum depind de parametrii fizici ai mediului pe care il strabat.
Cutremurul de pamant este un proces complex, avand pentru componentele spectrale semnificative, obtinute prin analiza Fourier, lungimea de unda cuprinsa intre valori minime de ordinul sutelor de metri si valori maxime de ordinul zecilor de kilometri. Mecanismul cutremurelor cu focare intermediare si adanci are la baza dinamica placilor litosferice, care tind sa se echilibreze izostatic pe astenosfera sub actiunea curentilor de convectie generati cu precadere de diferentele de temperatura. In zonele de subductie au loc acumulari tensionale mari, care prin descarcare brusca produc miscari seismice.
Pe langa procesele tectonice, alte cauze generatoare de seisme sunt legate de vulcanism, maree, prabusiri de stanci, impactul meteoritilor, sau chiar sunt provocate artificial prin explozii puternice. Amplitudinea undelor seismice scade pe masura cresterii distantei parcurse datorita proceselor de absorbtie a energiei de catre materia terestra. Schimbarea directiei de propagare a undelor seismice are loc pe suprafetele care separa doua medii cu proprietati fizice diferite, fenomen intalnit, de exemplu, la discontinuitatea Moho dintre scoarta terestra si manta. Reflexia undelor este caracterizata printr-un unghi de deviere - fata de normala suprafata de discontinuitate - egal cu unghiul de incidenta, iar in cazul refractiei undelor, raportul dintre sinusul unghiului de incidenta si sinusul unghiului de refractie este egal cu raportul vitezelor de propagare a undelor in cele doua medii. In general, reflexia si refractia undelor sunt fenomene care se produc simultan,insa daca viteza de propagare a undelor in primul mediu este mai mica decat viteza de propagare a undelor in cel de-al doilea mediu, atunci pentru unghiuri de incidenta mai mari decat unghiul limita, dispare fenomenul de refractie, pe suprafata de separare producandu-se fenomenul de reflexie totala. Prevederea seismelor prezinta inca multe necunoscute, singurele masuri de protectie a habitatelor umane sunt oferite doar de constructiile sigure sau de solutiile geotehnice de amenajare zonala antiseismica, care redirectioneaza energia colosala a undelor seismice.Deoarece structurile antiseismice subterane au un gabarit imens,varianta constructiva realizabila in practica este cea de tip retea,care modifica proprietatile fizice ale mediului in care este inglobata,in particular rigiditatea si densitatea medie. Dimensiunile de ansamblu ale unei retele antiseismice regulate trebuie sa fie cu cel putin un ordin de marime mai mare decat lungimea de unda, pentru ca aceasta sa nu fie ocolita de undele seismice prin fenomenul de difractie, insa lungimea laturilor retelei trebuie sa fie mai mica de cel putin 5
10 ori decat lungimea de unda, pentru ca fenomenul de reflexie sa se manifeste semnificativ fata de ponderea undele seismice transmise. Lungimea de unda la care se face referinta corespunde cutremurelor de intensitate maxima care se propaga in zona amenajata antiseismic -luate in calcul la realizarea hartilor de seismicitate.
Undele seismice refractate sau cele care trec nedeviate printr-o retea rigida, inglobata intr-un mediu de propagare cu duritate redusa, sunt atenuate cu atat mai mult cu cat lungimea laturilor retelei este mai mica, iar distanta parcursa prin retea este mai mare.
Proiectul este aplicabil nu numai terenurilor situate in afara unor asezari umane, ci si celor intravilane, deoarece zona protejata antiseismic este mai mare decat zona in care se afla structura subterana, extinzandu-se cu mult in spatele acesteia pe directia de propagare a undelor seismice incidente. Prin analogie cu radiatiile luminoase,care,desi sunt de natura diferita, au legi de propagare similare, zona protejata antiseismic corespunde zonei de umbra create de un paravan translucid.
Protectia fata de cutremurele de pamant cu focare localizate-ca de exemplu cele din Vrancea,Romania- este asigurata prin structuri artificiale subterane amplasate in calea undelor seismice, pe portiunea de la marginea asezarilor umane situata spre zona epicentrala. In scenariul cel mai nefavorabil, de aparitie a unor seisme puternice cu focare nelocalizate, trebuie ca structura antiseismica subterana sa fie dispusa in jurul perimetrului intravilan. Pentru exemplificare, se prezinta o structura antiseismica de retea triunghiulara regulata cu coloane verticale dispuse in noduri.
Structura antiseismica se compune dintr-o retea triunghiulara regulata R, care se continua in adancime prin coloanele verticale 2, fixate in varfurile triunghiurilor echilaterale de laturi 1 si dispuse paralel si echidistant in masa mediului de propagare a undelor seismice .
