ГРОЗЫ И ШКВАЛЫ

1
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГРОЗ
Грозой называется атмосферное явление, неразрывно связанное с
образованием кучево-дождевых облаков, электрических разрядов в виде молний,
сопровождающихся сильным звуковым эффектом — громом, а также выпадением
ливневых осадков. Иногда грозы не сопровождаются выпадением осадков
(сухие грозы), как и ливневые осадки не всегда сопровождаются грозами.
Развитие таких облаков возможно при наличии благоприятных условий для
мощных восходящих движений воздуха.
Важнейшим условием для образования грозовых облаков является наличие
влажного и теплого неустойчивого воздуха, при подъеме которого вверх могла бы
образоваться мощная облачность (от уровня конденсации — нижняя граница
облаков — до высот, где температура воздуха отрицательная). Поэтому грозы
чаще всего образуются:
при неравномерном нагревании приземного слоя воздуха от подстилающей
поверхности;
при подъеме и вытеснении теплого воздуха холодным воздухом на
атмосферном фронте;
при подъеме воздуха вдоль горных склонов.
Грозы в облаках, не достигших в своем развитии изотермы 0° и имеющих
малую вертикальную мощность, — довольно редкое явление.
По достижении уровня конденсации в поднимающемся воздухе начинается
сгущение водяного пара и образование облака. Превращение водяного пара в
капельки воды сопровождается выделением скрытой теплоты конденсации,
которая в дальнейшем оказывает большое влияние на развитие кучеводождевого облака и все явления, с ним связанные. При этом подъем насыщенного
водяным паром воздуха возможен в том случае, когда он будет теплее и,
следовательно, легче окружающего воздуха. Верхней границей подъема
восходящего воздуха, а также верхней границей кучево-дождевого облака будет
уровень, на котором температура поднимающегося воздуха сравняется с
температурой в окружающей атмосфере. Наряду с влажностью воздуха для
развития мощных грозовых облаков большое значение имеет вертикальный
градиент температуры в окружающей атмосфере: чем быстрее падает температура с
высотой, тем больше вероятность развития мощных кучево-дождевых облаков, и
наоборот. В тех случаях, когда в тропосфере летом наблюдаются большие
вертикальные градиенты температуры и в воздухе содержится большое количество
водяного пара, можно ожидать образования мощных кучево-дождевых облаков
вплоть до тропопаузы, которая в большинстве случаев служит мощной преградой
для развития облаков по вертикали. В реальных условиях процесс образования
кучевообразных облаков еще более сложен, так как при подъеме более теплый
воздух перемешивается с воздухом окружающей атмосферы.
Независимо от условий, при которых происходит образование кучеводождевых облаков, они от начала возникновения и до рассеяния проходят
определенный цикл развития, состоящий из трех стадий.
П е р в а я с т а д и я , или стадия кучевого облака, начинается с
возникновения кучевого облака.
Если поднимающийся воздух недостаточно влажен, а окружающая
атмосфера устойчива, то образуются кучевые облака хорошей погоды.
2
В случае, когда в атмосфере имеются благоприятные условия для
образования грозовых облаков, возникающие кучевые облака быстро растут как в
вертикальном, так и в горизонтальном направлении, и в процессе их развития
нередко происходит слияние нескольких облаков в одно более крупное облако.
В т о р а я с т а д и я в развитии кучево-дождевого облака характеризуется
образованием наковальни и выпадением ливневого дождя.
Верхняя часть мощного кучевого облака, состоящая из мельчайших капелек
воды, попадает в область отрицательных температур (выше изотермы 0°).
Капельки воды начинают замерзать, превращаясь в кристаллы льда, на которых в
свою очередь вновь оседают и замерзают капли воды. Так образуются снежинки,
град и крупа. Вершина облака, имеющая вид башни, начинает туманиться и
покрываться шелковистой пеленой, или «шапкой». Это служит признаком того,
что мощное кучевое облако превращается в кучево-дождевое.
Быстро увеличивающиеся в размерах ледяные частицы (снежинки, град,
крупа), достигнув такой величины, когда они уже не могут поддерживаться
восходящими потоками во взвешенном состоянии, начинают падать вниз,
продолжая при этом расти. Достигнув области положительных температур, они
тают и выпадают из облака в виде дождя, а если не успевают растаять, — в виде
града или крупы. На этой стадии развития в верхней части облака образуется
ледяная наковальня и из облака выпадают наиболее сильные ливневые дожди,
часто сопровождающиеся г р о з о й и г р а д о м .
