Что такое гроза и как она образуется. Что такое гроза: определение, причины, последствия
Любишь ли ты, когда на улице такое природное явление как гроза? Мне очень нравится смотреть, как сверкают молнии, и вздрагивать от раскатов грома. но, правда, если я сам в это время в безопасном месте.
Наши далёкие предки очень боялись грозы. Они думали, что в чём-то провинились, раз бог Перун сердится на них и посылает на землю гром, молнию и сильный ветер. Бог Грозы тогда считался даже более сильным, чем бог Солнца. Ведь гроза не только причиняла зло, но и помогала людям. Если солнце сжигало своими горячими лучами посевы хлеба, то гроза, и дождь, который она приносила, спасали урожай. Позже наши предки гром и молнию приписывали Илье Пророку, который, «катаясь на колеснице по небу, пускает огненные стрелы».
Но мы-то с вами уже можем разобраться, почему бывает гроза!
Ты, наверняка, уже успел заметить, что перед грозой солнце начинает сильно припекать и становится душно. Это происходит от того, что в воздухе накапливается влага - бесчисленное множество водяных капелек, из которых и состоят тучи. Они могут быть несколько километров в высоту.
Нам снизу кажется, что они стоят спокойно. Мы и не подозреваем, какие внутри них бушуют вихри, как потоки воздуха носят капельки снизу вверх и сверху вниз. На самом верху таких облаков - сильный мороз, и капельки воды, попав туда, сразу же замерзают, превращаются в кусочки льда. Льдинки с талкиваются с капельками, вода обволакивает их «плёночкой», которая тоже замерзает. Льдинка делается тяжелее, она падает в нижний «этаж» облака, где теплее, и там начинает таять. Но стремительные вихри снова подхватывают её вверх, и снова сталкиваются льдинки и капельки, и снова вода замерзает, льдинки увеличиваютс я, тяжелеют. И вот льдинки уже не могут удержаться в облаке и падают из него вниз. Ближе к земле они тают, и получается, что идёт дождь. Иной раз они так и не успевают растаять и падают на землю кусочками льда - идёт град.
А движение капелек и льдинок внутри тучи не затихает! Они ударяются друг о друга, сталкиваются, трутся, заряжаются при этом электричеством. И вот уже верхняя часть тучи несёт положительный заряд, а нижняя - отрицательный. Во время грозы заряж аются электричеством земля, деревья, горы, дома. И когда встречаются две т учи или туча и предметы на земле, заряженные противоположными зарядами электричества, между ними проскакивает гигантская искра - молния!
Молния мгновенно нагревает окружающий воздух, от тепла он быстро расширяется, и происходит взрыв. В этот момент мы слышим треск и грохот. Его-то мы и называем - гром.
Звук распространяется гораздо медленнее, чем свет, его скорость 330 метров в секунду. Поэтому мы слышим раскаты грома после того, как сверкнула молния. А чтобы узнать на каком молния расстоянии, сосчитай, сколько секунд проходит между вспышкой молнии и громом, и умножь на 330.
Проведем эксперимент
Давай сделаем «домашнюю» молнию. Два продолговатых воздушных шарика потри шерстяной тряпочкой в очень тёмной комнате (они ни в коем случае не должны соприкоснуться). Воздух, наполняющий их, электризуется. Попробуй приблизить их на минимальное расстояние. Если ты всё сделал правильно, то от одного до другого шарика начнут проскакивать искры. Слышишь треск? Это миниатюрная копия грома.
Безопасную грозу можно устроить и в своих волосах. Расчеши их пластмассовой гребёнкой, и ты услышишь лёгкий треск. Это - днём. А в темноте можно увидеть и искорки.
В легендах и мифологических сказаниях всех народов мира присутствует такое таинственное и величественное природное явления как гроза. Неистовство природы всегда пугало и восхищало человека своей колоссальной силой и дикой неконтролируемой красотой.
Воспевалось это смешение влаги, силы ветра и электричества также в литературных произведениях гениальных поэтов, писателей и художников. Но что же представляется собой это восхитительное событие?
Научное обоснование грозовых явлений
Современными метеорологами под грозой понимается природная активность, при которой возникают электрические разряды, именуемые молниями, а также наблюдаются звуковые раскаты.
Ненастье сопровождается значительной силы ветром, чаще всего выпадают осадки.
