Энергия типичного смерча радиусом 1 км со средней скоростью 70 м/с, по оценкам С. А. Арсеньева, А. Ю. Губаря и В. Н. Николаевского, равна энергии атомной бомбы в 20 килотонн тротила, подобной первой атомной бомбе, взорванной США во время испытаний «Тринити» в Нью-Мексико 16 июля 1945 года. Форма смерчей может быть многообразной — колонна, конус, бокал, бочка, бичеподобная веревка, песочные часы, «рога дьявола» и т. п., но чаще всего смерчи имеют форму вращающегося хобота, трубы или воронки, свисающей из материнского облака (отсюда и их названия: tromb — труба по-французски и tornado — вертящийся по-испански). Вращение в смерчах происходит против часовой стрелки, как и в циклонах Северного полушария Земли.
Смерчи часто образуются на тропосферных фронтах — границах раздела в нижнем 10-километровом слое атмосферы, которые отделяют воздушные массы с различными скоростями ветра, температурой и влажностью воздуха. В области холодного фронта (холодный воздух натекает на теплый) атмосфера особенно неустойчива и формирует в материнском облаке смерч и ниже его — множество быстро вращающихся турбулентных вихрей. Сильные холодные фронты образуются в весенне-летний и осенний период. Они отделяют, например, холодный и сухой воздух из Канады от теплого и влажного воздуха из Мексиканского залива или из Атлантического (Тихого) океана над территорией США. Известны случаи возникновения небольших смерчей в ясную погоду при отсутствии облаков над перегретой поверхностью пустыни или океана. Они могут быть совершенно прозрачными, и лишь нижняя часть, запыленная песком или водой, делает их видимыми.
Наблюдаются смерчи и на других планетах Солнечной системы, например на Нептуне и Юпитере. М. Ф. Иванов, Ф. Ф. Каменец, А. М. Пухов и В. Е. Фортов изучали образование торнадоподобных вихревых структур в атмосфере Юпитера при падении на него осколков кометы Шумейкера — Леви. На Марсе сильные смерчи не могут возникнуть из-за разреженности атмосферы и очень низкого давления. На Венере, наоборот, вероятность возникновения мощных торнадо велика, так как она имеет плотную атмосферу, открытую в 1761 году М. В. Ломоносовым. К сожалению, на Венере сплошной облачный слой толщиной около 20 км скрывает ее нижние слои для наблюдателей, находящихся на Земле. Автоматические станции обнаружили на этой планете в облаках ветер до 100 м/с при плотности воздуха, превышающей в 50 раз плотность воздуха на Земле на уровне моря, однако смерчей они не наблюдали. Впрочем, время пребывания автоматических межпланетных станций на Венере было кратким, и сообщения о смерчах на Венере можно ожидать в будущем. Вероятно, смерчи на Венере возникают в зоне границы, отделяющей темную холодную сторону очень медленно вращающейся планеты от освещенной и нагретой Солнцем стороны. В пользу этого предположения говорит открытие на Венере и Юпитере грозовых молний, обычных спутников смерчей и торнадо на Земле.
Смерчи и торнадо надо отличать от образующихся на атмосферных фронтах шквальных бурь, характеризующихся быстрым (в течение 15 минут) возрастанием скорости ветра до 33 м/с и затем ее убыванием до 1–2 м/с (также в течение 15 минут). Шквальные бури ломают деревья в лесу, могут разрушить легкое строение, а на море могут даже потопить корабль. Так, 19 сентября 1893 года броненосец «Русалка» в Балтийском море был опрокинут шквалом и сразу же затонул. Погибли 178 человек экипажа. Некоторые шквальные бури, возникшие в холодном атмосферном фронте, достигают стадии смерча, но обычно они слабее и не образуют воздушных воронок.
Давление воздуха в циклонах понижено, а в смерчах падение давления может быть очень сильным, до 666 мбар при нормальном атмосферном давлении 1013,25 мбар. Масса воздуха в торнадо вращается вокруг общего центра (глаза бури, где наблюдается затишье), и средняя скорость ветра может достигать 200 м/с, вызывая катастрофические разрушения, часто с человеческими жертвами. Внутри торнадо есть более мелкие турбулентные вихри, которые вращаются со скоростью, превышающей скорость звука (320 м/с). С гиперзвуковыми турбулентными вихрями связаны самые злые и жестокие проделки смерчей и торнадо, которые разрывают людей и животных на части или сдирают с них кожу или шкуру. Пониженное давление внутри смерчей и торнадо создает эффект насоса, т. е. втягивания окружающего воздуха, воды, пыли и предметов, людей и животных внутрь тромба. Этот же эффект приводит к подъему и взрыву домов, попадающих в депрессионную воронку. Связь циклонов с понижением давления воздуха была отмечена еще в 1690 г. немецким ученым Г. В. Лейбницем. С тех пор барометр остается наиболее простым и надежным прибором для прогноза начала и конца торнадо и ураганов.
