На планете Земля одновременно происходит до 1800 гроз. Майские грозы гремят по всему миру (рис.1). И на Европейской территории России – весна, и уже открыт сезон гроз.
К грозам относят комплексное атмосферное явление, сопровождающееся многократными электрическими разрядами, интенсивными осадками, выпадением града, кратковременным усилением скорости ветра, иногда достигающей силы шквала [2].
Как не бывает дыма без огня, так не бывает и грозы без облака. Грозовым называют кучево-дождевое облако, внутри которого (или между ним и поверхностью Земли) существуют молнии (кратковременные электрические разряды, обычно длиной в несколько км). Часто термин «грозовое» используется как синоним кучево-дождевого облака, но последнее не обязательно сопровождается грозовыми явлениями (подробнее о родах облаков – в статье «Международная классификация облаков»). Поэтому наличие молний – главная отличительная особенность грозовых облаков [1].
За сутки на земном шаре образуется порядка 100000 грозовых облаков. Обычно их вершины достигают высот 8-12 км, но в тропиках могут доходить и до 20 км. Грозовое облако в среднем существует около часа, однако за это время успевает «накачать» в себя огромное количество влажного воздуха, что приводит впоследствии к выпадению ливневых осадков.
Грозовое облако – мощный воздушный насос. Так, чтобы образовалось среднее грозовое облако с влагосодержанием 200000 тонн и с центром тяжести, находящимся на высоте 4 км, необходимо, чтобы из приземного слоя на эту высоту была поднята масса влажного воздуха 10000000 тонн [1]. Грозовое облако является также и мощным электрическим генератором: по своей мощности (100-1000 МВт) оно сравнимо с гидрогенераторами Братской (225МВт), Красноярской (508 МВт), Саяно-Шушенской (640 МВт) ГЭС [1,5].
Для образования любого облака (в том числе и грозового) воздух должен содержать водяной пар (испарение с поверхности земли + транспирация растений) и охлаждаться (восходящие движения) (подробнее – в статье «Как образуются облака?»). При подъеме влажного воздуха водяной пар конденсируется на ядрах конденсации (частичках солей, почв, пыльцы и др.). В облаке образуются капли и/или кристаллы. Они заряжены положительно, отрицательно или не заряжены. Причины электризации элементов облаков недостаточно ясны, существуют разные теории. Однако известно, что, как правило, в нижней части облака накапливаются отрицательные заряды, в верхней – положительные (рис.2 а).
![Рис.2. Стадии развития грозового облака [1]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/4303740/pub_609fd6e546cbf11541d0bab0_609fd73a46cbf11541d19d8e/scale_1200)
Сначала формируется кучевое облако. При благоприятных условиях оно «превращается» в кучево-дождевое. Выделяют 3 стадии развития грозового облака. Первая стадия – стадия роста – начинается тогда, когда кучевое облако начинает расти. Его вершина дорастает до высоты 4-5 км. Облако состоит из капель воды, осадков не дает. Однако в верхней части при попадании капель в зону отрицательных температур они замерзают, превращаясь в кристаллы льда. Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым лысым. Стадия роста обычно продолжается 10-20 минут.
Вторая стадия (стадия зрелости или максимального развития кучево-дождевого облака) характеризуется выпадением ливневого дождя, иногда града и появлением грозовых разрядов (молний). Авторы работы [1] предполагают, что молниевые разряды в облаке инициируют космические лучи. Обычно разряды следуют по одному и тому же пути, называемому каналом молнии.
Благодаря молниям возрастают концентрации заряженных ядер конденсации. В процессе конденсации выделяется скрытая теплота, которая усиливает восходящие потоки. Соответственно, увеличиваются электрическая активность и влагосодержание в облаке [1]. В стадии зрелости увеличение электрического поля в промежутке облако-поверхность Земли приводит к появлению нисходящих молний. Они переносят из облака на поверхность Земли отрицательные заряды (рис. 2 б).
Быстрое и сильное нагревание и, следовательно, быстрое расширение воздуха в канале молнии образуют взрывную волну, которая создает звуковой эффект – гром. Так как звук от различных точек пути молнии доходит до наблюдателя не одновременно, а также вследствие отражения звука от облаков и от земли, гром имеет характер длительных раскатов. При отдаленной грозе (когда не слышен гром) мы видим зарницы – освещение облаков невидимыми молниями [3].
Характерным признаком стадии зрелости является появление в верхней части облака огромной “наковальни”.
Метеорологи могут опознать грозу по грозовому носу (рис.4). Так называется характерный ход атмосферного давления, зарегистрированный на барограмме при прохождении шквала, обычно связанного с грозой и ливнем. Давление сначала падает, но при прохождении шквала быстро поднимается вверх, а после – снова падает примерно до прежнего уровня [6].