Ученые выяснили, что более всего распространены такие явления над континентами, а вот мировой океан подвергается этому погодному чуду в десять раз реже.
Грозы образуются в кучевых облаках, имеющих сравнительно небольшую высоту. Основание таких облаков выглядит темным свинцовым полотном. Иногда облако может сочетать в себе различные оттенки, вплоть до желтоватых, что объясняется учеными как проявление различной плотности облачного слоя. По краям такие тучи имеют ярко белое, даже блестяще отсвечивание.
Причинами грозовых явлений, по данным метеорологов, становится различное атмосферное давление и уровень абсолютной и относительной влажности, а также воздушные вихревые потоки. Нисходящие потоки могут проявляться на земле порывами шквального ветра, который может быть различной силы.
Повышенная опасность грозы заключается в частом проявлении электрических разрядов, нередко соединяющихся с поверхностью земли и высокими предметами. Сила таких разрядов способна воспламенить или оплавить даже самые негорючие материалы, а также вывести из строя оборудование.
Молния может быть представлена обычной формой и шаровой ее разновидностью. Менее всего изучены шаровые молнии, образование которых сложно воспроизвести, а за развитием ситуации практически невозможно следить. Поведение такой молнии непредсказуемо, а период ее существования в пространстве намного превышает время существования линейного разряда.
Мифологическое отображение гроз
Древние народы всего мира обожествляли такое величественное и пугающее явление как . Во всех стадиях язычества встречаются у народностей свои боги-громовержцы и покровители ветров и раскатов грома. Как правило, это свирепые и сильные боги, отражающие характер стихийного явления.
Например, славяне, предпочитавшие бояться, нежели как греки восхищаться своими богами, имели сразу несколько покровителей: Перуна, Стрибога, Сварожича и прочих. Их изображения были поистине пугающими и характеризовали панический страх людей прошлого перед силами природы.
Греческим воплощением грозы, стал великий Зевс, оружием которого были молнии. Признание громовержца самым великим среди олимпийских обитателей указывает на тот факт, что грозы были самым опасным и непредсказуемым явлением для Древней Греции. Грозу греки считали выражением божьим и поклонялись ее красоте и силе. Приобщен к неистовству стихии был и бог-кузнец Гефест.
Высшим почтением пользовался и громовержец Юпитер у древних римлян. Они также благоговели и трепетали пред лицом ужасающей грозы, отдавая ей место самого мощного и страшного среди необъяснимых явлений.
Скандинавские народы также питали особое уважение к Тору, управлявшему громом и молниями.
Народы всего мира наделяли своих могущественных покровителей силой управлять грозами, так как считали данное природное явление самым опасным. Не понимая его истинных причин, люди испытывали панический страх перед непредсказуемой, карающей стихией. Ацтеки приносили жертвы, чтобы задобрить разбушевавшихся богов. Впрочем, жертвоприношением «грешили» не только жители Южной Америки, этот обряд в той или иной степени присутствовал у всех народов мира.
Гроза в искусстве
Нашла свое отражение необузданная стихия и в произведениях искусства.
Художники не просто поклонялись мощи и силе грозы, но и воспевали ее дикую красоту. Разгул бушующей природы отобразили на своих полотнах Н. Крымов, С. Сухово-Кобылина, Васильев и прочие.
Описания неистовства стихии есть в таких известных литературных произведениях как , одноименном творении Набокова. Тематика грозовых явлений затронута в стихах Тютчева, Фета, Лермонтова и Пушкина.
Не менее, эффектным и мощным стало отображение непередаваемого трепета перед величественной стихией в музыке. Покоряет и завораживает своим звучанием опера Б. Асафьева. Не уступают в искусности звуковых сочетаний и глубине тематики одноименные оперы Дзержинского, Кашперова и, конечно, Трамбицкого.
Современное искусство отражает грозу в экранизациях классических творений известных писателей и поэтов. Кроме того, сегодня режиссеры одаривают своих зрителей фантастическими фильмами, в которых красочно описывается природное негодование. Детские супергерои наделяются умением отражать или управлять молниями и громовыми раскатами, а также вызывать смерчи и ураганы.
Таким образом, сегодня люди также восхищаются силой и величием погодных явлений, несмотря на то, что давно изучили их природу.
Опасность грозы
Разразившееся ненастье уже давно никого не удивляет, мы воспринимаем случившееся как факт и стараемся укрыться от непогоды. К большому сожалению, удается это не всем, поэтому ежегодно статистика приводит печальные сведения о жертвах грозы.
