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.