При значительной неустойчивости атмосферы грозовое облако может
достигнуть наибольшего развития в течение 30— 60 минут.
В нижней своей части оно обычно состоит: до изотермы 0° — из капель
воды различной величины, от изотермы 0° до изотермы минус 20° — из
переохлажденных капель воды и снежинок, выше изотермы минус 20°— обычно
из кристаллов льда и мелких снежинок, а также из небольшого количества
мельчайших переохлажденных капель воды. Летом у нижней границы облака
температура может достигать плюс 15 — 20° а у вершины — минус 40 — 50°.
.Во второй стадии развития грозового облака самолет может встретить
сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые располагаются
поблизости один от другого. Диаметр восходящих и нисходящих потоков в
грозовом облаке может достигать нескольких километров. В отдельных случаях
восходящие потоки достигали 15 км. В этой стадии продолжается всасывание
воздуха из окружающего пространства внутрь облака.
У основания облака наряду с сильными восходящими движениями в
передней его части наблюдаются значительные нисходящие движения холодного
воздуха, опускающегося из облака вместе с осадками и растекающегося под
облаком. У поверхности земли на границе восходящего и нисходящего потоков
возникают шквалы, нередко достигающие ураганной силы. Примерно на высоте
600 — 1000 м впереди кучево-дождевого облака на этой же границе часто
возникает «крутящийся вал» — вихрь с горизонтальной осью. Иногда он
опускается до высоты 50 м над поверхностью земли.
Т р е т ь я с т а д и я является завершающей. В этой стадии происходит
постепенный распад и разрушение облака.
Образование наковальни в верхней части грозового облака свидетельствует
о том, что оно достигло максимального развития и в дальнейшем будет
постепенно разрушаться.
3
Нисходящий поток постепенно ослабевает, так как ослабевают создающие
его осадки. В таком разрушающемся облаке скорость нисходящих потоков
редко превышает 5 — 10 м/сек.
В верхней части облака еще сохраняются восходящие потоки, постепенно
ослабевающие, а облако из «кипящего» и плотного становится рыхлым и
разорванным, особенно в своей нижней части.
На последней стадии в облаке наблюдается обычно слабая и реже
умеренная болтанка.
Таким образом, наибольшая турбулентность в грозовом облаке бывает в
период перехода мощного кучевого облака и кучево-дождевое, когда происходит
бурный процесс его развития в вертикальном направлении. Хорошо развитые
кучево-дождевые облака могут своими вершинами достигать тропопаузы, которая
в средних широтах располагается на высоте 10 — 12 км. В субтропиках
развиваются особенно мощные грозовые облака, вершины которых достигают
высоты 16 — 20 км.
В период наибольшего развития кучево-дождевого облака экипаж может
встретить особенно сильные восходящие и нисходящие потоки,
достигающие скорости 20 — 30 м/сек. Самолет в течение короткого
промежутка времени может самопроизвольно потерять несколько сотен метров
высоты или может быть подброшен вверх. Наиболее сильная турбулентность
чаще всего наблюдается в средней части облака на высоте 3000 — 6000 м; более
слабая — в нижней части облака до высоты 2000 — 3000 м и выше 6000 м.
Время, в течение которого происходит полный цикл развития и разрушения
грозового облака, может составлять от 1 до 5 часов.
В атмосфере непрерывно образуются объемные электрические заряды,
которые переносятся как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Наиболее мощные объемные заряды образуются в грозовых облаках.
Верхняя часть облака, выше изотермы — 10°, имеет положительный заряд,
нижняя часть — отрицательный — с центром ниже изотермы 0°. Часть грозового
облака, заключенная между изотермами 0 и —10°, является зоной разделения
электрических зарядов. При наличии мощных восходящих движений может
наблюдаться второй положительный заряд в самой нижней части облака с
небольшим протяжением по горизонту.
. В том случае, когда в грозовом облаке напряжение электрического поля
достигает пробивного значения (около 10 000 в на сантиметр), возникает
молния, представляющая собой искровым электрический разряд между
разноименными объемными зарядами. Разряды могут наблюдаться между
различными частями облака, между облаками и между облаком и землей.
Молния (грозовые разряды) бывает различных видов: линейная, плоская,
четочная и шаровая. Чаще всего наблюдаются линейные молнии, средняя длина
которых составляет 2—3 км..
Молния сопровождается громом, который возникает в результате
быстрого расширения воздуха в разрядном канале от нагревания. При
электрическом разряде температура воздуха почти мгновенно повышается на
несколько десятков тысяч градусов. Расширение воздуха происходит с
грохотом, напоминающим взрыв. После разряда молнии воздух в разрядном
канале быстро охлаждается и сжимается, что вызывает дополнительное
сотрясение его и усиливает звук.