Бешеная и неуправляемая сила природной стихии является одним из самых опасных факторов для человека, поэтому, любуясь завораживающей красотой и воспевая могущество, не стоит забывать и о жестокости грома, молнии и ветра.
Удивительное явление опасно, прежде всего, тем, что оно непредсказуемо. Если синоптики с некоей долей вероятности и могут дать прогноз о возникновении грозового фронта, то определить даже приблизительно, в какое место придется удар молнии на современном этапе невозможно. Не могут также защитить нас ученые и от шаровых молний.
Единственным спасением для человека остаются громоотводы и заземленные предметы, а также нехитрые правила поведения при непогоде.
Гроза — 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 дождём, 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 бо́льшим людским потерям.
Гроза
Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно.
Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли
Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной 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 (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.
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 окрестностях города.
При подъёме или вытеснении тёплого 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 подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают её 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
Одноячейковые кучево-дождевые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют ещё 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 такого облака: поперечный — 5—20 км, вертикальный — 8—12 км, продолжительность жизни — около 30 минут, иногда — до 1 часа. Серьёзных изменений погоды после грозы не происходит.
Цикл жизни одноячейкового облака
Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humilis). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт 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 ещё 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 превращаться 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 нём 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 распространённый тип гроз, связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый 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 распадающиеся 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 течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперъячейковой 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 тёмная 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 наблюдается реже.
Суперъячейковые грозы
Вертикальная и горизонтальная структура суперъячейкового облака
Суперъячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперъячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперъячейковое 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 суперъячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40—60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперъячейковом облаке (в радарной терминологии называемый мезоциклоном ), создаёт 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 суперъячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение. Такие условия достигаются при сдвиге ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделёнными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперъячейкового 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 неподалёку от зоны основного восходящего потока (обычно смещённые к задней части грозы).
Суперселл (англ. super и cell — ячейка) — разновидность грозы, характеризующаяся наличием мезоциклона — глубокого, сильно вращающегося восходящего потока. По этой причине подобные бури иногда называют вращающимися грозами. Из четырёх видов грозы согласно западным классификациям (суперселл, скуаллайн, мультселл и синглселл) суперселлы встречаются наименее часто и могут представлять наибольшую опасность. Суперселлы часто изолированы от других гроз и могут иметь фронт размахом до 32 километров.
Суперселл на закате
Суперселлы часто подразделяют на три типа: классические; с низким уровнем осадков (LP); и с высоким уровнем осадков (HP). Суперселлы типа LP обычно образуются в более засушливом климате, таком как в высокогорных долинах США, а суперселлы типа HP более характерны для более влажного климата. Суперселлы могут наблюдаться в любой точке земного шара, если там возникнут подходящие для их образования погодные условия, но наиболее распространены они в области Великих равнин США — в районе, известном как Долина Торнадо. Также они могут наблюдаться в равнинах в Аргентине, Уругвае и на юге Бразилии.
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
Перед августовским шквалом 2010 года в Гатчине
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/с 2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g.
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.
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 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.
Нисходящие потоки и шквальные фронты
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 нём начинают таять ледяные частицы осадков и испаряться облачные капли. Воздух в нисходящем потоке не только более плотный, чем окружающий воздух, но и он несёт ещё 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 суперъячейковых гроз, идёт проливной дождь с градом, вызывающий внезапные наводнения.
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.
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.
Электрическая структура грозового облака
Структура зарядов в грозовых облаках в различных регионах
Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщённую 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 объёмного 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 структурой с четырьмя и более зонами объёмных зарядов разной полярности.
Механизм электризации
Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объёмных зарядов возникает за счёт того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа — пористые частицы из замёрзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутриоблачные разряды, межоблачные разряды или разряды облако — воздух. Оставшаяся часть — это разряды облако-земля. В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолётами или ракетами, оказавшимися в зоне сильных электрических полей.
Зарница — мгновенные вспышки света на горизонте при отдаленной грозе.
При зарницах раскатов грома не слышно из-за дальности, но можно увидеть вспышки молний, свет которых отражается от кучево-дождевых облаков (преимущественно их вершин). Явление наблюдается в тёмное время суток, преимущественно после 5-го июля, в пору сбора урожая зерновых культур, поэтому зарницу в народе приурочивали к концу лета, началу сбора урожая и иногда называют хлебозарами.
