Физические характеристики грозовых облаков

Физические характеристики грозовых облаков Самолётные   и   радарные   исследования   показывают,   что   единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8—10 км и живёт 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 десятков 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 расположенными потоками. 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 самолёты, 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 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 тёплого и влажного   воздуха,   то   микрошквал   будет   сопровождаться   интенсивным ливневым дождём. 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  серьёзной опасностью  для  самолётов, особенно во  время взлёта   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,   то   есть   слоем,   где   температура   воздуха   растёт   с высотой.   Обычно   грозовые   облака   достигают   высоты   порядка   10 км,   но иногда   достигают   высот   более   20 км.   Когда   влагосодержание   и нестабильность   атмосферы   высоки,   то   при   благоприятном   ветре   облако 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 8 км в полярных регионах до 18 км и выше вблизи экватора. Когда   кучевое   конвективное   облако   достигает   блокирующего   слоя инверсии   тропопаузы,   оно   начинает   растекаться   в   стороны   и   образует характерную для грозовых облаков «наковальню». Ветер, дующий на высоте наковальни, обычно сносит облачный материал по направлению ветра. Турбулентность Самолёт,   пролетающий   сквозь   грозовое   облако   (залетать   в   кучево­ дождевые   облака   запрещается),   обычно   попадает   в   болтанку,   бросающую самолёт вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создаёт ощущение дискомфорта для экипажа самолёта   и   пассажиров   и   вызывает   нежелательные   нагрузки   на   самолёт. Турбулентность   измеряется   разными   единицами,  но   чаще   её  определяют   в единицах g — ускорения свободного падения (1g = 9,8 м/с2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g. Движение Скорость и движение грозового облака зависит от направления ветра, прежде всего, взаимодействия 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/ч,   но   некоторые   грозы   двигаются   гораздо   быстрее.   В экстремальных ситуациях грозовое облако может двигаться со скоростями 65 —80   км/ч —   во   время   прохождения   активных   холодных   фронтов.   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   двух   километров;   однако   в   более   крупных   грозах   новые   ячейки запускаются нисходящим потоком, вытекающим из зрелой ячейки, что создаёт 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   капли замерзают в верхней части облака, дополнительно высвобождается ещё 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   киловатт­часов,   что   по   приблизительной   оценке   эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн (правда, эта энергия выделяется в гораздо большем   объёме   пространства   и   за   гораздо   большее   время).   Большие многоячейковые   грозы   могут   обладать   энергией   в   десятки   и   сотни   раз большей.