Kako i zašto nastaje pijavica?

Jučer i danas su se pojavile pijavice diljem naše obale. Što znamo o njima? Zračne vrtloge, koji nisu povezani s oblacima, mogli ste vidjeti ispred svoje zgrade, na cesti ili u dvorištu, i za lijepoga dana, kako podižu prašinu, lišće i papire te ubrzo nestaju. Sigurno ste promatrali rijeke i potoke. Oni gotovo uvijek stvaraju opasne virove, što možemo povezati s njihovim tokom. Općenito, kada je u pitanju gibanje bilo kojeg fluida, stvaranje vrtloga je prije pravilo nego li iznimka. Vodena pijavica je zračni vrtlog koji se u obliku cijevi proteže od površine vode, sve do oblaka. Unatoč svom nazivu, pijavica ne srče vodu, ne puni se vodom iz mora i ne izbija iz vode nego se spušta iz kumulusa. Ono što vidimo kao pijavicu je zapravo kondenzirana vodena para u obliku sitnih kapljica vode, poput oblaka koji struji kroz prozirnu cijev.
Pijavice koje nastaju za lijepog vremena su česte i nisu previše opasne. Povezane su s razvojem kumulusa, ali ne i s olujom. Oblaci iz kojih se spuštaju nisu brzi, pa su uglavnom statične. Olujne pijavice su znatno opasnije. Nastaju pod utjecajem vjetrova i oblaka jakih oluja. Mogu biti vrlo snažne i razorne.
Do stvaranja vodene pijavice obično dolazi kada se hladan zrak giba preko toplog mora pri čemu postoji velika temperaturna razlika između toplog zraka uz morsku površinu i visinskog zraka koji nailazi kao hladna fronta. Uz horizontalno strujanje vjetra, koje već samo po sebi stvara vrtloge, tada se javlja i vertikalno, konvektivno, strujanje toplog zraka prema oblaku. Unutar oblaka postoje vertikalna i s njima uvijek povezana rotacijska gibanja zračnih masa. Ta se gibanja lokalno mogu povezati s vertikalnim strujanjem toplog morskog zraka. Tada nastaje vrtlog uzlaznog zraka, odnosno pijavica.

Prema literaturi razlikujemo pet faza nastanka vodene pijavice:

1. Tamna mrlja. Površina vode poprima taman izgled na mjestu gdje do nje dopire vrtlog stupa rotirajućeg zraka.
2. Spiralni uzorak. Svijetle i tamne trake spiralno izlaze iz tamne mrlje.
3. Prskajući prsten. Oko tamne mrlje uzdiže se kovitlajući prsten morskih mlazova s okom u središtu poput onog u tajfunu.
4. Zreli vrtlog. Vodena pijavica je u najintenzivnijoj fazi. Vidljiva je od površine vode do oblaka i izgleda poput šupljeg lijevka.
5. Razgradnja. Dotok toplog i vlažnog zraka u vrtlog slabi i pijavica se urušava.

Udari olujne pijavice predstavljaju stvarnu prijetnju za plivače i nautičare te za letjelice koji lete u blizini. Prosječna pijavica ima oko 50 metara u promjeru, s obodnom brzinom vjetra od 100 kilometara na sat. Njezin prosječni vijek traje pet do deset minuta. Najveće vodene pijavice mogu imati promjer do 100 metara i trajati od pola do jednog sata.
Tlak zraka unutar pijavice znatno je niži od okolnog atmosferskog tlaka. Pijavice, poput tornada, stvaraju jezgru niskog tlaka zbog brze rotacije zraka oko jezgre. Tlak zraka u središtu može biti od 5 do 10% niži od atmosferskog tlaka, ovisno o brzini vrtnje.

A sada malo fizike.
Za vrtnju kocke stranica 1 m ili jednog metra kubičnog zraka na polumjeru r oko središta pijavice obodnom brzinom od 25 m/s potrebna je centripetalna sila F = mv²/r ili, ako jednadžbu podijelimo s površinom elementa volumena, razlika tlaka Δp između njegove prednje i stražnje stranice, udaljene za Δr = 1m je Δp = ρ∙Δr∙ v²/r, gdje je ρ gustoća zraka. Sad bi taj izraz trebalo integrirati po prstenu zraka koji rotira, na kojem se s povećanjem r mijenja i obodna brzina zraka da bi dobili tlak u središtu, ali mi to nećemo raditi. Pretpostavit je debljina prstena zraka koji se vrti približno jednaka promjeru pijavice r i uzeti da približno vrijedi Δr=r. Tada obivamo Δp = ρ∙ v². Uvrštavanjem dobivamo Δp = 1,3 kg/m³∙ (25 m/s)² = 800 Pa, što je samo oko 1% manje od atmosferskog tlaka! Gdje je greška? Na početku stvaranja pijavice već postoji nevidljivi vrtlog zraka u obliku stupa koji se proteže od površine mora do oblaka, ali je brzina njegove vrtnje još relativno mala. Okolni vlažni i topli zrak ulazi u pijavicu te zbog nižeg tlaka u njezinom središtu naglo ekspandira i adijabatski se hladi. Svoj put nastavlja uzdižući se kroz vrtlog pijavice sve do oblaka. Vrtlog je još nevidljiv jer je pad tlaka zraka u središtu pijavice još relativno mali pa još ne nastaje kondenzacija vodene pare. S povećanjem strujanja povećava se i brzina vrtnje zraka koja dodatno smanjuje tlak u jezgri pijavice. To dodatno povećava vertikalnu struju zraka, struju prema oblaku. Kada ekspanzijom ulazni zrak dosegne temperaturu rosišta, ovaj proces se višestruko pojačava. U njemu nastaje kondenzacija vodene pari, a lijevak pijavice postaje vidljiv poput oblaka. Uzlazna struja zraka u pijavici povlači ga sve do oblaka pa pijavica postaje vidljiva cijelom svojom duljinom. Kondenzacija vode smanjuje parcijalni tlak vode u usisanom zraku i dodatno ga zagrijava što dovodi do još snažnijeg usisavanja okolnog zraka i njegovog bržeg strujanja u oblak.
Pijavica sada ima dodatni izvor energije: vodenu paru. Ona postaje parni stroj koji latentnu toplinu vode iz vlažnog i toplog morskog zraka pretvara u kinetičku energiju strujanja zraka. Zbog toga pijavica dobiva veliku snagu. Vodena para kao izvor energije je razlog zašto se pijavica javlja uglavnom nad morem i zašto brzo nestaje kada naiđe na kopno.