Снеговая гроза
Схема формирования снеговой грозы
Снежная гроза (также снеговая гроза) — гроза, очень редкое метеорологическое явление, бывает в мире 5-6 раз в год. Вместо ливневого дождя выпадает ливневой снег, ледяной дождь или ледяная крупа. Термин используется в основном в научно-популярной и зарубежной литературе (англ. thundersnow ). В профессиональной российской метеорологии данного термина нет: в таких случаях отмечается одновременно гроза и ливневой снег.
Случаи зимних гроз отмечаются в старинных русских летописях: грозы зимой в 1383 году (был «гром страшен очень и вихрь силен вельми»), в 1396 году (в Москве 25 декабря «…был гром, а туча от полуденной страны»), в 1447 году (в Новгороде 13 ноября «…в полночь страшный гром и молния велико зело»), в 1491 году (во Пскове 2 января слышали гром).
Мы живем в мире природы, а значит, она с нами тесно повязана, а мы, соответственно, с ней. Природные явления в жизни сопровождают нас очень часто, например гроза.
Что такое гроза? Наука нам говорит, что это природное явление, которое проходит в атмосфере и сопровождается громом и молнией. Осадки разной интенсивности, шквалы и град - все эти явления могут сопровождать грозу. Это одно из природных явлений, которое несет опасность для человека.
Если на небе появились мощные кучево-дождевые облака, то скоро ожидайте грозы. Грозы бывают фронтальные и внутримассовые. Первые образуются, когда проходит теплый или холодный фронт, другие – при местном перегреве воздуха. Грозы зимой почти не бывает. Она проходит весной, летом и осенью, когда тепло. Ее продолжительность может быть около двух часов. Обычно гроза начинается под вечер, но может иногда и начаться утром.
Немного о молнии
Ученые давно исследовали, что такое гроза. Молния – вот еще один фактор, который возникает при грозах. Резкая вспышка на небе во время грозы. Кто не видел такого явления? Это тоже явление природы, которое возникает вследствие искрового разряда электростатического заряда облака. Разность электрических потенциалов, может быть несколько миллионов вольт, между частицами облака или двумя разными облаками приводит к появлению молнии. От двух до пятидесяти километров могут располагаться облака от земли, и от этой длины зависит и длина молнии. Тридцать тысяч градусов – такая температура в канале молнии. Если она попадает в какие-то предметы, то может их расщепить или поджечь. Около трех тысяч человек в мире каждый год погибают от молнии. Разряд выбирает наименьшее электрическое сопротивление, а это значит, что, скорее всего, он попадет в тонкое и высокое дерево. Поэтому, рекомендуется ставить громоотводы. Эти явления природы изучали много ученых, в том числе и М. В. Ломоносов.
Существуют правила поведения при грозе и молнии. Эти правила обязательно нужно исполнять, потому, что при молнии есть всегда угроза жизни. В истории есть немало случаев, когда молния попадала в корабли и самолеты, нанося, при этом большой ущерб технике и забирала из жизни людей.
Вот еще недавно чистое, ясное небо затянули облака. Упали первые капли дождя. А в скором времени стихия продемонстрировала земле свою силу. Гром и молния пронзили грозовое небо. Откуда приходят подобные явления? Человечество множество веков видело в них проявление божественной силы. Сегодня мы знаем о возникновении таких явлений.
Происхождение грозовых туч
Облака появляются в небе из конденсата, поднимающегося высоко над землей, и парят в небе. Тучи же более тяжелые и большие. Они приносят с собой все "спецэффекты", присущие непогоде.
Грозовые облака отличаются от обычных наличием заряда электричества. Причем есть тучи с положительным зарядом, а есть с отрицательным.
Чтобы понять, откуда берутся гром и молния, следует подняться выше над землей. В небе, где нет препятствий для вольного полета, дуют ветра сильнее, чем на земле. Именно они провоцируют заряд в облаках.
Происхождение грома и молнии может объяснить всего одна капля воды. Она имеет положительный заряд электричества в центре и отрицательный снаружи. Ветер разбивает ее на части. Одна из них остается с отрицательным зарядом и имеет меньший вес. Более тяжелые положительно заряженные капли образуют такие же тучи.
Дождь и электричество
До того как в грозовом небе появятся гром и молния, ветер разделяет облака на положительно и отрицательно заряженные. Дождь, падающий на землю, уносит часть этого электричества с собой. Между тучей и поверхностью земли образовывается притяжение.