4
Расстояние, на котором слышен гром, не превышает 20 — 35 км и лишь
в редких случаях может достигать 50 км. Зная время от момента вспышки
молнии до появления грома, можно рассчитать расстояние, отделяющее
наблюдателя от места удара молнии. Для этого следует умножить полученное
время (в секундах) на скорость звука, которая в среднем равна -330 м/сек.
Все грозы принято делить на два главных типа: внутри-массовые и
фронтальные. Подавляющее количество гроз в умеренных широтах возникает на
атмосферных фронтах; внутримассовые грозы преобладают в субтропиках и
тропиках.
На образование гроз внутри воздушных масс большое влияние оказывают:
степень устойчивости воздуха, его влагосодержание и характер подстилающей
поверхности (холодная или теплая, влажная или сухая, суша или вода).
Наиболее распространенной внутримассовой грозой является т е п л о в а я ,
или м е с т н а я г р о з а , возникающая в результате нагрева воздуха от
подстилающей поверхности. Тепловые грозы возникают летом после полудня и
рассеиваются вечером. Перемещаются такие грозы обычно по направлению ветра
на средних высотах, а скорость ветра при этом не превышает 5 — 25 км/час.
Характерным для тепловой грозы является то, что перемещаясь над землей,
нагретой солнцем она усиливается, а попадая в районы с более холодной
подстилающей поверхностью (озера, реки, лесные массивы), ослабевает или совсем
рассеивается. В отдельных случаях тепловая гроза сопровождается шквалистым
ветром и градом.
Условия полетов в зоне тепловых гроз зависят от степени их развития и в
большинстве случаев не представляют особых трудностей, поскольку такие грозы
чаще всего изолированы одна от другой, а поэтому летчик имеет возможность
найти свободные от кучево-дождевых облаков пространства и совершать полет на
значительном удалении от грозовых облаков. Полеты в кучево-дождевых облаках
и под облаками весьма сложны. При полете под кучево-дождевыми облаками
можно попасть в сильную болтанку и плохую видимость в зоне сильного ливня.
При входе в кучево-дождевое облако наряду с сильной болтанкой самолет может
встретить сильное обледенение в слое отрицательных температур.
Зону сильной болтанки в подоблачном слое можно своевременно определить
по пыльным бурям, вызванным резким усилением ветра при приближении тепловой
грозы.
Полет в зоне тепловых гроз сильно осложняется, если, помимо кучеводождевых облаков, в большом количестве встречаются и другие облака,
маскирующие грозовые очаги. В этих случаях, чтобы не попасть в грозовое облако,
целесообразнее совершать полет на больших высотах, где можно без особых
затруднений обойти грозовые облака. При развитых тепловых грозах
турбулентность захватывает всю толщу атмосферы от поверхности земли до
верхней границы облаков. При тепловых грозах любой интенсивности спокойным и
безопасным будет полет выше облаков.
Второй разновидностью внутримассовых гроз являются грозы, возникающие в
неустойчивых,
холодных
воздушных
массах.
Эти грозы
наблюдаются как над сушей, так и над морем.
Условия полетов в таких грозах ничем не отличаются от полетов в
тепловых грозах. При планировании полетов необходимо учитывать не только
вертикальную мощность грозовых облаков, но и скорость их перемещения. Такие
5
грозы перемещаются с большой скоростью (более 30 км/час) и нередко
сопровождаются сильными порывистыми ветрами у поверхности земли и на
высотах.
Одной из разновидностей внутримассовых гроз являются так называемые
о р о г р а ф и ч е с к и е г р о з ы , обусловленные подъемом неустойчивого воздуха
вдоль склонов гор. Эти грозы связаны с определенными географическими районами
и возникают чаще всего на наветренных склонах гор.
К фронтальным грозам относятся грозы, развивающиеся на холодном и
теплом фронтах и на фронтах окклюзии.
Грозы на холодных фронтах бывают наиболее сильными; они возникают
вследствие мощного подъема теплого и влажного неустойчивого воздуха по клину
холодного воздуха. При этом холодный воздух, вытесняющий теплый, поступает
на более теплую подстилающую поверхность и становится также неустойчивым. В
результате этих процессов в передней части холодного фронта в теплое время года
образуются мощные грозовые облака с ливнями, а нередко с градом и шквалами,
достигающими ураганной силы.
Грозы холодного фронта усиливаются во вторую половину дня, а также
при подходе фронта к горному хребту и несколько ослабевают во вторую
половину ночи и утром.
