Что такое гроза определение. Природное явление гроза

Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли.

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической 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 .

Среднегодовое число дней с грозой в некоторых городах России: Архангельск - 16, Мурманск - 5, Санкт-Петербург - 18, Москва - 27, Воронеж - 32, Ростов-на-Дону - 27, Астрахань - 15, Самара - 26, Казань - 23, Екатеринбург - 26, Сыктывкар - 21, Оренбург - 22, Уфа - 29, Омск - 26, Ханты-Мансийск - 17, Томск - 23, Иркутск - 15, Якутск - 14, Петропавловск-Камчатский - 0, Хабаровск - 20, Владивосток - 9.

Стадии развития грозового облака

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 ее 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

Цикл жизни одноячейкового облака.

Одноячейковые кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) 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.
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 нем 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 суперячейковой 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).

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 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.

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.

Погодные явления под грозами

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 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.

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.

Примечания

См. также

Грозовой заряд образуется в кучевых облаках - грозовых очагах, которые возникают из-за вертикальной неустойчивости. Т.е. вертикальный градиент температуры становится больше одного градуса на 100м высоты и возникает вертикальное движение - в одних местах резкий подъем вверх, а в других опускание вниз. Поднимаясь, воздух попадает в условия более низкого давления, расширяется, температура падает и воздух насыщается водяным паром. Так возникают кучевые облака, в которых образуются кристаллы, а следовательно и накапливаются заряды. А т.к. потенциал Земли нулевой, то возникает разность потенциалов между облаком и Землей - электрическая энергия - грозовой заряд.

Гроза - это атмосферное явление. Оно ещ не так сильно изучено, как того хотелось бы. Однако известно, что гроза возникает, в нескольких случаях:

Первый случай. При вытеснении тплого слоя воздуха холодным.

Второй случай. При неравномерном нагреве поверхности. Например, моря и суши.

Третий случай. При резком подъме облака из-за гор.

Физика процесса образования грозы такова - облака состоят из воды. Вода находится в трех состояниях - жидком, газообразном и тврдом. В обычных условиях вс нормально, но когда происходит один из трех случаев, происходит резкое изменение состава облаков. Образуется льдинки. Они начинают quot;теретьсяquot; и электризуют облако. В результате этого образуется огромная энергия, которая и quot;высвобождаетсяquot;. Это и есть гром, молния.

Гроза - атмосферное явление, при котором возникают разряды молний внутри облаков или между поверхностью земли и облаком (это сопровождается звуковым явлением - громом).

Заряды образуются в темных кучево-дождевых облаках, которые образуются в результате накопления испарений влаги. Слои поднимающегося вверх воздуха с влагой неравномерно прогреваются.

Часть влаги остается в виде капель, а другая часть замерзает в маленькие льдинки.

В результате сильных ветров капельки и льдинки трутся друг о друга, накапливая электрический заряд.

Накопление влаги в грозовом облаке проходит три стадии: кучевое облако, зрелое облако и последняя стадия - распад облака и ливень.

Гроза начинается с возникновения обычного кучевого облака. При благоприятных для его образования условиях оно растт и в высоту, и в ширину. Внутри облака снизу вверх идут восходящие потоки тплого воздуха. При этом мельчайшие водяные капельки сливаются в более крупные. В верхней части облака, где температура ниже нуля, капли превращаются в кристаллы льда, которые постепенно растут в размере и начинают падать. При этом в образовавшейся туче происходит разделение зарядов. Предполагается, что при трении ледяных кристаллов более крупные и тяжлые заряжаются отрицательно, а более мелкие и лгкие несут положительный заряд. Крупные падают с большей скоростью, чем мелкие. Так в туче возникает пространственное разделение зарядов. В нижней части облака, где температуры выше нуля, ледяные кристаллы тают. Но заряд на образовавшихся каплях воды никуда не исчезает. Когда электрический заряд становится достаточно большим, между нижней и верхней частью тучи происходит разряд молния. Разряд может произойти также между облаком и землй но таких молний обычно не больше трети. Ещ М.В. Ломоносов установил, что и при сухой погоде воздух наэлектризован. Сейчас известно, что в воздухе есть положительно и отрицательно заряженные ионы, которые создаются космическими лучами.

