Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Гроза



План:


Введення

Гроза

Гроза - атмосферний явище, при якому всередині хмар або між хмарою і земною поверхнею виникають електричні розряди - блискавки, супроводжувані громом. Як правило, гроза утворюється в потужних купчасто-дощових хмарах і пов'язана з зливовим дощем, градом і шквальним посиленням вітру.

Гроза відноситься до одних з найбільш небезпечних для людини природних явищ, по кількості зареєстрованих смертних випадків тільки повені призводять до великих людських втрат [1].


1. Географія гроз

Global Lightning Frequency.jpg
Розподіл грозових розрядів по поверхні Землі.

Одночасно на Землі діє близько півтора тисяч гроз, середня інтенсивність розрядів оцінюється як 46 блискавок в секунду. По поверхні планети грози розподіляються нерівномірно. Над океаном гроз спостерігається приблизно в десять разів менше, ніж над континентами. У тропічній та субтропічній зоні (від 30 північної широти до 30 південної широти) зосереджено близько 78% всіх блискавичних розрядів. Максимум грозової активності припадає на Центральну Африку. У полярних районах Арктики і Антарктики і над полюсами гроз практично не буває. Інтенсивність гроз слід за сонцем: максимум гроз доводиться на літо (у середніх широтах) і денні післяполуденні годинник. Мінімум зареєстрованих гроз припадає на час перед сходом сонця. На грози впливають також географічні особливості місцевості: сильні грозові центри знаходяться в гірських районах Гімалаїв і Кордильєр [1].

Середньорічна кількість днів з грозою в деяких містах Росії: Архангельськ - 16, Мурманськ - 5, Санкт-Петербург - 18, Москва - 27, Воронеж - 32, Ростов-на-Дону - 27, Астрахань - 15, Самара - 26, Казань - 23, Єкатеринбург - 26, Сиктивкар - 21, Оренбург - 22, Уфа - 29, Омськ - 26, Ханти-Мансійськ - 17, Томськ - 23, Іркутськ - 15, Якутськ - 14, Петропавловськ-Камчатський - 0, Хабаровськ - 20, Владивосток - 9. [2]


2. Стадії розвитку грозової хмари

Tststage.jpg
Стадії розвитку грозової хмари.

Необхідними умовами для виникнення грозової хмари є наявність умов для розвитку конвекції або іншого механізму, що створює висхідні потоки, запасу вологи, достатнього для утворення опадів, і наявності структури, в якій частина хмарних часток знаходиться в рідкому стані, а частина - в крижаному. Конвекція, що призводить до розвитку гроз, виникає в наступних випадках:

  • при нерівномірному нагріванні приземного шару повітря над різної підстилаючої поверхнею. Наприклад, над водною поверхнею та сушею через відмінності в температурі води і грунту. Над великими містами інтенсивність конвекції значно вище, ніж в околицях міста.
  • при підйомі або витісненні теплого повітря холодним на атмосферних фронтах. Атмосферна конвекція на атмосферних фронтах значно інтенсивніше і частіше, ніж при Внутрішньомасові конвекції. Часто фронтальна конвекція розвивається одночасно з шарувато-дощовими хмарами і обложними опадами, що маскує утворюються купчасто-дощові хмари.
  • при підйомі повітря в районах гірських масивів. Навіть невеликі височини на місцевості призводять до посилення утворення хмар (за рахунок вимушеної конвекції). Високі гори створюють особливо складні умови для розвитку конвекції і майже завжди збільшують її повторюваність і інтенсивність.

Всі грозові хмари, незалежно від їх типу, послідовно проходять стадії купчасті хмари, стадію зрілого грозової хмари і стадію розпаду.


3. Класифікація грозових хмар

У свій час грози класифікувалися відповідно до того, де вони спостерігалися, - наприклад, локальні, фронтальні або орографічні. В даний час більш прийнято класифікувати грози відповідно до характеристик самих гроз і ці характеристики в основному залежать від метеорологічного оточення, в якому розвивається гроза.
Основним необхідною умовою для утворення грозових хмар є стан нестійкості атмосфери, яке формує висхідні потоки. Залежно від величини і потужності таких потоків формуються грозові хмари різних типів.


3.1. Одноячейковое хмара

Orage ordinaire.PNG
Цикл життя одноячейкового хмари.

