Гроза, ливень, град, шквал, смерч… Что их объединяет?

Начался теплый период года. И совсем другие облака стали занимать небесное пространство. Уже нет низких серых нескончаемых облачных массивов, закрывающих сразу весь небосвод. На смену им пришли другие облака, которые динамично, буквально на глазах, вырастают вверх на несколько километров. Их так и называют облака вертикального развития, или конвективные облака. Они могут простираться сквозь всю толщу тропосферы, иногда их вершины могут пробивать тропопаузу и проникать в стратосферу.

Чем опасна глубокая конвекция?

Глубокая, проникающая (в стратосферу) – так характеризуют интенсивную конвекцию в атмосфере метеорологи. Конвекция  развивается в неустойчивой атмосфере, когда воздушные массы у поверхности земли, оказываются легче, чем воздух, расположенный в более высоких слоях - начинается интенсивное перемешивание воздуха по вертикали. Подъем воздушных масс вызывает их охлаждение, происходит конденсация водяного пара с выделением колоссального количества скрытого тепла. И, чем больше относительная влажность и чем выше температура в нижележащих слоях, тем больше неустойчивость, тем выше могут быть развивающиеся облака. Ливни, выпадающие из них, сопровождаются молниевыми разрядами, громом, градом, при этом отмечаются шквалы, иногда образуются смерчи. Все это, даже когда каждое из явлений не достигает критерия опасного гидромететрологического явления, в сочетании может стать комплексом неблагоприятных условий погоды. Они могут нанести вред людям, животным, экономике, инфраструктуре. Очень сильные ливни могут привести к паводкам на реках, вызвать внезапные (быстро развивающиеся) наводнения. Интенсивная грозовая деятельность представляет большую опасность для авиации, как на эшелонах полетов воздушных судов, так и в зоне взлета и посадки.

В какое время чаще всего отмечаются грозы?

Наиболее высокая повторяемость этих явлений наблюдается в теплое время года, особенно в его первой половине, что объясняется, прежде всего, глобальными причинами. Говорят: «Конвекция идет за солнцем». После схода снежного покрова происходит интенсивный прогрев поверхности, от которой нагреваются воздушные массы. Повышение их температуры приводит и к увеличению возможности впитывать влагу, которая может испаряться с поверхности -  почв, водоемов, растительности. Это и создает термодинамическую неустойчивость в приземном слое - объемы теплого и влажного воздуха приобретают плавучесть, и поднимаются вверх. Атмосфера, в отличие от зимнего периода, в теплое полугодие начинает активно «двигаться» по вертикали, что приводит к частому развитию вертикальной облачности.

Уже на этом крупномасштабном фоне причины следующего уровня, как-то атмосферные фронты, горный рельеф, различия свойств подстилающей поверхности, граница, суша-море, перемещение воздушных масс, адвекция тепла и холода по высотам, и т.д., приводящие к вынужденному подъему воздушных масс, придают каждому конкретному случаю свою индивидуальность. Высокая, но все же меньшая, вероятность возникновения связанных с конвекцией явлений, отмечается и во второй половине теплого периода. Что касается интенсивности ливней, гроз и шквалов, то максимальной она бывает в средней полосе ЕТР в июне-первой половине августа. При этом не исключается ее вероятность ранее и позже этого периода. При прочих равных условиях, конвекция бывает наиболее интенсивна в дневное время суток (тоже следует за солнцем). Повторяемость ливней, гроз, града, шквалов максимальна в период с 12 до 19 часов.

Что известно о грозовом облаке?

В среднем считается, что грозовое облако имеет в диаметре 20 км и продолжительность его жизни составляет 30 мин. В каждый момент на Земном шаре насчитывается, по разным оценкам от 1800 до 2000 грозовых облаков. Это соответствует ежегодным 100000 грозам на планете. Примерно 10% из них становятся крайне опасными.

Как формируется грозовое облако?