По нашим представлниям, шгроза - это когда гром и молния, поэтому нетрудно догадаться, что гроза возникает когда в атмосфере накапливается электричество. Главный вопрос - откуда это электричество в атмосфере берется? Этот интересный вопрос изучается в школе на факультативных уроках по физике. Вот здесь можно подробно и понятно прочитать о возникновении грозовых облаков и атмосферного электричества в них, а также, как и почему это электричество превращается в молнию и гром. Материал изложен доступно, научно-публицистически, текст урока разрабатывался специально для учеников средней школы, а значит, и простому обывателю, далекому от физики, должен быть понятен.

С точки зрения науки гроза возникает от разности потенциалов(плюс, минус) в самих облаках, внутри облаков и между облаками и поверхностью Земли. Но мне больше нравиться славянское поверье о Святом Илье, который едет в повозке по небу, его повозка запряжена огненными конями, а в руке карающий посох. Этим посохом он ударяет по нечистой силе. Именно поэтому есть такое поверье, что нельзя в грозу сидеть под деревом и в воде, так как черти так прятались от гнева Святого. Но это не касается дерева Орех, так как именно орехоаыми веточками отпугивали чертей.

Гроза - это атмосферное явление, возникающее при столкновении грозовых или кучевых облаков друг с другом или с поверхностью земли и вызывающие электрические разряды (молнии). Основным фактором для возникновения является механизм воздущной конвекции или, проще говоря, возникновение тепловых потоков, при которых теплый возлух вытесняется холодным.

Грозой называется явление при которой имеет место молнии с громом. Дождь при этом не обязателен, но чаще всего бывает. Гром и молния это одно и тоже явление электрического разряда. Молния это свет, который приходит к нам из области этого разряда, а гром это звук, который приходит к нам из области этого разряда

Электрический разряд возникает из-за разницы электрических потенциалов либо между землей и облаками, либо между двумя разными облаками. Другими словами одни облака электрически заряжены как quot;плюсquot;, а другие как quot;минусquot;. Ну а земля имеет нулевой электрический потенциал, поэтому молнии в землю идут и от тех облаков и от других.

Электрически заряженные облака возникают из-за скопления там сконденсированных капелек воды во взвешенном состоянии. При трении этих капелек о воздух возникают заряженные ионы азота и кислорода. Эти ионы могут быть в основном положительно заряженными или отрицательно заряженными. Это определяется случайным образом на первоначальном этапе. Если преобладали в начале положительно заряженные ионы, то и дальше образуются только положительно заряженные ионы в этой области атмосферы.

Через некоторое время облака очень сильно заряжаются и начинают чувствовать электрические поля друг друга. А если поблизости нет облаков с противоположным зарядом, то электрическое поле этого облака начинает чувствовать незаряженную землю. Но воздух между облаками и между облаком и землей не является проводником электрического тока. Поэтому электрические заряды не могут сразу равномерно перетечь с одного облака на другое или в землю. Поэтому сухой воздух между облаками (или облаком и землей) начинает находиться в огромном электрическом поле, которое создается между двумя облаками (или облаком и землей) . Напряжение этого поля нарастает так сильно, что начинает срывать электроны со внешних оболочек атомов сухого воздуха. Эти сорванные электроны разгоняются в электрическом поле так сильно, что бомбят собою соседние атомы и срывают у них тоже электроны. И этих электронов становится все больше и больше. Образуется в воздухе канал, где как лавина нарастает ток. Этот канал quot;роетсяquot; в воздухе случайным образом, может случайно разделиться на несколько каналов. Но он все равно, в конце-концов, свяжет между собой два разнозаряженных облака или заряженное облако и землю. Заряды по этому каналу перетекают с облака на облако или уходят в землю и облака снова становятся нейтральными.

После чего процесс их зарядки может возобновиться, если в этих облаках продолжают оставаться капельки воды, диаметр которых свыше некоторого критического. Поэтому после дождя грозы не бывает. Ведь все крупные капельки воды продолжают укрупняться еще больше, и уже не могут удерживаться на лету в воздухе и падают вниз. Облако очищается от капелек определенного размера.

