Физика кучево-дождевых облаков
Кучево-дождевые облака (лат. Cumulonimbus, Cb) — наиболее мощные и вертикально развитые облачные образования в атмосфере, обладающие значительным вертикальным размахом, зачастую достигающим тропопаузы и даже проникающим в нижнюю стратосферу. Их формирование связано с интенсивной конвективной деятельностью в атмосфере, возникающей при наличии устойчивого вертикального градиента температуры и достаточного количества влаги в нижних слоях тропосферы.
Процесс начинается с формирования кучевых облаков (Cumulus congestus) в условиях неустойчивого стратифицированного воздуха. При дальнейшем развитии и усилении восходящих потоков происходит перерастание этих облаков в кучево-дождевые. Главными условиями такого развития являются:
Кучево-дождевое облако состоит из трёх характерных зон: нижней тёплой, средней переходной и верхней холодной. В нижней части содержатся преимущественно капельки переохлаждённой воды. С высотой происходит резкий переход к области, насыщенной кристаллами льда, снежинками, градинами и переохлаждённой водой, способствующими развитию процессов обмерзания и бергерон-финдеезеновского механизма.
Ключевые микрофизические процессы:
Наличие крупных и плотных градин характерно для зрелой стадии развития Cb-облаков. Размеры градин могут достигать нескольких сантиметров в диаметре.
Вертикальный профиль кучево-дождевого облака характеризуется мощными восходящими и нисходящими потоками. Скорости восходящих потоков могут превышать 30–40 м/с, особенно в центральной части облака. Эти потоки обусловлены сильной положительной плавучестью воздуха, который при подъёме адиатически охлаждается медленнее окружающего, что создаёт устойчивую неустойчивость.
На разных высотах происходит чередование зон с восходящими и нисходящими движениями. Верхняя часть облака, где восходящие потоки ослабевают, характеризуется расстиланием облачной массы в виде наковальни (incus) — результат взаимодействия облака с тропопаузой.
При достижении зрелой стадии внутренняя структура облака становится высокоорганизованной:
Кучево-дождевые облака являются основными источниками атмосферного электричества. Процессы электризации связаны с соударениями кристаллов льда, градин и капель в условиях сильной турбулентности. Основной механизм — дифференциальная зарядка частиц в процессе столкновений и разделения фаз.
Возникает характерная дипольная структура заряда:
Эта структура создаёт напряжённость электрического поля порядка десятков киловольт на метр, достаточную для пробоя воздуха и возникновения разрядов. Грозовые разряды могут происходить:
Молнии сопровождаются резким нагревом воздуха до 30 000 °C, ударной волной и акустическим эффектом — громом.
Кучево-дождевые облака продуцируют кратковременные, но интенсивные осадки: ливневый дождь, крупный град, мокрый снег. Выпадение осадков начинается с достижения критической массы капель и кристаллов, которые не могут более поддерживаться в потоке.
Шквальные явления сопровождают Cb-облака в результате сильных нисходящих движений, особенно в условиях сухого воздуха в среднем тропосферном слое. Нисходящий поток, обогащённый испаряющимися осадками, охлаждается, приобретает отрицательную плавучесть и резко устремляется вниз, вызывая шквал — резкое усиление приземного ветра.
Местами могут развиваться смерчи (торнадо), особенно при наличии сильной вертикальной сдвижки ветра и значительного вращательного момента. В таких случаях в нижней части облака формируется воронка, контактирующая с землёй.
Кучево-дождевые облака зачастую входят в состав более крупных конвективных систем, таких как:
Суперклетка — это устойчиво вращающееся Cb-облако с длительным жизненным циклом, сопровождающееся крупным градом, ливнями, смерчами и интенсивными грозами. Характерная особенность — наличие мезоциклонального вращения.
Cb-облака обладают ярко выраженной отражательной способностью в радиолокационном диапазоне. На радарных изображениях они представлены как области высокой отражающей способности (до 60 дБз), с чётко выраженной вертикальной структурой.
Типичные признаки:
На спутниковых изображениях в ИК-диапазоне легко распознаются по очень низким температурам верхней границы (до –70 °C и ниже) и характерной структуре «наковальни».
Кучево-дождевые облака играют важную роль в переносе влаги и тепла в вертикальном направлении. Они участвуют в формировании общей циркуляции атмосферы, особенно в тропиках (где концентрируются в зоне межтропической конвергенции), а также в модуляции радиационного баланса (за счёт мощного альбедо и влияния на длинноволновое излучение).
Для авиации Cb-облака представляют серьёзную опасность:
Поэтому они подлежат обязательному обходу на всех высотах, в том числе при полётах с использованием автопилота и навигационных систем.
Жизненный цикл кучево-дождевого облака условно делится на три стадии:
Средняя продолжительность жизни одного облака составляет от 30 минут до 2 часов, однако в составе организованных систем может достигать 6–12 часов и более.