Одноячейковие купчасто-дощові (Cumulonimbus, Cb) хмари розвиваються в дні зі слабким вітром в малоградіентном баричному поле. Їх називають ще Внутрішньомасові або локальними грозами. Вони складаються з конвективної осередку з висхідним потоком в центральній своїй частині. Вони можуть досягати грозовий і Градової інтенсивності і швидко руйнуватися з випаданням опадів. Розміри такого хмари: поперечний 5-20 км, вертикальний - 8-12 км, тривалість життя близько 30 хвилин, іноді до 1:00. Серйозних змін погоди після грози не відбувається.
Гроза починається з виникнення купчасті хмари гарної погоди (Cumulus humilis). При сприятливих умовах виникли купчасті хмари швидко ростуть як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямку, при цьому висхідні потоки знаходяться майже по всьому об'єму хмари і збільшуються від 5 м / с до 15-20 м / с. Спадні потоки дуже слабкі. Навколишнє повітря активно проникає всередину хмари за рахунок змішування на кордоні та вершині хмари. Хмара переходить в стадію Cumulus mediocris. Утворені в результаті конденсації дрібні водяні краплі в такому хмарі зливаються в більші, які несуться потужними висхідними потоками вгору. Хмара ще однорідне, складається з крапель води, утримуваних висхідним потоком - опади не випадають. У верхній частині хмари при попаданні частинок води в зону негативних температур краплі поступово починають перетворюватися на кристали льоду. Хмара переходить в стадію потужно-купчасті хмари (Cumulus congestus). Змішаний склад хмари призводить до укрупнення хмарних елементів і створення умов для випадання опадів. Таке хмара називають купчасто-дощових (Cumulonimbus) або купчасто-дощових лисим (Cumulonimbus calvus). Вертикальні потоки в ньому досягають 25 м / с, а рівень вершини досягає висоти 7-8 км
Випаровуються частки опадів охолоджують навколишнє повітря, що призводить до подальшого посилення низхідних потоків. На стадії зрілості в хмарі одночасно присутні і висхідні, і спадні повітряні потоки.
На стадії розпаду в хмарі переважають низхідні потоки, які поступово охоплюють все хмара.


3.2. Многоячейковие кластерні грози

Orage-multicellulaire.png
Схема многоячейковой грозовий структури.

Це найбільш поширений тип гроз, пов'язаний з мезомасштабних (мають масштаб від 10 до 1000 км) збуреннями. Многоячейковий кластер складається з групи грозових осередків, що рухаються як єдине ціле, хоча кожна клітинка в кластері знаходиться на різних стадіях розвитку грозової хмари. Грозові осередки, що знаходяться в стадії зрілості, зазвичай розташовуються в центральній частині кластера, а розпадаються комірки з підвітряного боку кластера. Вони мають поперечні розміри 20-40 км, їх вершини нерідко піднімаються до тропопаузи і проникають в стратосферу. Многоячейковие кластерні грози можуть давати град, зливові дощі і відносно слабкі шквальні пориви вітру. Кожна окрема осередок в многоячейковом кластері знаходиться в зрілому стані близько 20 хвилин; сам многоячейковий кластер може існувати протягом декількох годин. Даний тип грози зазвичай більш інтенсивний, ніж одноячейковая гроза, але багато слабкіше суперячейковой грози.


3.3. Многоячейковие лінійні грози (лінії шквалів)

Многоячейковие лінійні грози являють собою лінію гроз із тривалим, добре розвиненим фронтом поривів вітру на передній лінії фронту. Лінія шквалів може бути суцільною або містити проломи. Наближається многоячейковая лінія виглядає як темна стіна хмар, зазвичай покриває обрій із західної сторони (в північній півкулі). Велике число близько розташованих висхідних / спадних потоків повітря дозволяє кваліфікувати даний комплекс гроз як многоячеечний, хоча його грозова структура різко відрізняється від многоячейковой кластерної грози. Лінії шквалів можуть давати великий град і інтенсивні зливи, але більше вони відомі як системи, що створюють сильні спадні потоки. Лінія шквалів близька за властивостями до холодного фронту, але є локальним результатом грозової діяльності. Часто лінія шквалів виникає попереду холодного фронту. На радарних знімках ця система нагадує вигнутий лук (bow echo). Дане явище характерне для Північної Америки, на території Європи і Європейської території Росії спостерігається рідше.


3.4. Суперячейковие грози

Orage-supercellulaire.png
Вертикальна і горизонтальна структура суперячейкового хмари.