На резко выраженных холодных фронтах чаще всего наблюдаются самые
сложные и опасные для полета условия погоды. Поэтому во всех случаях, когда
это возможно, следует избегать пересечения таких фронтов, особенно в теплое
время года.
При выборе маршрута полета, связанного с пересечением холодного
фронта с грозой, необходимо учитывать следующее.
1.
Холодный фронт обычно имеет небольшую горизонтальную
протяженность по ширине - всего несколько десятков километров, а опасную для
полета зону еще меньше. Поэтому для сокращения времени полета в сложных
метеорологических условиях необходимо пересекать холодный фронт под прямым
углом, т. е. перпендикулярно к линии фронта.
2. Во многих случаях холодный фронт можно пересекать на высотах 5 — 6 км
и выше, так как вал кучево-дождевых облаков вдоль фронта не всегда имеет
характер сплошной стены до самых вершин грозовых облаков.
3. В ряде случаев холодный фронт целесообразно пересекать под облаками,
если высота их не слишком мала, или в местах, где нет осадков или где осадки
слабее. Обычно это бывает на тех участках фронта, где вертикальная мощность
облаков наименьшая, и в случае размытого фронта.
Холодный фронт лучше всего пересекать над облаками, однако хорошо
развитые кучево-дождевые облака могут своими вершинами достигать тропопаузы
и даже проникать на 1 — 2 км в стратосферу.
В передней части фронта часто наблюдаются пыльные бури, сильно
ухудшающие видимость у земли и указывающие на наличие шквалистых ветров.
Грозы на теплом фронте — сравнительно редкое явление; они развиваются в
теплом неустойчивом воздухе, восходящем по клину холодного воздуха.
В Европейской части России грозы этого типа наблюдаются при
перемещении циклонов с юга, когда в теплом секторе циклона располагается
влажный и неустойчивый тропический воздух. В этом случае грозы могут
возникнуть внезапно на большой территории вдоль теплого фронта и обладать
6
большой активностью не только днем, но и ночью. Теплый фронт обычно имеет
мощную систему слоисто-дождевых облаков. Возникающие на таком фронте кучеводождевые облака бывают закрыты другими облаками, и самолет может попасть в
них неожиданно. В этом случае надо быть особенно осторожным. По усилению
радиопомех и осадков, характерных для грозы, можно судить о ее близости.
В летние месяцы основная облачность теплого фронта бывает часто
расслоена. При полете в прослойках свободных от облаков, следует избегать
входа в облака, которые пронизывают слоисто-дождевые облака снизу вверх и
имеют «кипящие» поверхности.
Полет через фронты окклюзии, на которых возникает грозовая
деятельность, ничем не отличается от полета через холодные и теплые
фронты.
С грозовыми облаками неразрывно связаны шквалы, которые могут
наблюдаться как в случае внутримассовых гроз, так и при фронтальных грозах.
Шквалом называется внезапное и резкое усиление ветра (более 15 м/сек),
сопровождающееся изменением его направления в течение короткого промежутка
времени измеряемого минутами. Скорость ветра при шквалах может достигать
ураганной силы (30 м/сек и более).
Подобно шквалам с грозовыми облаками связаны смерчи, или тромбы,
сравнительно небольшие вихри (диаметром от нескольких десятков до нескольких
сотен метров) наклонной или вертикальной осью. В таких вихрях вращение,
воздуха, поднятой пыли и воды в Северном полушарии происходит в большинстве
случаев против часовой стрелки, т. е. так же, как и в циклонах.
Смерчи и шквалы, наблюдающиеся на территории России в
большинстве случаев в южных и центральных районах, представляют большую
опасность не только в полете, но и для самолетов, находящихся на земле. Поэтому
надо проявлять особую осторожность при проведении полетов в условиях грозовой
деятельности, когда возможно развитие шквалов или смерчей.
Грозы на территории. России распределяются весьма неравномерно..
Среднее число гроз уменьшается с юга на север, и за Полярным кругом их бывает
меньше пяти. Наибольшее число гроз наблюдается в Западном Закавказье, где
их бывает 30 - 40, а местами 50 — 60. До 30 — 35 дней с грозой наблюдается в
горных районах Средней Азии и 30 — 40 в Хабаровском крае. В центральных
районах ETC бывает 20 — 25 дней с грозой, в Азиатской части России от 10 до 20
дней.
Подавляющее количество гроз возникает на атмосферных фронтах. Грозы
в центральной части ETC чаще всего отмечаются в послеполуденные часы и реже
в первую половину суток.