В России наибольшую известность получили московские смерчи 1904 года, описанные в столичных журнальных и газетных публикациях со слов многочисленных очевидцев. Они содержат все основные черты типичных смерчей русской равнины, наблюдающихся и в других ее частях (Тверская, Курская, Ярославская, Костромская, Тамбовская, Ростовская и другие области).
Русское слово смерч происходит от слова сумрак, поскольку смерчи появляются из черных грозовых облаков, застилающих небо. Первое упоминание о смерче в России относится к 1406 году. Троицкая летопись сообщает, что под Нижним Новгородом «вихорь страшен зело» поднял в воздух упряжку вместе с лошадью и человеком и унес так, что они стали «невидимы бысть». На следующий день телегу и мертвую лошадь нашли висящими на дереве по другую сторону Волги, а человек пропал без вести…
29 июня 1904 года над центральной европейской частью России проходил обычный синоптический циклон. В правом сегменте циклона возникло очень большое кучево-дождевое облако высотой 11 км. Оно вышло из Тульской губернии, прошло Московскую и ушло в Ярославскую. Ширина облака была 15–20 км, судя по ширине полосы дождя и града. Когда облако проходило над окраиной Москвы, на нижней его поверхности наблюдали возникновение и исчезновение смерчевых воронок. Направление движения облака совпадало с движением воздуха в синоптических циклонах (против часовой стрелки, в данном случае — с юго-востока на северо-запад). На нижней поверхности грозовой тучи небольшие светлые облака быстро и хаотично двигались в разные стороны.
Постепенно на беспорядочные, турбулентные движения воздуха налагалось упорядоченное среднее движение в виде вращения вокруг общего центра. Вдруг из облака свесилась серая остроконечная воронка, которая не достигла поверхности Земли и была втянута обратно в облако. Через несколько минут рядом возникла другая воронка, которая быстро увеличивалась в размерах и отвисала к земле. Навстречу ей поднялся столб пыли, становившийся все выше и выше. Еще немного — и концы обеих воронок соединились, образовав колонну смерча по направлению движения облака. Она расширялась вверх и все больше увеличивалась. Когда она дошла до деревни Шашино, в небо стали взлетать избы; воздух вокруг колонны наполнился обломками строений и сломанными деревьями.
В это же время западнее, в нескольких километрах от первой, шла вторая колонна. Она двигалась вдоль железной дороги, пройдя через станции Подольск, Климовск и Гривно. Обе колонны врезались в густо застроенные районы Москвы. По мере их продвижения наступала тьма; на одной из улиц столкнулись две кареты. Темнота сопровождалась страшным шумом, ревом и свистом, заглушавшим все вокруг. Выпал град небывалых размеров; отдельные градины, имевшие форму звезды, достигали 400–600 граммов. Прямое попадание такой градины убивало на месте, перерубало толстые ветви деревьев, срывало провода.
Разрушительная сила смерча была ужасающей. В Капотне пострадало 200 домов, в Чагино — 150; большинство из них превратилось в развалины.
Главная колонна смерча пересекла Москву. Большие каменные дома устояли, но крыши везде были сорваны, стропила изломаны, а кое-где пострадали и верхние этажи. Количество жертв превышало сто человек, раненых насчитали 233.
Метеорологи начала XX века оценивали скорость ветра в Московских смерчах в 25 м/с, но прямых измерений скорости ветра не было, поэтому эта цифра ненадежна и должна быть увеличена в два — три раза.
Об этом свидетельствует характер повреждений, например изогнутая железная лестница, носившаяся по воздуху, сорванные крыши домов, поднятые в воздух люди и животные. По данным ученых Физико-астро-номического института, из смерчевого облака в Москве выпало 162 мм осадков.
Особый интерес представляют турбулентные вихри внутри смерча, вращающиеся с большой скоростью, так что поверхность воды, например, в Яузе или в Люблинских прудах при прохождении смерча сначала вскипела и забурлила, как в котле. Затем смерч всосал воду внутрь себя, и дно водоемов и реки обнажилось.