Суперосередку - найбільш високоорганізована грозова хмара. Суперячейковие хмари відносно рідкі, але представляють найбільшу загрозу для здоров'я і життя людини і його майна. Суперячейковое хмара схоже з одноячейковим тим, що обидва мають одну зону висхідного потоку. Різниця полягає в тому, що розмір осередку величезний: діаметр близько 50 км, висота 10-15 км (нерідко верхня межа проникає в стратосферу) з єдиною напівкруглої ковадлом. Швидкість висхідного потоку в суперячейковом хмарі значно вище, ніж в інших типах грозових хмар: до 40 - 60 м / с. Основною особливістю, що відрізняє суперячейковое хмара від хмар інших типів є наявність обертання. Обертовий висхідний потік в суперячейковом хмарі (в радарної термінології званим мезоциклонов) створює екстремальні по силі погодні явища, такі, як гігантський град (більше 5 см в діаметрі), шквальний вітер до 40 м / с та сильні руйнівні смерчі. Навколишні умови є основним фактором в освіті суперячейкового хмари. Необхідна дуже сильна конвективна нестійкість повітря. Температура повітря у землі (до грози) повинна бути +27 ... +30 і вище, необхідний вітер змінного напрямку, що викликає обертання. Проте головною умовою для утворення суперосередку є зрушення вітру в середній тропосфері. Опади, які утворюються у висхідному потоці, переносяться по верхньому рівню хмари сильним потоком в зону низхідного потоку. Таким чином, зони висхідного і низхідного потоків виявляються розділеними в просторі, що забезпечує життя хмари протягом тривалого періоду часу. Зазвичай на передній кромці суперячейкового хмари спостерігається слабкий дощ. Зливові опади випадають поблизу зони висхідного потоку, а найбільш сильні опади і великий град випадають на північний схід від зони основного висхідного потоку. Найбільш небезпечні умови спостерігаються неподалік від зони основного висхідного потоку (звичайно зміщені до задньої частини грози).


4. Фізичні характеристики грозових хмар

Літакові і радарні дослідження показують, що одинична грозова осередок зазвичай досягає висоти близько 8-10 км і живе близько 30 хвилин. Ізольована гроза зазвичай складається з декількох осередків, що знаходяться в різних стадіях розвитку, і триває близько години. Великі грози можуть досягати в діаметрі десятків кілометрів, їх вершина може досягати висоти понад 18 км, і вони можуть тривати багато годин.

4.1. Висхідні і низхідні потоки

Висхідні і низхідні потоки в ізольованих грозах зазвичай мають діаметр від 0.5 до 2.5 км і висоту від 3 до 8 км. Іноді діаметр висхідного потоку може досягати 4 км. Поблизу поверхні землі потоки зазвичай збільшуються в діаметрі, а швидкість в них падає в порівнянні з вище розташованими потоками. Характерна швидкість висхідного потоку лежить в діапазоні від 5 до 10 м / с, і доходить до 20 м / с у верхній частині великих гроз. Дослідницькі літаки, що пролітають крізь грозову хмару на висоті 10 000 м, реєструють швидкість висхідних потоків понад 30 м / с. Найбільш сильні висхідні потоки спостерігаються в організованих грозах.


4.2. Шквали

Перед серпневим шквалом 2010 року в Гатчині

У деяких грозах виникають інтенсивні низхідні повітряні потоки, що створюють на поверхні землі вітер руйнівної сили. В залежності від розміру такі низхідні потоки називаються шквалами або мікрошкваламі. Шквал діаметром більше 4 км може створювати вітер до 60 м / с. Мікрошквали мають менші розміри, але створюють вітер швидкістю до 75 м / с. Якщо породжує шквал гроза утворюється з досить теплого і вологого повітря, то мікрошквал буде супроводжуватися інтенсивним зливовим дощем. Однак, якщо гроза формується з сухого повітря, опади під час випадання можуть випаруватися (випаровуються в повітрі смуги опадів або virga) і мікрошквал буде сухим. Спадні повітряні потоки є серйозною небезпекою для літаків, особливо під час зльоту або посадки, так як вони створюють поблизу землі вітер з сильними раптовими змінами швидкості і напряму.


4.3. Вертикальне розвиток

У загальному випадку, активне конвективне хмара буде підніматися до тих пір, поки воно не втратить плавучість. 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.


4.4. Турбулентність

Самолёт, пролетающий сквозь грозовое облако (залетать в кучеводождевые 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/с 2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g.


4.5. Движение гроз

Скорость и движение грозового облака зависит от направления земли, 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 грозовое облако может двигаться со скоростями 65 - 80 км/час - 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.


4.6. Енергія

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 киловатт-часов, 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 и в 10 и в 100 раз большей.


5. Погодные явления под грозами

5.1. Нисходящие потоки и шквальные фронты

Roll-Cloud-Racine.jpg
Шквальный фронт мощной грозы.