В общем случае атмосфера должна быть неустойчивой - воздушные массы у поверхности земли должны быть легче, чем воздух, расположенный в более высоких слоях. Это возможно при прогреве подстилающей поверхности и от нее – воздушной массы, а также наличие высокой влажность воздуха, что является наиболее распространенным. Возможно, вследствие каких-то динамических причин, и поступление более холодных воздушных масс в вышележащие слои. В результате в атмосфере объемы более теплого и влажного воздуха, получая плавучесть, устремляются вверх, а более холодные частицы из верхних слоев опускаются вниз. Таким образом происходит транспортировка тепла, которое получает поверхность земли от солнца, в вышележащие слои атмосферы. Такая конвекция называется свободной. В зонах атмосферных фронтов, в горах она усиливается и вынужденным механизмом подъема воздушных масс.

Водяной пар, содержащийся в поднимающемся воздухе, остывает, конденсируется, образуя облака и выделяя тепло. Облака растут вверх, достигая высоты, где отмечается отрицательная температура. Часть облачных частиц замерзает, а часть остается жидкими. И те, и другие имеют электрический заряд. Ледяные частички обычно имеют положительный заряд, а жидкие – отрицательный. Частицы продолжают расти, и начинают осаждаться в гравитационном поле - образуются осадки. Происходит накопление объемных зарядов. В верхней части облака образуется положительный заряд, а внизу – отрицательный (на самом деле отмечается более сложная структура, может отмечаться 4 объемных заряда, иногда она может быть инверсионной, и т.д.). Когда напряженность электрического поля достигает критического значения, происходит разряд – мы видим молнию и, через некоторое время, слышим исходящую от нее звуковую волну, или гром.

Стадии развития грозового облака

Обычно грозовое облако в течение жизненного цикла проходит три стадии: образования, максимального развития и диссипации.

На первой стадии кучевые облака растут вверх за счет восходящих движений воздуха. Кучевые облака предстают в виде красивых белых башен. На этой стадии нет осадков, но молнии не исключаются. Это может продолжаться около 10 минут.

На стадии максимального развития в облаке по-прежнему продолжаются восходящие движения, но в то же время из облака уже начинают выпадать осадки, и появляются сильные нисходящие движения. И когда этот нисходящий охлажденный поток с осадками достигает земли, формируется фронт порывистости, или линия шквалов. Стадия максимального развития облака – время наибольшей вероятности сильного ливня, града, частых молний, шквалов и смерчей. Облако обычно имеет темную окраску. Эта стадия продолжается от 10 до 20 минут, но может быть и дольше.

В конце концов, осадки и нисходящие потоки начинают размывать облако. У поверхности земли линия шквалов уходит далеко от облака, отрезая его от питавшего источника теплого и влажного воздуха. Интенсивность дождя уменьшается, но молнии еще продолжают представлять опасность.

Типы грозовых облаков

Одноячейковое облако

Одноячейковое облако обычно существует 20-30 минут. Такое облако – достаточно редкое явление, поскольку фронт порывистости одного облака может стать спусковым механизмом для образования облака в непосредственной близости.

Чаще всего одиночные облака не приводят к возникновению опасных явлений погоды. Восходящий и нисходящий потоки, сформированные в таких облаках, недостаточно мощны для этого. Тем не менее, иногда и они могут спровоцировать пусть и небольшой продолжительности сильный ливень, град, грозу, шквал и даже слабый смерч. Степень неустойчивости в атмосфере при образовании таких облаков не очень большая, и для конвекции не свойственна четкая организация. Одноячейковые облака, как правило, образуются в случайных местах и в случайные моменты времени, что делает их очень трудно прогнозируемыми.