Отрицательный заряд тучи будет притягивать положительный на земле. Это притяжение будет располагаться равномерно на всех поверхностях, находящихся на возвышенности, и проводящих ток.
И вот дождь создает все условия для появления грома и молнии. Чем выше предмет к туче, тем легче молнии пробиться к нему.
Происхождение молнии
Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.
Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.
Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.
Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.
Как развивается молния
Когда бушует гроза, молния, гром сопровождают ее беспрестанно. Чаще всего искра происходит из отрицательно заряженной тучи. Она развивается постепенно.
Сначала из тучи по каналу, направленному к земле, течет небольшой поток электронов. В этом месте тучи скапливаются электроны, двигающиеся с большой скоростью. Благодаря этому электроны сталкиваются с атомами воздуха и разбивают их. Получаются отдельные ядра, а также электроны. Последние также устремляются к земле. Пока они движутся по каналу, все первичные и вторичные электроны снова расщепляют стоящие у них на пути атомы воздуха на ядра и электроны.
Весь процесс похож на лавину. Он двигается по нарастающей. Воздух разогревается, его проводимость увеличивается.
Все сильнее электричество из тучи стекается к земле со скоростью 100 км/с. В этот момент молния пробивает себе канал к земле. По этой дороге, проложенной лидером, электричество начинает течь еще быстрее. Происходит разряд, имеющий огромную силу. Достигая своего пика, разряд уменьшается. Канал, разогретый таким мощным током, светится. И в небе становится видно молнию. Протекает такой разряд недолго.
После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.
Как появляется гром
Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.
Гром возникает по следующей причине. Ток в канале молнии образуется очень быстро. Воздух при этом очень нагревается. От этого он расширяется.
Это происходит так быстро, что напоминает взрыв. Такой толчок сильно сотрясает воздух. Эти колебания и приводят к появлению громкого звука. Вот откуда берутся молния и гром.
Как только электричество из тучи достигнет земли и исчезнет из канала, он очень быстро охлаждается. Сжатие воздуха также приводит к раскатам грома.
Чем больше молний прошло по каналу (их может быть до 50 штук), тем продолжительнее сотрясения воздуха. Этот звук отражается от предметов и туч, и происходит эхо.
Почему есть интервал между молнией и громом
В грозу за появлением молнии следует гром. Опоздание его от молнии происходит из-за разных скоростей их движения. Звук движется с относительно небольшой скоростью (330 м/с). Это всего в 1,5 раза быстрее движения современного "Боинга". Скорость света гораздо больше скорости звука.
Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.
Например, если между молнией и громом прошло 5 с, это значит, что звук прошел 330 м 5 раз. Путем умножения легко посчитать, что молнии от наблюдателя были на расстоянии 1650 м. Если гроза проходит ближе, чем 3 км от человека, она считается близкой. Если расстояние в соответствии с появлением молнии и грома дальше, то и гроза дальняя.
Молния в цифрах
Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.
Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.
Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).
Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.
В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.
Шаровая молния
На пути изучения того, откуда гром и молния происходят в природе, самым загадочным явлением выступает шаровая молния. Эти круглые огненные разряды до конца еще не изучены.
Чаще всего форма такой молнии напоминает грушу или арбуз. Она существует до нескольких минут. Появляется в конце грозы в виде красных сгустков от 10 до 20 см в поперечнике. Наибольшая шаровая молния, сфотографированная однажды, была около 10 м в диаметре. Она издает жужжащий, шипящий звук.
Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.
Движение молнии не зависит от ветра. Их тянет в закрытые помещения через окна, двери и даже щели. Если соприкасаются с человеком, оставляют сильные ожоги и могут привести к летальному исходу.
До сих пор причины появления шаровой молнии были неизвестны. Однако это не является свидетельством ее мистического происхождения. В этой области ведутся исследования, которые смогут объяснить сущность такого явления.
Ознакомившись с такими явлениями, как гром и молния, можно понять механизм их возникновения. Это последовательный и довольно сложный физико-химический процесс. Он представляет собой одно из самых интересных явлений природы, которое встречается повсеместно и потому затрагивает практически каждого человека на планете. Ученые разгадали загадки практически всех видов молний и даже измеряли их. Шаровая молния на сегодняшний день выступает единственной нераскрытой тайной природы в области образования подобных явлений природы.