Нисходящие потоки в грозах возникают на высотах, где температура воздуха ниже, чем температура в окружающем пространстве и этот поток становится ещё 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 несёт ещё 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 вперёд перед грозой со скоростью большей, чем скорость движения всего облака. Именно поэтому наблюдатель на земле ощутит приближение грозы по потоку холодного воздуха ещё до того как грозовое облако окажется у него над головой. Распространяющийся по земле нисходящий поток образует зону глубиной от 500 метров до 2 км с отчётливым различием между холодным воздухом потока и тёплым 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. Шквал образует характерный шквальный ворот с горизонтальной осью, резким падением температуры и изменением направления ветра.

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, несёт 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, идёт проливной дождь с градом, вызывающий внезапные наводнения.


5.2. Смерчи

Смерч - это сильный маломасштабный вихрь под грозовыми облаками с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. От периферии к центру смерча наблюдается перепад давления в 100-200 гПа. Скорость ветра в смерчах может превышать 100 м/с, теоретически может доходить до скорости звука. В России смерчи возникают сравнительно редко, но приносят колоссальный ущерб. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на юг европейской части России.

5.3. Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/час, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза даёт 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.

6. Электрическая структура грозового облака

Charge structure.png
Структура зарядов в грозовых облаках в различных регионах.

Розподіл і рух електричних зарядів всередині і навколо грозової хмари є складним безперервно мінливим процесом. Тим не менш, можна уявити узагальнену картину розподілу електричних зарядів на стадії зрілості хмари. Домінує позитивна дипольна структура, в якій позитивний заряд знаходиться у верхній частині хмари, а негативний заряд знаходиться під ним усередині хмари. В основі хмари і під ним спостерігається нижній позитивний заряд. Атмосферні іони, рухаючись під дією електричного поля, формують на кордонах хмари екрануючі шари, що маскують електричну структуру хмари від зовнішнього спостерігача. Вимірювання показують, що в різних географічних умовах основний негативний заряд грозової хмари розташований на висотах з температурою навколишнього повітря від -5 до -17 C. Чим більше швидкість висхідного потоку в хмарі, тим на більшій висоті знаходиться центр негативного заряду. Щільність об'ємного заряду лежить в діапазоні 1-10 Кл / км . Існує помітна частка гроз з інверсною структурою зарядів: - негативним зарядом у верхній частині хмари і позитивним зарядом у внутрішній частині хмари, а також зі складною структурою з чотирма і більше зонами об'ємних зарядів різної полярності.


6.1. Механізм електризації

Для пояснення формування електричної структури грозової хмари пропонувалося багато механізмів, і до цих пір ця область науки є областю активних досліджень. Основна гіпотеза заснована на тому, що якщо більші і важкі хмарні частинки заряджаються переважно негативно, а легші дрібні частинки несуть позитивний заряд, то просторове розділення об'ємних зарядів виникає за рахунок того, що великі частки падають з більшою швидкістю, ніж дрібні хмарні компоненти. Цей механізм, в цілому, узгоджується з лабораторними експериментами, які показують сильну передачу заряду при взаємодії часток крижаної крупи ( крупа - пористі частинки з замерзлих водяних крапельок) або граду з крижаними кристалами у присутності переохолоджених водяних крапель. Знак і величина переданого при контактах заряду залежать від температури навколишнього повітря і водності хмари, але також і від розмірів крижаних кристалів, швидкості зіткнення і інших чинників. Можливо також дія і інших механізмів електризації. Коли величина накопичився в хмарі об'ємного електричного заряду стає досить великою, між областями, зарядженими протилежним знаком, відбувається блискавичний розряд. Розряд може статися також між хмарою і землею, хмарою і нейтральною атмосферою, хмарою і іоносферою. У типовій грозі від двох третин до 100 відсотків розрядів припадають на внутріоблачние розряди, міжхмарне розряди або розряди хмара - повітря. Частина - це розряди хмара-земля. В останні роки стало зрозуміло, що блискавка може бути штучно ініційована в хмарі, яке в звичайних умовах не переходить в грозову стадію. В хмарах, які мають зони електризації і створюють електричні поля, блискавки можуть бути ініційовані горами, висотними спорудами, літаками або ракетами опинилися в зоні сильних електричних полів.



Примітки

  1. Science Daily - Human Voltage - What Happens When People And Lightning Converge (Англ.) - Www.sciencedaily.com/releases/1999/06/990622060723.htm
  2. Клімат Росії - pogoda.ru.net / climate.php
сонце Погода дощ
Пори року Зима Весна Літо Осінь
Атмосферні опади Дощ Мряка Град Сніг Крупа Роса Іній Паморозь Ожеледь
Прогноз і щоденник погоди Хмарність Вологість ( абсолютна і відносна) Тиск Температура повітря Напрямок вітру
Погодні явища Вітер Гроза Торнадо Ураган Шторм


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Гроза, Петру
Гроза (п'єса)
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru