Суперячейка, или в шаге от торнадо

Суперячейка – это очень мощная конвективная моноячейка. Процесс ее образования и строение сильно отличаются от обычных кучево-дождевых облаков. Поэтому это явление представляет большой интерес для ученых. Интерес состоит в том, что обычная моноячейка при определенных условиях превращается в своеобразного «монстра», который может существовать около 4–5 часов практически не меняясь, являясь квазистационарным и генерирующим все...

С точки зрения науки

# град

# ливень

# смерч

# суперячейки

# США

# торнадо

# циклон

©Wikipedia / Автор: Plinia Abito

Интерес состоит в том, что обычная моноячейка при определенных условиях превращается в своеобразного «монстра», который может существовать около 4–5 часов практически не меняясь, являясь квазистационарным и генерирующим все опасные погодные явления.

Диаметр суперячейки может достигать 50 км и более, а ее высота часто превышает 10 км. Скорость восходящих потоков внутри суперячейки достигает 50 м/с и даже больше. В результате часто образуется град диаметром 10 см и более.

^{Образование суперячейки}

Причины возникновения суперячеек

Основными факторами, необходимыми для образования суперячейки являются сдвиг ветра (изменение скорости и направления ветра с высотой в слое 0–6 км), наличие на низких уровнях струйного течения и сильная нестабильность в атмосфере, когда наблюдается «взрывная конвекция».

Первоначально облако имеет характеристики моноячейки с прямыми восходящими потоками теплого и влажного воздуха, но затем на некоторой высоте наблюдается сдвиг ветра и (или) струйное течение, которое начинает закручивать по спирали восходящий поток и немного его наклоняет от вертикальной оси.

На втором рисунке красной тонкой стрелкой показан сдвиг ветра (струйное течение), широкой стрелкой – восходящий поток. В результате его соприкосновения со струйным течением он начинает закручиваться по спирали в горизонтальной плоскости. Затем восходящий поток, вращаясь по спирали, постепенно из горизонтального преобразуется в более вертикальный.

^{Рис. 2}

Это можно наблюдать на втором рисунке. В конечном итоге восходящий поток приобретает почти вертикальную ось. При этом вращение продолжается, и оно настолько мощное, что в итоге пробивает наковальню, образуя над ней купол – возвышающуюся макушку.

Появление этого купола свидетельствует о мощных восходящих потоках, которые способны пробить инверсионный слой. Эта вращающаяся колонна является «сердцем» суперячейки и называется мезоциклон. Его диаметр может составлять от 2 до 10 км. Возвышающаяся макушка как раз свидетельствует о наличии мезоциклона.

Продолжительность жизни и стабильность суперячеек

Благодаря мезоциклону выпадение осадков происходит чуть в стороне от восходящего потока, а, следовательно, и нисходящие потоки также наблюдаются в стороне (в основном по обе стороны от мезоциклона). В таком случае оба потока (нисходящий и восходящий) сосуществуют между собой — являются друзьями: опускаясь вниз, первый вытесняет теплый воздух вверх, а не блокирует его доступ в ячейку, тем самым еще больше усиливая восходящий поток.

А чем мощнее восходящий поток, тем сильнее и осадки, которые вызывают еще большие нисходящие потоки, которые все сильнее вытесняют приземный воздух вверх. И если ячейку уподобить колесу, получается, что осадки в такой ситуации, как бы, это колесо раскручивают. Именно в результате этого суперячейка способна существовать в течение многих часов, разрастаясь за это время на десятки км в ширину и длину, порождая крупный град, сильные ливни и часто торнадо.

В это время у поверхности Земли появляется 3 минифронта: два холодных в районе нисходящих потоков и теплый в районе восходящих (см. рис №1). То есть появляется миниатюрный циклон, «зародышем» которого как раз и является тот самый мезоциклон.

Как было сказано выше, смерчи возникают не только в суперячейках, но и в обычных моно- и мультиячейках. Однако существует главное различие: в суперячейке осадки и торнадо наблюдаются одновременно, а в моно- и мультиячейках – сначала смерч, а потом осадки, причем в том районе, где наблюдался смерч.