Laturile 1 ale retelei regulate R au profil dreptunghiular, iar coloanele verticale 2 sunt de forma cilindrica, similara cu cea a puturilor obtinute prin forare. Reteaua R este amplasata la marginea dinspre epicentru a perimetrului intravilan, pe o lungime de ordinul kilometrilor sau chiar a zecilor de kilometrii si o latime de ordinul sutelor de metrii, fiind dispusa aproximativ paralel cu suprafata nivelata in prealabil a solului, la o adancime h 1
2m, pentru a permite efectuarea unor lucrari agricole. In cazul terenurilor cu panta mare, coloanele 2 pot fi dispuse inclinat fata de verticala. Daca conditiile geomorfologice permit, atunci structura subterana este orientata, fata de directia de propagare a undelor seismice de suprafata, sub unghi de incidenta mai mare decat unghiul limita, pentru a se produce fenomenul de reflexie totala . Structura geotehnica este realizata de obicei din beton armat, dar in principiu se poate utiliza orice alt material, cu conditia ca trebuie sa aiba rigiditatea si densitatea diferite de cele ale subsolului amenajat antiseismic. Dimensiunile geometrice pentru componentele unei structuri antiseismice subterane variaza intre limite largi, in functie de intensitatea maxima a cutremurelor, distributia focarelor seismice si eventual a faliilor tectonice, dar si de natura materialelor de constructie, proprietatile fizice ale mediului de propagare si aria suprafetei protejate. Pentru exemplificare, se prezinta urmatoarele valori dimensionale ale unei structurii geotehnice subterane: a = 30
100 m, b = 1
2 m, c = 0,3
0,6 m, d = 0,3
0,6 m, l = 50
500 m, unde a, b si c reprezinta lungimea, latimea respectiv grosimea laturii 1 a retelei R, iar d si l semnifica diametrul respectiv lungimea coloanelor 2 ale structurii subterane. In alte variante constructive, reteaua R este formata din poligoane regulate de tip patrat, sau hexagon, caz in care consumul de materiale se reduce, insa rezistenta la solicitarile mecanice scade fata de reteaua triunghiulara regulata.
Tehnica actuala permite efectuarea unei lucrari de amenajare antiseismica a teritoriului, care presupune urmatoarele etape :
-realizarea studiului de fezabilitate si a proiectului in detaliu de catre specialistii in seismologie si geotehnica, adaptate la conditiile geomorfologice concrete ;
-executarea pe teren a canalelor pentru reteaua R si forarea puturilor pentru coloanele 2 ;
-introducerea in puturi a unor tuburi pentru sustinerea peretilor;
-realizarea armaturii metalice peste care se toarna betonul in stare umeda ;
-finalizarea lucrarii prin acoperirea cu pamant a canalelor si nivelarea terenului .
Pentru simplificarea operatiilor de executie, structura geotehnica subterana se amplaseaza cu precadere in zone cu terenuri moi, fara denivelari prea mari, evitandu-se terenurile in panta, alcatuite din roci dure. Solutia tehnica prezentata, desi necesita investitii foare mari, este o alternativa zonala, mult mai eficienta decat protectia antiseismica pentru fiecare constructie in parte.
Este usor de imaginat, amenajarea unor portiuni din platforma continentala a marilor si oceanelor cu structuri hidrotehnice similare, pentru protectia tarmului la tsunami prin fenomenele de reflexie, refractie si atenuare a valurilor seismice. Protecția la tsunami, a habitatelor umane din vecinătatea mărilor și oceanelor, se poate realiza prin amenajarea platformei continentale adiacente cu structuri rezistente la solicitări mecanice de mare intensitate, care asigură atenuarea, reflexia, refracția, interferența și difracția favorabilă a valurilor seismice. Se urmărește realizarea unor structuri care delimitează spații cu secțiuni transversale variabile și o mare rezistență la înaintare. Se verifică experimental și se poate demonstra teoretic că viteza valurilor seismice variază aproximativ invers proporțional cu secțiunea transversală, având ca model ecuația de continuitate, Sv = constant, valabilă la curgerea lichidelor prin conducte de secțiune variabilă. Pentru exemplificare, schema simplificată a unei structuri de protecție la tsunami, este formată din pereți verticali, având în plan orizontal înclinări diferite față de direcția de propagare a valurilor seismice. În spațiul divergent delimitat de pereții 1 și 2, viteza valurilor seismice scade iar în spațiul convergent delimitat de pereții 2 și 3 viteza valurilor seismice crește. La traversarea structurii de protecție se produc turbioane de mare intensitate care preiau o mare parte din energia valurilor seismice, având ca efecte benefice scăderea înălțimii și a distanței de înaintare pe uscat volumului de apă care produce inundații. Variația secțiunii transversale a spațiilor dintre pereți se poate relializa și prin construira la baza acestora a unor praguri cu înălțimi diferite. În acest mod se asigură și o mai bună cosolidare a întregii structuri de protecție, care este supusă unor solicitări mecanice de mare intensitate.
Mai multe detalii se pot afla pe site-urile www.praxisinventica.com și www.voxinventica.com.
protelisav@yahoo.com .
|
Prof. Tudor Vasile 6/3/2011 |
Contact: |
|
|
