Makarieva A.M., Gorshkov V.G. (2009) Condensation-induced kinematics and dynamics of cyclones, hurricanes and tornadoes. Physics Letters A, 373, 4201-4205. PDF (0.4 Mb).
Abstract
A universal equation is obtained for air pressure and wind velocity in cyclones, hurricanes and tornadoes as dependent on the distance from the center of the considered wind pattern driven by water vapor condensation. The obtained theoretical estimates of the horizontal profiles of air pressure and wind velocity, eye and wind wall radius in hurricanes and tornadoes and maximum values of the radial, tangential and vertical velocity components are in good agreement with empirical evidence.

Notes

Air pressure at the Earth's surface is approximately equal to air weight in the atmospheric column. Weight is proportional to the number of gas molecules in the column. Condensation removes water vapor from the gas phase, reduces the weight of air column and, hence, air pressure at the surface. In the result, air starts to stream from the neighborhood to the area where condensation takes place. It brings together more water vapor, which sustains condensation and low surface pressure. As long as there is enough water vapor in the incoming air, the winds will persist. Whether it will be a mild wind of the forest moisture pump, a violent hurricane or a tornado, will depend on the horizontal size of the area where condensation takes place. In this paper it is shown how the new theory of condensation-induced atmospheric circulation reproduces wind velocity profiles in hurricanes and tornadoes as dependent on the distance from the center of the considered wind structure.

Торнадо
Like animals feeding on plants, hurricanes and tornadoes feed on potential energy of water vapor and have to move on when it is locally depleted.

How does that relate to biotic regulation? Hurricanes and tornadoes arise as compact spatial and temporal fluctuations of the condensation process. Natural forests create a non-random spatial scale for condensation preventing dangerous fluctuations. Condensation no longer erratically occurs over a variety of scales. It is consistently more intense over the natural forest canopy than over the ocean. Hence, winds blow from the ocean to the forest-covered continent along several thousand kilometers. For such a large circulation pattern surface friction is substantial, so violent winds do not form. Circulation fluctuations are smoothed, hurricanes and tornadoes do not develop either on land or in the ocean. Extensive forest cover precludes formation of such weather extremes both on the continent and on the adjacent oceanic area by smoothing the temporal and spatial fluctuations of condensation processes. Forest recovery not only is a guarantee of a stable regional runoff and water cycle, but will also protect the continent against the threat of hurricanes and tornadoes.

Макарьева А.М., Горшков В.Г. (2009) Конденсационная кинематика и динамика циклонов, ураганов и смерчей. Physics Letters A, 373, 4201-4205. PDF (0.3 Мб). Русский перевод выполнен авторами.
Аннотация
Получено уравнение для радиальной, тангенциальной и вертикальной скоростей ветра в циклонах, ураганах и смерчах в зависимости от расстояния от центра ветровой структуры, энергетика которых определяется конденсацией водяного пара. Теоретические результаты для профилей перепада давления, скоростей ветра, радиусов ветровой стены, глаза урагана и смерча, максимальных значений радиальных, тангенциальных и вертикальных скоростей ветра находятся в согласии с эмпирическими данными.

Примечания

Давление воздуха на поверхности Земли приближенно совпадает с весом воздушного столба, который пропорционален числу молекул газа в столбе. При конденсации водяного пара и исчезновении его из газовой фазы вес воздушного столба уменьшается. Следовательно, возникает область пониженного давления. Как результат, воздух из соседних областей устремляется туда, где происходит конденсация. Вместе с ветром в область конденсации поступает и водяной пар. Приток водяного пара поддерживает процесс конденсации и пониженное давление воздуха у поверхности. До тех пор, пока в поступающем в область конденсации воздухе достаточно водяного пара, ветер будет продолжать дуть. Будет ли это безопасный ветер средней силы, связанный с работой лесного насоса атмосферной влаги, разрушительный ураган или торнадо, зависит от горизонтального размера области, в которой происходит конденсация. В этой статье из новой конденсационной теории атмосферной циркуляции получены профили скоростей для ураганов и торнадо в зависимости от расстояния до центра рассматриваемой ветровой структуры.

Торнадо
Подобно животным, питающимся растениями, ураганы и торнадо "питаются" потенциальной энергией водяного пара и должны перемещаться по мере того, как локальные запасы водяного пара истощаются в ходе конденсации.

Как это относится к биотической регуляции? Ураганы и торнадо возникают как пространственные и временные компактные флуктуации процесса конденсации в отсутствие выделенного пространственного масштаба. Когда тысячи километров суши покрыты естественным лесом, масштаб процесса конденсации задается протяженностью леса. На таком большом масштабе поверхностное трение становится существенным, и ветер ураганной силы возникнуть не может. Флуктуации процесса конденсации сглаживаются, ураганы и торнадо не возникают ни на континенте, ни на прилегающем к континенту океане на расстоянии порядка тысячи километров от берега. Поэтому лес не только снабжает континент водой, но и препятствует возникновению ураганов в океане рядом с покрытым лесом континентом.