Это связано с отсутствием явного сдвига в пространстве верхней «кристаллогенной» части облака, и нижней в которую втекает теплый воздух. Кроме того, в суперячейках обычно над вершиной имеется струйное течение, которое выносит вытесненный воздух прочь от облака, в результате чего наблюдается очень вытянутая наковальня (см рис.№1), тогда как в обычной ячейке вытесненный теплым холодный воздух опускается по краям и тем самым дополнительно блокирует «питание». Поэтому смерчи в таких ячейках кратковременны, слабые и редко бывают на стадии большей, чем воронка (funnel cloud).

Нужно отметить, что суперячейки бывают и большие, и маленькие с низкой или высокой возвышающейся макушкой и могут образовываться где угодно, но в основном в центральных штатах США – на Великих равнинах. В Европе и России они крайне редкие, и встречаются только одного вида – суперячейки типа HP.

Классификация суперячеек

Суперячейки всегда связаны со значительным сдвигом ветра и высокими значениями CAPE – показатель нестабильности. Для суперячеек предел вертикального сдвига начинается с 20 м/с в слое 0-6 км.

Все суперячейки производят суровые погодные условия (град, шквалы, ливни), но только 30% или меньше из них генерируют торнадо, поэтому надо попытаться различить суперячейки, генерирующие торнадо, от более «спокойных».

Мощный сдвиг в слое 0-6 км (длинный годограф) и достаточная плавучесть необходимы для образования мощного мезоциклона. Образование суперячейки в условии существенного искривления годографа в слое 0-2 км способствует развитию торнадо. Однако развитие торнадо зависит от динамической структуры шторма. Должен присутствовать сильный восходящий поток и вертикальное вращения для сильного мезоциклона и развития торнадо. Горизонтальное вихрение, вызванное вертикальным сдвигом является решающим в формировании мезоциклона.

Суперячейки обычно классифицируют на 3 вида. Но не все суперячейки четко соответствуют конкретному виду и часто переходят с одного вида в другой в процессе своей эволюции. Все типы ячеек порождают суровые погодные условия.

Классическая суперячейка (Classic supercell) — то есть это идеальная суперячейка, в которой присутствуют почти все вышеперечисленные элементы как на радаре, так и визуальные. Показатели неустойчивости для этого типа составляют: САРЕ: 1500 – 3500 Дж/кг, Li от -4 до -10. Но в природе такие ячейки встречаются довольно редко, чаще наблюдаются два остальных типа.

Суперячейка типа LP (Low Precipitation). Этот класс суперячеек имеет небольшую область со слабыми осадками (дождь, град), отделенную от восходящего потока. Этот тип может быть легко опознаваемым за счет «скульптурных» облачных борозд в основании восходящего потока и иногда имеет вид «страдающей голодом» по сравнению с классической суперячейкой.

Это происходит потому, что они формируются вдоль так называемых сухих линий, имея мало доступной влаги для своего развития, несмотря на сильный сдвиг ветра. Такие ячейки обычно быстро разрушаются, не переходя в другие типы.

Как правило, они генерируют слабые торнадо и град размером менее 1 дюйма. Из-за отсутствия сильных осадков этот тип ячеек имеет слабое отражение на радаре без четкого «hook echo», несмотря на то, что в это время на самом деле наблюдается торнадо.

Грозовая активность такой ячейки значительно ниже по сравнению с другими типами, и молнии преимущественно внутриоблачные (IC), а не между облаком и землей (CG). Эти суперячейки формируются при САРЕ, равному 500 – 3500 Дж/кг и Li: -2 – (-8). Такие ячейки встречаются преимущественно в центральных штатах США в весенние и летние месяцы. Также они наблюдались в Австралии.

Суперячейка типа HP (High Precipitation). Этот тип суперячеек имеет гораздо более сильные осадки, чем остальные виды, которые могут полностью окружать мезоциклон. Такая ячейка особо опасна, поскольку может содержать мощный торнадо, который визуально скрыт за стеной осадков.

HP суперячейки часто вызывают наводнения и сильные даунбарсты, но по сравнению с другими типами имеют меньшую вероятность формирования крупного града. Было отмечено, что эти суперячейки генерируют большее количество IC и CG разрядов, чем остальные типы. Показатель САРЕ для этих суперячеек составляет 2000 – 7000 Дж/кг и более, а Li должен быть ниже -6. Перемещаются такие ячейки относительно медленно.

Ниже приведены фотографии Marko Korosec, который во время экспедиции по штатам Колорадо, Техас и Канзас запечатлел это природное явление.