Мультиячейковое облако

Мультиячейковая линия неустойчивости или линия шквалов состоит из целой вытянутой гряды кучево-дождевых облаков с хорошо выраженным фронтом порывистости, расположенным перед облачным массивом. Линия шквалов может продуцировать град размером с мяч для гольфа, сильные дожди и слабые смерчи, но главной ее особенностью остается сильнейший нисходящий поток. Иногда сильный нисходящий поток может ускоряться, и небольшой участок линии шквалов может оторваться вперед от основной линии. Так получается «луковое» (или «подковообразное» или «дуговое») эхо (англ. «bow echo» чаще переводят как «луковое эхо», главное, имеется в виду форма радиоэхо – это радарное эхо в виде полосы, изогнутой как лук или дуга). Разрушительные ветры часто наблюдаются около вершины такой линии. На любом конечном участке дуги может развиться замкнутая циркуляция, иногда это приводит к образованию торнадо, особенно в левой (чаще северной) части, где циркуляция будет циклонической). Такая структура может развиться не только на линии шквалов, но и при изолированном облаке. Однако его трудно определить визуально, но на экране радара (доплеровского) видно хорошо.

Суперячейковое облако

Суперячейковое облако – это высоко организованная структура. Они встречаются редко, но представляют наибольшую опасность для людей и инфраструктуры. Суперячейковое облако подобно одноячейковому, тоже имеет один главный восходящий поток. Отличие заключается в том, что в суперячейком облаке восходящий поток очень мощный, скорости в нем достигают 240-260 км/ч (60-80 м/с). Главной характеристикой отличающей этот вид облаков от других является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток (когда он становится виден на экране радара, его называют мезоциклоном) способствует возникновению экстремальных погодных событий, таких как гигантский град (диаметром более 5 см), сильных порывов ветра (более 40 м/с) и сильных смерчей.

Окружающая среда – это сильный фактор в организации структуры. Воздух, втекающий с разных направлений, поддерживает вращение. Осадки формируются в мощном восходящем потоке, затем их увлекает сильный нисходящий поток. Едва ли осадки могут падать вниз сквозь восходящий поток, и это поддерживает большую продолжительность существования системы – она не разрушается. На переднем крае зоны осадков обычно отмечается слабый дождь. Сильные ливни наблюдаются ближе к восходящему потоку, очень сильные ливни и град выпадают к северу и востоку от основной части восходящего потока. Область, расположенная около главного восходящего потока, отличается наиболее сильными проявлениями суровой погоды.

Как выглядят грозовые облака?

Грозовые облака могут выглядеть как большая цветная капуста или могут иметь «наковальню». Наковальня – это плоское облачное образование на вершине грозового облака. Она появляется, когда восходящий теплый воздух достигает высоты, где температура окружающего воздуха примерно такая же (уровень выравнивания температуры). Рост облака внезапно прекращается – тогда и появляется плоская наковальня. Если поток воздуха очень мощный, то над наковальней может образоваться пузырь, возвышающийся над наковальней. Такое происходит часто в течение нескольких минут. Но, если возвышающийся пузырь существует более 10 минут, то это говорит о высокой вероятности того, что облако способно произвести опасные явления погоды. Так что по форме наковальни можно оценить степень опасности грозового облака.

Почему происходят молнии?

В поднимающемся воздухе в грозовом облаке образуются маленькие ледяные кристаллы и более крупные частички, снежинки и льдинки. Маленькие ледяные кристаллы поднимаются в восходящем потоке вверх к вершине облака, а более крупные и тяжелые частицы тоже могут медленно подниматься вверх или начинают падать вниз. Частицы могут ударяться друг о друга и получать при этом электрический заряд. Мелкие частички приобретают положительный заряд, а крупные – отрицательный. В результате верхняя часть облака оказывается положительно заряженной, средняя и нижняя – отрицательно. В то же время земля под облаком приобретает положительный заряд. Когда разница зарядов между землей и облаком становится очень большой, то развивается кондуктивный канал между облаком и землей, и маленький заряд (лидер) движется по нему к земле. Когда он около земли, восходящий лидер противоположного заряда соединяется с первым лидером. При соединении мощный разряд происходит между облаком и замлей. Мы видим этот разряд как яркую вспышку-молнию.

Факты о молнии

Во время грозы безопасных мест на открытом воздухе почти нет.

Подавляющее большинство жертв подвергались ударам молний во время поисков безопасного места, которые оказывались достаточно далеко.