Понятно, что в основном молнии бьют между двумя облаками. Удары молнии в землю это большая редкость.

Почему от молнии идет свет?

Электрон, попадая в положительно заряженный ион остается там и такой ион снова делается нейтральным атомом. При этом энергия электрона излучается в виде одного или нескольких фотонов со случайной длиной электромагнитной волны. В основном эти излучаемые электромагнитные волны (фотоны) находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Но некоторая часть и в видимом диапазоне. Мы их и видим, как белый свет, т. е. смесь разных длин волн видимого диапазона.

Почему при грозе гремит гром?

Заряженные ионы разгоняются в электрическом поле до сверхзвуковых скоростей. Получается обычная звуковая ударная волна.

Мы все изучали это атмосферное явление в школе и знаем, что она возникает при вытеснении и поднятии теплого воздуха холодными фронтами. Этот вопрос часто задают маленькие дети и ответить его малышу, который не изучал физику сложно.

Так более понятно, чем в Википедии.

Думаю все мы, видели на занятиях по физике в школе, электростатическую машину, и те разряды между шариками электродов. Так вот гроза, это тоже самое, только в миллионы раз больше и мощнее.

Гроза это совокупность двух явления - молнии и грома. Ну гром это понятно - треск от произошедшего разряда. А молния и есть визуальное наблюдение этого разряда. Происходит этот разряд из-за разности потенциалов поверхности Земли и накопленного в облаках электричества.

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.

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)

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.

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

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

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).

ГРОЗЫ, УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И СТАД ИИ РАЗВИТИЯ

Гроза – это сложное ат мосферное явление, характеризующееся интенсивным облакооб разованием и многократными электрическими разрядами в виде молний.

Грозы возникают в кучево-дождевых облаках, которые, в этом случае, называются грозовы ми. Площадь хорош о развитых кучево-дождевых облаков обычно не превышает

50…100 км2. В грозовых облаках сконцент рирована колоссальная энергия, проявления которой всегда поражают человеческое воображение. Расчет ы показывают, что в грозовом

облаке небольших размеров (площадью около 30 км2) при конденсации водяного пара выделяется около 1,8 · 1013 калорий тепла. Примерно такое же количество тепла (2 · 1013)

выделяется при взрыве атомной бомбы среднего калибра или взрыве 20000 тонн тротила. Количество тепла, выделяемое при конденсации водяного пара в хорошо развитом об лаке, занимающем площадь около 100 км2 , равно количест ву тепла, образующемуся при взрыве водородной бомбы, что примерно в 1000 раз больше, чем при взры ве атомной бомбы, и эквивалентно взрыву 20 млн. тонн тротила. Вся эта громадная тепловая энергия, выделяющаяся при конденсационных процессах, расходует ся на развитие в об лаке восходящих т оков,

которые поддерживают во взвешенном состоянии сотни тысяч тонн воды. Восходящие токи иногда способствуют развитию грозовых облаков до больших вы сот. Вершины облаков могут пробиват ь тропопаузу и проникат ь в нижнюю стратосферу. В умеренных широт ах грозовы е облака могут развиваться д о 12…14 км, в Закавказье, Сред ней Азии и Дальнем Вост оке - до 15…16 км, в Индии - до 18 км, в э кват ориальной зоне – до 20…21 км.

Грозовое облако непрерывно выраб атывает электричество, которого достаточно для

того, чтобы обеспечить все потребности город а, имеющ его население в 10 млн. человек, в течение всего времени, пока длится гроза.

В грозовых облаках наибольшую угрозу для авиации представляют такие опасные явления, как сильная т урбулентность, мощные вертикальны е токи возд уха, интенсивное обледенение, электрические разряды, град и ливневые осадки. Следует отметить, что все эт и опасные явления мог ут наблюдат ься одновременно. Под облаками опасность предст авляют шквалист ые ветры, достигающие иногда ураганной силы, смерчи, ливневые осадки (дождь, град, снежные заряд ы), между облаками сильные нисх одящие и восходящ ие воздушные потоки, сд виги ветра.

Для образования грозового облака необходимы след ующ ие условия:

1. Вертикально направленные восходящие пот оки воздуха (конвекция).

