Гроза

Гроза

Гроза́ — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождем, градом и шквальным усилением ветра.

Гроза относится к одним из самых опасных для человека природных явлений, по количеству зарегистрированных смертных случаев только наводнения приводят к большим людским потерям [1].

География гроз

Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океанам гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные часы. На грозы влияют также географические особенности месности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер [2].

Стадии развития грозового облака

Стадии развития грозового облака.

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть в ледяном. Конвекция приводящая к развитию гроз возникает в следующих случаях:
— при неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окресностях города.
— при подъеме или вытеснении теплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака.
— при подъеме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счет вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и, почти всегда, увеличивают ее повторяемость и интенсивность.

Все грозовые облака, независимо от их типа, последовательно проходят стадии кучевого облака, стадию зрелого грозового облака и стадию распада.

Классификация грозовых облаков

Одно время грозы классифицировались в соответствии с тем, где они наблюдались, -- например, локальные, фронтальные или орографические. В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза.
Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов.

Одноячейковое облако

Цикл жизни одноячейкового облака.

Одноячейковые кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют еще внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры таково облака: поперечный 5-20 км, вертикальный — 8-12 км, продолжительность жизни около 30 минут, иногда до 1 часа. Серьезных изменений погоды после грозы не происходит.
Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humulus). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объему облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счет смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию Cumulus mediocris. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако еще однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком, осадки — не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаятся в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нем достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7-8 км.
Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие и нисходящие воздушные потоки.
На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки которые постепенно охватывают все облако.

Многоячейковые кластерные грозы

Схема многоячейковой грозовой структуры.

Это наиболее распространенный тип гроз связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000км) возмущениями. Многячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовые ячейки находящиеся в стадии зрелости обычно располагаются в центральной части кластера, а распядающиеся ячейки с подветренной стороны кластера. Они имеют поперечные размеры 20—40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течении нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперячейковой грозы.

Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как темная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни, но больше они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России практически не наблюдается.

Суперячейковые грозы

Вертикальная и горизонтальная структура суперячейкового облака.

Суперячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в том, что размер ячейки огромен: диаметр порядка 50 км, высота 10-15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 60 — 80 м/с. Основной особенностью, отличающей суперячейковое облако от облаков других типов является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперячейковом облаке (в радарной терминологии называемым мезоциклоном)создает экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, необходим ветер переменного направления, вызывающий вращение. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровне облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделенными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течении длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалеку от зоны основного восходящего потока (обычно смещенные к задней части грозы).

Физические характеристики грозовых облаков

Самолетные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8 - 10 км и живет порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек находящихся в различных стадиях развития и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятки километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

Восходящие и нисходящие потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0.5 до 2.5 км и высоту от 3 до 8 км. Иногда диаметр восходящего потока может достигать 4 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше располрженными потокам. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с, и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Исследовательские самолеты, пролетающие сквозь грозовое облако на высоте 10 000 м, регистрируют скорость восходящих потоков свыше 30 м/с. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

Шквалы

В некоторых грозах возникают интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км в диаметре может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно теплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождем. Однако, если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков или virga) и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьезной опасностью для самолетов, особенно во время взлета или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

Вертикальное развитие

В общем случае, активное конвективное облако будет подниматься до тех пор, пока оно не утратит плавучесть. Потеря плавучести связана с нагрузкой, создаваемой образовавшимися в облачной среде осадками, или смешением с окружающим сухим холодным воздухом, или комбинацией этих двух процессов. Рост облака также может быть остановлен слоем блокирующей инверсии, т.е. слоем, где температура воздуха слабо понижается, остается постоянной или растет с высотой. Обычно грозы достигают высоты порядка 10 км, но иногда достигают высот более 20 км. Когда влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки то при благоприятном ветре гроза может вырасти до тропопаузы, слоя отделяющего тропосферу от стратосферы. Тропопауза характеризуется температурой, остающейся приблизительно постоянной с ростом высоты и известной как область высокой стабильности. Как только восходящий поток начинает приближаться к стратосфере то довольно скоро воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха и рост вершины останавливается. Высота тропопаузы зависит от широты местности и от сезона года. Она варьируется от 10км до 15км и выше всего вблизи экватора.

Когда кучевое конвективное облако достигает блокирующего слоя инверсии тропопаузы оно начинает растекаться в стороны и образует характерную для грозовых облаков "наковальню". Ветер на дующий на высоте наковальни обычно сносит облачный материал по направлению ветра.