Более 80% смертельных исходов от ударов молний приходится на мужчин в возрасте от 15 до 40 лет. Возможно, потому что они более активны и чаще находятся на открытом воздухе.

Инциденты происходят главным образом в середине дня и вечером.

Энергия молниевой вспышки – колоссальна, она может обеспечить свечение 100-ваттовой лампы в течение 3 месяцев. В результате ударов молнии возникают многочисленные природные пожары.

Воздушный канал, по которому продвигается молния, может разогреваться до 10000-33000°С – это выше, чем температура поверхности солнца. Стремительный разогрев, а затем остывание вызывают взрывную волну, которая превращается в звук, и мы слышим гром.

Как далеко находится гроза?

Во время непогоды годится такой упрощенный алгоритм расчета. (По-хорошему, конечно, время, прошедшее с момента молниевой вспышки надо умножить на скорость звука, который, кстати, зависит от влажности). Но можно посчитать секунды между вспышкой молнии и звуком, грома. Звук пролетает 1 км примерно за 3 секунды. Надо разделить количество секунд, которые прошли от момента вспышки до того как вы услышали гром, на 3 и получится расстояние до грозы в километрах. Например, если гром был слышен через 6 секунд после вспышки, значит, молния сверкнула в двух километрах. 

Помните, что если вы на улице и можете слышать гром, вы находитесь в опасности быть ударенным молнией.

Почти всей инциденты, связанные с молниями случаются на открытом воздухе. Вот обстоятельства, при которых в последние время это отмечается чаще всего:

катание на лодках, верховая езда на лошадях, езда на газонокосилках, игра в гольф, восхождение по горам, нахождение в палатках, стояние под деревом, плавание, спортивные игры, наблюдение за штормом, вождение грузовиков, рыбалка, бег по воде.

Мифы и факты

Шквал

Шквалы – сильный, порывистый ветер, не связанный со смерчевым вращением. На долю этих ветров приходится большая часть разрушений.

Скорость шквала может достигать 125 м/ч. Нисходящий поток воздуха быстро опускается из грозового облака к земле. Он способен произвести такие же разрушения, как сильный торнадо. Он представляет крайнюю опасность для авиации.

Сухой шквал – шквал который проходит без дождя или с небольшим дождем.

Смерч (в Америке «торнадо»)

Смерч (тромб, торнадо) - это интенсивный вихрь с квазивертикальной осью, опускающийся из кучево-дождевого облака к земле.

Смерч — явление локальное. В силу малой повторяемости и небольших размеров смерчей крайне редки случаи, когда удается с помощью обычных метеорологических наблюдений измерить характеристики смерча. Поэтому каждый случай непосредственных измерений смерча представляет интерес для выяснения физической сущности его образования. Наиболее полные данные имеются у специалистов NOAA, т.к. из около 2000 смерчей (торнадо), ежегодно образующихся на планете, около 1300 наблюдаются на территории США.

Смерч может оставаться почти невидимым, пока он не затянет в свою циркуляцию пыль и обломки или пока внутри воронки не начнется образовываться облако. Средний смерч движется с юго-запада на северо-восток. Но на самом деле смерч может двигаться в любом направлении.

Средняя скорость смерча составляет 13 м/с, но может достигать и 30 м/с.

По косвенным оценкам максимальная скорость ветра в смерче может достигать 200-300 м/с. Самый сильный торнадо, зафиксированный в Америке, имел скорость почти 90 м/с. 322 км/ч

Смерч причиняет катастрофические разрушения вследствие весьма значительной силы ветрового напора и большой разности давления в нем и в окружающем пространстве. Обычно смерч опускается из кучево-дождевого облака, называемого материнским облаком, к поверхности суши или моря, втягивая в себя пыль, песок, камни, траву и воду. С приближением смерча слышен очень сильный шум, создаваемый ветром при столкновении различных предметов, втянутых в разреженную центральную область смерча.

Длительность существования смерча небольшая: от нескольких минут до нескольких часов, длина пути составляет в среднем 5—10 км, иногда более 30 км (в США длина пути торнадо может достигать 100 км и более). Скорость движения смерча различна: от 10—20 до 60—70 км/ч и более, что в основном обусловлено характером распределения ветра в средней тропосфере. На территории бывшего СССР смерчи — сравнительно редкое явление. Они наблюдаются в Прибалтике, Белоруссии, на Украине, в Центральных областях, в Поволжье, на Урале и в Сибири. Водяные смерчи бывают у Черноморского побережья Кавказа, у берегов Крыма, над северо-западной частью Черного моря, у побережья Куршского и Рижского заливов.

Смерчи обычно наблюдаются в теплое время года, они отмечаются в любое время суток.

Шкала Фуджиты, определяющая категорию опасности торнадо, основана на оценке скорости ветра и производимых разрушений:

Как формируется смерч?

Образование смерчей в большой степени обусловлено неустойчивостью стратификации атмосферы. Однако образование смерчей даже при большой неустойчивости атмосферы происходит крайне редко. Необходимо существование в атмосфере и других благоприятные для их образования условий.

Смерчи обычно связаны с двумя типами мезомасштабной циркуляции:

- с облаками, имеющими горизонтальную ось вращения (крутящийся облачный вал), наблюдающимися на линиях неустойчивости (линиях шквалов) перед быстро движущимися холодными фронтами.

- с облаками, вращающимися вокруг вертикальной оси. Последний тип циркуляции чаще встречается на холодных фронтах, вдоль которых перемещаются мезомасштабные циклонические вихри.

В передней части материнского облака первоначально, до возникновения смерча, существует крутящийся по ходу движения облачный вал. Чаще всего смерчи возникают с правой стороны облака (по направлению его перемещения), представляя собой как бы продолжение правой части крутящегося вала, при этом наблюдается циклоническое вращение ветра. Имеют место случаи, когда в смерче происходит и антициклоническое вращение ветра.

Смерчи связаны с мезомасштабной циклонической циркуляцией в слоях выше смерча, диаметр которой от нескольких километров до 50 км, а по высоте она распространяется до 10—12 км. Такой тип циркуляции называют «циклон-торнадо». На экране радиолокатора циклон-торнадо имеет вид подковообразного образования с просветом в центре.

По данным NOAA, 88% всех торнадо являются слабыми. На их долю приходится менее 5% смертельных случаев. Продолжительность их жизни составляет 1-10 минут. Скорость ветра менее 110 м/ч. Производят разрушения категории EF1.

Сильные торнадо составляют 11 % от всех случаев. Они ответственны примерно за 30% смертельных случаев. Время их жизни составляет 20 и более минут. Скорость ветра в них от 111 до 165 м/ч. Разрушения, производимые ими относятся к категориям EF2 или EF3.

Менее, чем в 1% случает торнадо достигают 4 или 5 категории по шкале Фуджиты. Но на их долю приходится 70% инцидентов со смертельным исходом. Могут просуществовать более 1 часа. Скорость максимального ветра в них более 160 м/с.

Прогноз таких интенсивных вихрей, какими являются смерчи, тромбы, торнадо, крайне важная и сложная задача. Для этого необходима густая сеть доплеровских локаторов. Даже при ее наличии наиболее эффективным оказывается ранее обнаружение и прогноз уже возникших систем.

На экране локатора торнадо выглядит как небольшая область, где красный цвет (обозначающий ветер, движущийся от радара) и зеленый цвет (ветер, дующий в сторону к радару) подходят очень близко друг к другу.
Показано крючкообразное радиоэхо, соответствующее сильному торнадо (карта отражаемости).
Сильный торнадо в Оклахоме, в момент соответствующий радарным наблюдениям.

Мифы и правда о торнадо (по мнению американских метеорологов)

Внезапные наводнения

Внезапные (быстро развивающиеся) наводнения наблюдаются в течение нескольких часов (обычно менее 6 часов) сильных и очень сильных дождей, когда могут прорываться дамбы, когда быстро прорывается вода, скопившаяся выше из-за затора льда.