2. Большое влагосодержание возд уха (абсолютная влажность а > 13 г/м3 или упр угость

водяного пара е > 15 гПа).

3. Большая положительная энергия неустойчивост и в тропосфере (до 400 гПа). Вертикальный

т емпературный градиент γ > 0,65°С/100 м.

Условно развитие грозового облака можно разделить на три ст адии (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Стадия развития грозового облака

I стадия – начальное развитие – от появления кучевого облака д о начала выпадения ливневых осадков. В эт ой стадии кучевые облака постепенно перерастают в мощ но-кучевые, а затем в кучево-дождевые “лысые”, из которых и начинают выпадать осадки. В облаках преобладают восходящие потоки, которые усиливаются от 2…5 м/с в кучевых облаках до

10...15 м/с в мощно-кучевых. Верхняя граница кучевых облаков 1,5…2,5 км, а мощно-кучевых –

4…6 км. Они состоят из капель воды. В кучево-дождевом “лысом” облаке начинает ся оледенение верх ней част и, и она уже состоит из переохлажд енных капель, снежинок и ледяных крист аллов. Скорости восходящих потоков в таких облаках могут достигать

20…25 м/с, а верх няя граница – 7…8 км. Переход от кучевого облака к мощно-кучевому происходит довольно медленно, а от мощно-кучевого к кучево-дождевому – очень быстро (1 час и менее). Вертикальная скорость подъема вершины облака в среднем равна 1 м/с, а в определенных случаях может д остигать 10 м/с. Межд у облаками наблюдаются нисходящие потоки воздуха.

II стадия – максим альное развитие – грозовое об лако из кучево-дождевого “лысого” развивается в кучево-дождевое “волосатое”. Из облака выпад ают ливневые осадки. Возникают электрические разряды в виде молний. Во вт орой ст адии в грозовом облаке наблюдаются интенсивные восходящие и нисходящие движения воздуха. Восходящ ие потоки достигают максимальных скоростей 30…40 м/с и более. Они преобладают в передней части облака. Скорост ь восход ящего пот ока в облаке почт и линейно растет с высотой, начиная с основания, и достигает максимального значения в пред вершинной части облака, после чего к верш ине облака скорость начинает линейно убывать. За счет ливневых осадков об разуются нисходящие потоки со скоростью 10…15 м/с. Нисх одящие потоки наиболее развиты в т ыловой части облака. Особенностью вертикальных пот оков внутри облака

является их сильная порывистост ь. Порывы могут дост игат ь 15 м/с и вызывать при бросках перегрузку самолет а до 2g и более. Внутри облака образует ся много вихрей разного размера, которые привод ят к инт енсивной турбулентности, вызывающей сильную болтанку ВС. Сильная т урб улентность наблюдается также и над верхней границей грозовых облаков (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Движения воздуха над в ершинами грозовых облаков

Над куполообразной вершиной кучево-дождевых облаков, не имеющей наковальни или выст упающеей из наковальни, в слое 200…300 м от облака имеют место сильные восходящие пот оки. Опасная т урб улент ност ь в эт ом случае наблюд ается в непосредственной близости к облаку, в слое 50…100 м. В зоне восходящих потоков самолет тянет вверх.

Над плоской вершиной в слое 200…300 м наблюдает ся нисх одящий пот ок. ВС,

попадающие в наковальню или пролетающие вблизи нее, верт икальными потоками могут быт ь втянуты в облако.

У внешних границ кучево-дождевых облаков чаще всего наб людаются нисходящие движения возд уха в сочет ании с турбулентностью. При подходе к облакам болтанка ВС может появляться на удалении, примерно равном диаметру облака.

Сильные восход ящие потоки, характерные для кучево-дождевых облаков, способ ны удерживать во взвешенном состоянии крупные капли воды, кот орые в зоне отрицательных температ ур находятся в переохлажденном состоянии, поэ тому в гр озовых облаках на всех высотах выш е нулевой изотермы наблюдается очень сильное обледенение ВС.

Большую опасность для полетов в грозовых облаках и под ними представляет град.

Выпадение града происход ит не при каждой грозе. Над Европой в равнинной мест ност и выпадение града происходит один раз в среднем на 10…15 случаев. В горных районах грозы с градом бывают чаще.

Выпадение крупного града является стихийным бедствием. От него сильно страдают посевы, фруктовые сады, виноградники, домаш ний скот на пастбищах. Град может пробиват ь обшивку ВС на ст оянках аэродромов. В полете, при попад ании в град, повреждаются обшивка фюзеляжа, особенно перкалевая обшивка ст абилизаторов вертолетов, остекление кабины экипажа, обтекатели ант енн и другие, сравнительно непрочные элементы конструкции ВС.

Во второй стадии большую опасность представляют явления, наблюдаемые под

грозовы ми облаками.

В передней части грозового об лака иногда образуется темный крутящ ийся вал из разорванных об лаков, кот орый называется шкваловым воротом . Он возникает на высот е

500…600 м (может опускат ься и до 50 м) на границе восходящего потока в облаке и нисходящего потока вне облака. Шкваловый ворот имеет большие скорост и вращения и является крайне опасным явлением. При высоких температурах, больш ой влажност и воздуха и сильной неустойчиво сти в ат мосфере конец шквалового ворот а может опускаться до земли, образуя сильный вихрь с приб лизительно вертикальной осью вращ ения и диаметром в

несколько десятков мет ров. Эт от вихрь называется см ерчем . Смерчи обладают большой разруш ительной силой. Их прохождение связано с большими кат астрофическими разруш ениями на земле. Пыль, об ломки разных предмет ов и даже животные и люди могут подниматься вверх этими пот оками и переносит ься на значительные расст ояния.

Вторая опасная зона под грозовыми облаками наблюдается межд у восходящими и нисходящ ими потоками воздуха в области ливневых осадков. Это зона шквалов. Ширина ее не превы шает 500 м. В высот у ш квал прост ирается до 2…3 км, его продолжительность несколько минут. У земли шквал проявляется как резкое усиление ветра, сопровождающееся изменением его направления почти на 180°. Ветер в зоне шквалов может д остигать силы урагана (более 29 м/с). Ш квал опасен для возд уш ных судов, находящихся в полет е на малых высот ах, а также д ля авиационной техники и различных легких построек, расположенных на аэродроме.

III стадия – стадия разрушения – ливневые осадки, выпадающ ие из грозового облака, ох лаждают воздух и подстилающую поверхность под облаком. Поэтому ослабевают, а затем прекращ аются восходящие пот оки. В данной ст адии в грозовом облаке преоб ладают нисходящ ие пот оки, которы е размывают это облако. Разруш ение грозового облака обычно начинается с нижней част и. Облако оседает и расширяет ся по площади. Скорость опускания верш ины равна 1…1,5 м/с, иногда 3 м/с. Нижняя граница грозового облака приобретает своеобразный вид – она становит ся вымеобразной. Вершина облака плоская и состоит из перистых облаков волокнистой ст рукт уры. В среднем ярусе к грозовому облаку примыкают высоко-кучевые об лака, а в нижнем – слоисто-кучевые облака.

В третьей стадии в грозовом облаке наблюдаются все опасные явления, которые х арактерны для второй стад ии, но по мере разрушения облака их интенсивность уменьшается.

Весь период развит ия грозового облака занимает от 3 до 5 часов.

Руководящ ие документы ГА запрещают пред намеренно входить в грозовые облака в люб ой ст адии их развития, так как в грозовых облаках и в непосредственной близост и от них прямую опасность д ля полетов представляют:

Порывистые восходящие и нисход ящие пот оки возд уха с больш ими скоростями,

приводящие к внезапным броскам ВС;

Интенсивное обледенение на всех высотах выше нулевой изот ермы;

Электрические разряды в вид е молний;

Град, вызы вающ ий механические повреждения ВС;

Сильные атмосферные помех и, нарушающие радиосвязь;

Ливневые осадки с ограниченной видимостью;

Шквалы и смерчи;

Сдвиги ветра в приземном слое.

Грозовые облака по своему составу являют ся смеш анными (рис. 9.8). Они состоят из

капель воды, снежинок и ледяных крист аллов. Обычно на нижней границе облака т емпература воздуха +5°С…+10°С, а на верхней границе, в зависимости от верт икальной мощности облака, она может быть -40°С…-65°С. Эт о обуславливает неод нородную структуру облака по его составу.

От основания облака до уровня нулевой изотермы облако состоит из капель воды, от

уровня нулевой изот ермы до уровня изотермы -20°С – из снежинок и переох лажденных капель воды, которые в этом слое преоб ладают; выш е уровня изот ермы -20°С преобладают уже снежинки и ледяные крист аллы.

При грозе в ат мосфере происход ят э лектрические разряды. Для возникновения э лектрических разрядов необходимо образование в грозовом облаке объемных электрических зарядов. Такие заряды создают ся в результ ате электризации облачных элемент ов - капель и ледяных кристаллов.

Рис. 9.8. Микроструктура грозового облака

Существует много (около 35) теорий образования объемных электрических зарядов в кучево-дождевых облаках. Наиб олее распространенной является теория образования элект рических зарядов в грозовом облаке вследствие дробления капель и кристаллов.

Под дейст вием сильных порывов восх одящих потоков крупные капли, об разовавшиеся в нижней части облака, разбрызгиваются. При эт ом происх одит их элект ризация. Мелкие капли заряжаются отрицат ельно и уносятся вверх. Крупные капли с положит ельным заряд ом ост аются в нижней части облака. В верхней части грозового облака электризация происходит, по-видимому, за счет т рения крист аллов и их раскалывания при ст олкновениях. Мелкие осколки заряжают ся положит ельно, крупные - от рицательно. Крупные осколки опускаются вниз и усиливают отрицат ельный заряд середины облака. Мелкие осколки, заряженные положительно, остаются во взвешенном состоянии в верхней част и облака.

Но не только т ак могут заряжаться грозовые облака. Облачные капли при своем движении замерзают и тают. Каждый из э тих процессов также приводит к электризации облачных частиц. Таким образом, электризация может происходить при следующих процессах:

− при крат ковременном контакте крупных и мелких капель;

− при разбрызгивании капель и дроблении кристаллов в результат е сильных восходящих и

нисх одящих пот оков внутри облака;

− при т рении кристаллов.

В результате электризации капель и кристаллов и переноса их воздушными пот оками в облаке образуются област и с мощными объемными зарядами. Среднее распределение элект рических зарядов в грозовом облаке приведено на рис 9.9.

Отрицательные электрические заряды сосредоточены в основном в тыловой и средней части облака от нижней границы до изотермы -20°С, а положительные заряды - в передней част и облака, где имеют ся мощные восходящие пот оки воздуха, а также вы ше изот ермы -20°С.

Если напряженност ь элект рического поля между двумя объ емными зарядами в облаке

или между об лаками и землей дост игает величины пробивного потенциала воздуха (около

30000 В/см), то происходит электрический разряд. Такие разряды, сопровождающиеся ослепительной вспышкой света и раскат ами грома, назы вают ся молния ми .

Гром - явление акустическое, основной его причиной является ударная волна,

возникающая в результат е разрыва разрядного канала.

По внешнему виду и физическим особенностям молнии подразделяют ся на линейную разветвленную, плоскую и ш аровую.

Рис. 9.9. Электрическая структура грозового облака

Линейная разветвленная молния - эт о наиболее часто наблюд ающийся гигантский искровой разряд атмосферного электричест ва. Длина молнии в среднем сост авляет 2…3 км, а иногда может дост игать 20 км и более. От основного канала имеется несколько ответвлений, поэтому линейная молния похожа по внешнему вид у на сух ую вет вь лиственного дерева. Скорость молнии сост авляет около 102…103 км/с. Сила тока внутри канала молнии порядка д есятков тысяч ампер. Температура плазмы в молнии превыш ает 10000°С. Линейная молния возможна внут ри грозового облака, межд у обл аком и землей, межд у д вумя облаками.

Плоская молния представляет собой б есшумное красноватое свечение какой-либо части облака, возникающее за счет суммарного эффекта большого количества коронных разрядов на облачных частицах. Продолжительность т акой молнии около 1 секунды. Плоскую молнию не нужно смешиват ь с зарницей, когда облака освещаются удаленной и непосредственно невидимой линейной молнией.