Турбулентность

Самолет, пролетающий сквозь грозовое облако, обычно попадает в болтанку, бросающую самолет вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создает ощущение дискомфорта для экипажа самолета и пассажиров и вызывает нежелательные нагрузки на самолет. Турбулентность измеряется разными единицами но чаще ее определяют в единицах g: -- ускорении свободного падения (9.8 метров в секунду за секунду). Шквал в один g создает опасную для самолетов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трех g.

Движение гроз

Движение грозового облака относительно земли определяется, прежде всего, взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в средних слоях атмосферы в которых развивается гроза. Скорость перемещения изолированной грозы обычно порядка 20 км/час, но некоторые грозы двигаются гораздо быстрее. В экстремальных ситуациях суперячейковое облако может двигаться со скоростями 65 -- 80 км/час. В большинстве гроз по мере рассеивания старых грозовых ячеек последовательно возникают новые грозовые ячейки. При слабом ветре отдельная ячейка за время своей жизни может пройти совсем небольшой путь, меньше чем пара километров; однако в более крупных грозах новые ячейки запускаются нисходящим потоком, вытекающим из зрелой ячейки, что дает впечатление быстрого движения не всегда совпадающего с направлением ветра. В больших многоячейковых грозах существует закономерность, когда новая ячейка формируется справа по направлению несущего воздушного потока в северном полушарии и слева от направления несущего потока в южном полушарии.

Энергия

Энергия, которая приводит в действие грозу, заключена в скрытой теплоте, высвобождающейся, когда водяной пар конденсируется и образует облачные капли. На каждый грамм конденсирующейся в атмосфере воды высвобождается приблизительно 600 калорий тепла. Когда водяные кали замерзают в верхней части облака, дополнительно высвобождается еще около 80 калорий на грамм. Высвобождающаяся скрытая тепловая энергия частично преобразуется в кинетическую энергию восходящего потока. Грубая оценка общей энергии грозы может быть сделана на основе общего количества воды выпавшей в виде осадков из облака. Типичной является энергия порядка 100 миллионов киловатт-часов, что по приблизительной оценке эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн (правда эта энергия выделяется в гораздо большем объеме пространства и за гораздо большее время). Большие многоячейковые грозы легко могут обладать энергией и в 10 и в 100 раз большей.

Погодные явления под грозами

Нисходящие потоки и шквальные фронты

Нисходящие потоки в грозах возникают на высотах где температура воздуха холоднее, чем температура в окружающем пространстве и этот поток становится еще холоднее, когда в нем начинают таять ледяные частицы осадков и испарятся облачные капли. Воздух в нисходящем потоке не только более плотный, чем окружающий воздух, но он несет еще и горизонтальный момент количества движения, отличающийся от окружающего воздуха. Если нисходящий поток возникает, например, на высоте 10 км то он достигнет поверхности земли с горизонтальной скоростью заметно большей, чем скорость ветра у земли. У земли этот воздух выносится вперед перед грозой со скоростью большей, чем скорость движения всего облака. Именно поэтому наблюдатель на земле ощутит приближение грозы по потоку холодного воздуха еще до того как грозовое облако окажется у него над головой. Распространяющийся по земле нисходящий поток образует зону глубиной от 500 метров до 2км с отчетливым различием между холодным воздухом потока и теплым влажным воздухом, из которого формируется гроза. Прохождение такого шквального фронта легко определяется по усилению ветра и внезапному падению температуры. За пять минут температура воздуха может понизиться на 5°C или больше.

В экстремальных случаях фронт шквала, созданный нисходящим потоком, может достичь скорости превышающей 50 м/с, и приносит разрушения домам и посевам. Более часто сильные шквалы возникают, когда организованная линия гроз развивается в условиях сильного ветра на средних высотах. При этом люди могут подумать, что эти разрушения вызваны смерчем. Если нет свидетелей видевших характерное воронкообразное облако смерча, то причину разрушения можно определить по характеру разрушений вызванных ветром. В смерчах разрушения имеют круговую картину, а грозовой шквал, вызванный нисходящим потоком, несет разрушения преимущественно в одном направлении. Следом за холодным воздухом обычно начинается дождь. В некоторых случаях дождевые капли полностью испаряются во время падения, что приводит к сухой грозе. В противоположной ситуации, характерной для сильных многоячейковых и суперячейковых гроз, идет проливной дождь с градом вызывающий внезапные наводнения.

Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/час, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза дает порядка 2,000 кубометров осадков, но крупная гроза может дать в десять раз больше. Большие организованные грозы, связанные с мезомасштабными конвективными системами, могут создать от 10 до 1000 миллионов кубометров осадков.

Электрическая структура грозового облака

Структура электрических зарядов грозового облака в стадии зрелости.

Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менне можно представить обобщенную картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от -5 до -17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объемного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км³. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: -- отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной стуктурой с четырьмя и более зонами объемных зарядов разной полярности.

Ссылки

• Рекомендации специалистов на случаи грозы