Внезапные наводнения являются первой причиной по количеству человеческих жертв во время гроз. Более половины случаев утопления бывают, когда в поток воды увлекается транспортное средство. Большинство несчастий, связанных с внезапными наводнениями приходится на ночное время суток. Быстрый поток воды высотой 15 см может сбить с ног человека. Поток высотой 60 см может унести транспортные средства, включая внедорожники и пикапы.

Град

Сильный восходящий поток воздуха переносит вверх грозового облака капли дождя до высот, где при отрицательной температуре они замерзают. Ледяные частицы растут, становятся тяжелыми. Они уже не могут поддерживаться потоками воздуха и начинают падать вниз. Град размером больше ледяной крупы (с которой его часто путают), он формируется только во время грозы.  

Большие градины могут падать со скоростью 100 м/ч. В США нередко наблюдаются градины размером 15-20 см, длиной окружности до 42-47 см и весом более 700 граммов. 23 июля 2010 года в Вивиане, Южная Дакота, выпал град невероятных размеров. Одну из градин, которую удалось сохранить в холодильнике, американские метеорологи зарегистрировали как рекордную. Ее диаметр около 20 см, окружность 47,3 см. А вес 880  граммов.

На юге России также часто отмечается крупный град. Опасным явлением считается град, размеры частиц которого 20 мм и более, и выпадающий в течение любого периода.

Но что-то хорошее в грозе должно быть?

Природа не могла придумать грозу и все, что ей сопутствует, только для того, чтобы пополнить список природных опасностей.

Грозовые облака – это главный путь для атмосферы реализовать энергию. При образовании облака в неустойчивой атмосфере выделяется колоссальное количество тепла. Оно служит источником огромной энергии грозовых облаков, которая, главным образом, расходуется на выпадение осадков, которые в подавляющем числе случаев приносят пользу. 

Грозы позволяют поддерживать электрический баланс. Земная поверхность и атмосфера являются проводниками. Обычно земная поверхность заряжена отрицательно, а атмосфера – положительно. Всегда существует поток электронов, направленный изнутри планеты через ее поверхность вверх. Грозы позволяют переносить отрицательный заряд обратно в Землю (молнии заряжены отрицательно). При отсутствии гроз электрический баланс земля-атмосфера исчез бы за 5 минут. И неизвестно, чем бы все это закончилось в действительности!  (Правда, грозы не являются единственным механизмом, поддерживающим этот баланс. Кроме него работают еще солнечный ветер и ветер ионосферы).

Конечно же, такие глобальные эффекты очень много значат для нашей жизни. Но гораздо проще нам ощутить положительные эмоции, если, после соблюдения всех правил поведения и мер предосторожности,  выйти на улицу после грозы и вдохнуть полной грудью чистый и свежий воздух, наполненный ароматами озона и растений, выделяющих эфирные масла. Ливни освобождают воздух от вредных примесей -  пыли, пыльцы, аэрозолей, которые оседают на землю.

Во время грозы образуются оксиды азота и азотная кислота, которые действуют как естественные удобрения для растений, помогая им лучше генерировать необходимые для жизнедеятельности вещества.

Оказывается, существуют и безвременные свидетели стремительных молний. Это фульгуриты – «окаменевшие молнии». С латинского слово «фульгурит» переводится как «блестящий, светящийся ожог». Они появляются в результате удара молнии в поверхность земли, когда находящиеся там минералы плавятся под воздействие высокой температуры и электрического разряда. В результате они представляют собой твердые предметы, похожие на гладкие изогнутые стеклянные трубки. Их форма и размеры зависят от силы разряда молнии и минерального состава почвы. Чаще всего они встречаются в песчаной местности — на побережье или в пустыне.

Конечно же, гроза просто завораживает своей дикой красотой и мощью. Молнии – это одна из самых любимых и частых тем фотографий – обычных и художественных.

А как хороши радуги после дождя (в светлое время суток)!..