Шаровая м олния - это довольно редкое и загадочное явление. Она пред ставляет собой круглую светящуюся массу размером с кулак, иногда с арбуз и более. Природа шаровой молнии полностью не раскрыта. Считают, что это скопление плазмы, возникающ ее после об ычной линейной молнии.

При полете в грозовом облаке или вблизи него может произойти попадание молнии в ВС.

Это возможно в двух случаях:

− ВС нах одится на пути молнии;

− напряженност ь электрического поля между объ емным зарядом в облаке и объ емным зарядом ВС больше пробивного потенциала возд уха.

В результ ате попадания молнии в ВС может произойт и:

− разгерметизация кабины;

− пожар на ВС;

− ослепление экипажа;

− разрушение об шивки, отд ельных дет алей и радиотехнических средств;

− намагничивание стальных сердечников в приборах и др.

Вероятность поражения ВС молнией возраст ает с увеличением их массы и скорости

полета. Наиболее часто поражаются молнией радиоантенны, крылья, ст абилизатор и фюзеляж. Существенно реже происходит поражение т опливных баков, но э ти случаи обычно имеют тяжелые последствия.

С грозовыми разрядами тесно связаны атмосферные радиопомехи (атм осферики ) . Это электромагнитные импульсы, которые возникают в процессе грозового разряда. Распространяясь от места своего возникновения, атмосферики вызывают радиопомехи - особ енно на длинных волнах. Они создают ш умы и треск в телефонах. Чем больше напряженность электрического поля в грозовом об лаке, тем сильнее атмосферные рад иопомехи.

Различные природные явления постоянно сопровождают человека, и одним из них является гроза. Это уникальное буйство стихий, которое устрашает и завораживает. Как образуется гроза, мало кто знает, так же как и правила безопасности во время проявления стихии. А ведь синоптики заблаговременно пытаются установить грозовую мощь, и не случайно.

Что это такое

Откуда берется гроза и что это за явление? Гроза представляет собой разновидность осадков, при которых в облаках, над ними и под ними формируются электрические разряды, т. е. молнии. Частыми спутниками грозы становятся град, сильные ветры, ливневые дожди. В одно и то же время на планете фиксируется свыше тысячи гроз разной силы. Большая часть из них отмечается над материками, а самое большое количество - в тропических широтах, на экваторе. Мощь стихии определяется расположением региона, где фиксируется явление. Самые опасные грозы проявляются в горной местности.

Особенности грозы

А как образуется гроза, в какое время года? Это природное явление обычно возникает в теплое время года. Причем ее мощь напрямую зависит от расположения Солнца. В средних широтах самые сильные грозы фиксируются после полудня. Главными их предвестниками являются кучево-дождевые облака, слабый ветер. Эти облака легко отличить от других по темному цвету и характерной форме: они вытянуты по вертикали, верхняя часть завершается верхушкой в форме наковальни.

Образование грозовых туч

Так откуда появляется гроза, из каких облаков и как они формируются? Мы видим грозу, только если в небе все сложится «удачно», а именно будут созданы условия для формирования грозовых облаков из кучевых.

Изначально кучевые облака проходят стадию зрелости, во время которой происходит развитие тучи. Затем наступает стадия распада, при которой выпадают осадки, наблюдаются электрические разряды.

Чтобы сформировались грозовые тучи, необходимо наличие восходящих потоков влаги, причем в огромном количестве. Такое возможно, только если туча формируется возле водоема, в горной местности. Поднимаясь с поверхности земли, воздушные массы устремляются вверх, начинают образовываться облака. В результате этого процесса могут быть сформированы четыре типа туч:

Одноячейковые. Такие облака почти незаметны.
Многоячейковые кластерные. Почти каждый раз, как происходит гроза, учеными фиксируется формирование именно этого типа туч. Природные явления, происходящие с образованием многоячейковых облаков, имеют небольшую силу.
Линейные многоячейковые. При этом виде облаков наблюдается сильный порывистый ветер, который сопровождает грозу. Однако само явление грозы не особо опасно и не сильное.
Суперъячейковые. Такие тучи считаются самыми сильными, опасными. Их отличие от других видов в том, что они способны вращать воздух вокруг масс, из-за чего формируются торнадо.