Иногда у кучево-дождевых облаков наблюдается дополнительная особенность – грозовой ворот (рис.5). Это плотный и темный облачный вал с более или менее разорванными краями, расположенный под основным облаком в его передней части [6].
У зрелых грозовых облаков – наибольшие вертикальные и горизонтальные размеры, из них выпадают самые сильные осадки. С ними связано большинство гроз и градобитий. Стадия зрелости длится 20-30 минут.
Заключительной стадией развития грозового облака является стадия диссипации (распада) (рис. 3 в). В процессе оседания облака вместе с осадками из его нижней части уходит объемный отрицательный заряд, а на его место сверху приходит находящийся на гидрометеорах (каплях, кристаллах льда, градинах и т.д.) положительный заряд. В результате между облаком и землей изменяется направление электрического поля. Это приводит к появлению восходящих молний, которые переносят отрицательный заряд с поверхности Земли в облако. Восходящие молнии составляют примерно 10 % от общего числа разрядов между облаком и Землей [1].
При выпадении осадков восходящие потоки влажного воздуха в облаке сильно ослабевают, нисходящие усиливаются. Облако постепенно разрушается.
Изучение гроз осуществляется с помощью измерений грозопеленгаторов, метеорологических радаров, СВЧ-радиометров, спутников, математического моделирования, лабораторными методами.
На суше фиксируется большее количество гроз, чем над океанами (табл.1). Это можно объяснить тем, что, во-первых, над океанами более слабые восходящие потоки (менее развита конвекция), во-вторых, воздух над океанами ионизован слабее, чем над материками.
Как видно из табл.1, количество гроз убывает от экватора к полюсам. Это связано с тем, что чем севернее, тем воздух содержит все меньшее количество водяного пара и имеет более низкие температуры. Когда теплые воздушные массы перемещаются в высокие широты, они постепенно начинают охлаждаться внизу, конвекция в них не развивается. Грозовые же облака образуются в теплом и влажном воздухе.
БОльшая часть гроз наблюдается над сушей в экваториальной и тропической областях земного шара (примерно от 30° с.ш. до 30° ю.ш.) (рис.6, табл.1).
Наибольшая интенсивность гроз на земном шаре наблюдается в трех секторах (или грозовых очагах): в Индонезийском (или Азиатском), Африканском (Африка и Европа) и Американском (Центральная Америка и северная часть Южной Америки). Грозовая активность в двух последних секторах наиболее интенсивна [1,7]. Так, недалеко от столицы Уганды Кампалы было отмечено рекордное количество гроз за год – 242! [4]
По происхождению грозы делятся на внутримассовые (образуются в результате прогрева воздуха над земной поверхностью) и фронтальные (связаны главным образом с холодными фронтами).
В горах грозы случаются чаще, чем на равнинах, и имеют бОльшую продолжительность (горы «стимулируют» воздух подниматься, тем самым усиливая восходящие движения; об облаках в горах - в этой статье). На Черноморском побережье грозы отмечаются во все сезоны, но зимой они составляют лишь 20% от общего числа. Максимум гроз здесь приходится на весенний и осенний периоды. На Европейской территории России максимум гроз регистрируется летом и осенью при прохождении холодных фронтов [2]. Так, на Ачишхо вблизи Сочи (высота 1890 м) за год в среднем бывает 54 дня с грозами (максимум – 91), в то время как в Москве среднее годовое число дней с грозами – 23, а в Мурманске – 5 [4].
Грозы могут привести к сбоям в работе транспорта, энергетики, связи, гибели людей и другим негативным последствиям. Поэтому в странах (и особенно в подверженных прохождению гроз) уделяется много внимания изучению и прогнозированию этого явления, а также предотвращению и уменьшению рисков в различных отраслях человеческой деятельности.
Используемые источники:
- Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков. М., ФИАН, 2004, 38 с. (Препринт / Рос. акад. наук, Физ. ин-т им. П. Н. Лебедева (ФИАН))
- Климат России (под ред. Н.В. Кобышевой). Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 2001, 655 с.
- Метеорология и климатология: учебник. 7-е изд. / С.П. Хромов, М.А. Петросянц. М., Изд-во Моск. Ун-та: Наука, 2006. 582 с.
- Облака и облачная атмосфера. Справочник (под ред. И.П. Мазина, А.Х. Хргиана). Л., Гидрометеоиздат, 1989, 647 с.
- Политехнический словарь. М: Советская энциклопедия, 1980, 116 c.
- Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л., Гидрометеоиздат, 1974, 568 с.
- Christian H.J., Blakeslee R.J., Bossippio D.J. et al. Global frequency and distribution of lightning as observed by the optical transient detector (OTD) // Proceedings of 11th International Conference on Atmospheric Electricity, USA, Alabama, 1999, pp. 726-729
© Екатерина Кузьмина. «Записки по географии»