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.
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, ноиногда 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 воздушногопотока 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.