В зависимости от того, как образуется гроза, ее относят к внутримассовому или фронтальному типу. В последнем случае явление возникает из-за появления теплого или холодного фронта, а в первом - наблюдается перегрев атмосферы. Независимо от типа грозы, это явление длится недолго, около получаса, хотя грозовое облако может растянуться на десятки километров в горизонтальном направлении, а в вертикальном - до двадцати километров. При больших размерах туч гроза может длиться часами.

Отличие молнии и грозы

Молния - это красивое природное явление, одно из проявлений грозы, возникающее в результате заряда льдинок или капелек воды в туче разными зарядами. Когда наэлектризованных частиц в облаке становится много, и они подходят друг к другу близко, возникает их разряжение с выделением огромного количества энергии. Ударная волна сопровождается звуком в виде грома. Гроза - это и молния, и гром, и дождь, и другие проявления стихии, а молния - это всего лишь электрический разряд, возникающий при прохождении накопленного напряжения через узкие коридоры между положительно и отрицательно заряженными частицами тучи.

Опасность грозы

Ученые не случайно следят за состоянием и формированием облаков. После того, как образуется гроза, они оценивают ее потенциал. И если он окажется огромным, то они предупреждают население о возможной опасности.

Опасность грозы заключается в электрических разрядах, ветре, виде осадков. Среди всего этого проявления самыми опасными считаются шквальные ветры, торнадо и молнии. Если электроразряд попадет в человека, то это может привести не только к серьезным увечьям, но и к смерти. При попадании в здания, молнии могут вызвать пожары.

Зная, когда и как появляется гроза, ученые могут предсказать силу ветра, ведь шквальные потоки воздуха способны вызывать разрушения всего, что достигнуто человеком, наносить непоправимый урон природе, валить деревья. Иногда во время грозы возникает торнадо - сильные вихри воздушных потоков, где скорость воздуха может достигать сотни километров в секунду. Такие природные явления способны наносить колоссальный урон.

Гроза, будь осторожен

Во время проявления стихии людям следует проявлять осторожность. Это позволит не только сохранить жизнь, но и избежать негативного проявления грозы. Во время ненастья следует выключить все электроприборы, причем обесточив их полностью (выключаем вилку из розеток). Если вдруг молния попадет в электропровода, то она вызовет сильнейший скачок напряжения с силой до 300 000 ампер.

Заметив, как появилась гроза, стоит сразу же закрыть все окна, форточки, двери. Нельзя стоять рядом с открытым окном. Если явление настигло на улице, то стоит незамедлительно зайти в помещение. Нельзя прятаться под деревьями, находиться вблизи линий электропередач, держать в руках металлические предметы. При нахождении в трамвае и другом общественном транспорте не стоит держаться за металлические поручни. Нельзя парковаться на машине возле деревьев и рядом со столбами линий электропередач.

Если гроза застала в лесу, то стоит как можно быстрее выйти на опушку или участок, где нет деревьев. Все металлические предметы необходимо убрать как можно дальше от себя. Если вдруг нет возможности стать на опушке, то лучше всего найти какое-нибудь низкое дерево или куст. Во время грозы лучше всего сесть на землю или лечь, что позволит снизить последствия попадания молнии. Избежать удара молнией можно, если укрыться от стихии в низменности или какой-нибудь яме.

Не стоит забывать во время грозы про сильный ветер. Он способен не только вызывать сильнейшие разрушения, но и стать причиной получения увечья, а иногда привести к смертельному исходу. В некоторых районах Земли грозы часто сопровождаются торнадо. В той местности, где такое явление часто, люди строят специальные убежища, в которых они прячутся во время торнадо.

После грозы

Во время электрических разрядов стратосфера насыщается озоном. Из-за него воздух после грозы свежий, легкий, со специфическим запахом. Им легко и приятно дышать, но мало кто знает, что такой воздух опасен, ведь он перенасыщен озоном, опасным для дыхательной системы веществом.