Уважаемые читатели! Перед вами краткий словарь терминов по конвективным облакам, составленный специалистом в этой области Н.Веремеем. Словарь был составлен в конце февраля 2005 г. и со временем в нем будут появляться дополнительные статьи, фотографии, ссылки на соответствующие материалы сайта. Следите за обновлениями!
Кучевые облака (Cumulus). Панорамный вид. Фото Skywatching/meteoweb.ru
Активные воздействия. Работы, проводимые человеком с целью искусственного изменения тех или иных параметров облаков и (или) атмосферы в целом. Применительно к конвективным облакам основными целями активных воздействий являются: вызывание осадков в засушливых районах, предотвращение осадков в случаях, когда они нежелательны (в частности, градобитий), грозозащита, предотвращение шквалов и смерчей и др. Основные методы: ввод в облако специальных веществ-реагентов, тем или иным образом влияющих на преобразования влаги; создание искусственных вертикальных потоков воздуха (соплом двигателя, винтом вертолета и др.), изменение электропроводности облака (металлическими нитями, ионизирующими радиоактивными веществами) и др.
Такие мероприятия, как разгон туч волшебной метлой или вызывание бури заклинаниями, к активным воздействиям не относятся.
Аэрозоли (аэрозольные частицы). Любые твердые и жидкие (а также смешанные) частицы, взвешенные в воздухе. Капли и кристаллы, из которых состоят облака, тоже являются аэрозолями, хотя их обычно выделяют в отдельную категорию. По поводу того, частицы каких размеров подпадают под данное определение, единого мнения до сих пор нет. Чаще всего полагают, что наименьшими аэрозольными частицами являются кластеры из нескольких молекул (скольких конкретно - не определено), а наибольшими - частицы радиусом в несколько миллиметров (характерно для атмосферных осадков). Тем не менее, по мнению некоторых специалистов, к аэрозолям на полном серьезе относятся даже такие объекты, как парашютисты и дирижабли. Что примечательно, формально к этому невозможно придраться.
Аэрозольные частицы размером до нескольких десятков мкм играют фундаментальную роль в образовании облаков, так как на них происходит конденсация водяного пара (см.). Помимо этого, сами облака и выпадающие из них осадки оказывают огромное влияние на аэрозольный состав атмосферы. Облачные и аэрозольные процессы связаны множеством сложных обратных связей.
Вертикальная мощность. Разница между высотами верхней и нижней границ облака. Является одной из основных характеристик любых облаков, в том числе и конвективных. Вычисляется с точностью до 100 - 200 м, так как границы облаков не являются абсолютно резкими (особенно, нижняя).
Влагосодержание. Полное количество воды в парообразной, жидкой и твердой фазах, содержащейся в единичном объеме облака. Измеряется в кг/м3.
Водность. Полное количество воды в жидкой фазе, содержащейся в единичном объеме облака. Измеряется в кг/м3.
Водозапас. Количество воды в жидкой и твердой фазах, содержащейся в вертикальном столбе воздуха единичного сечения. Измеряется в кг/м2.
Гром. Резкий звук, образующийся из-за резкого расширения воздуха, нагреваемого молнией, а сразу после этого - из-за столь же резкого его сжатия при охлаждении.
Гроза. Атмосферное явление, при котором происходит хотя бы один грозовой разряд (см. Грозовой разряд). Помимо этого, данным термином зачастую обозначают конвективное облако (или их систему), в котором наблюдаются грозовые разряды.
Грозовой разряд. Электрический пробой воздуха, происходящий под действием сильного электрического поля, образующегося в некоторых конвективных облаках.
Затопленное конвективное облако. Конвективное облако, развивающееся на фоне неконвективных (чаще всего, слоисто-дождевых или слоисто-кучевых). При этом промежуток между ним и окружающим облачным полем мал или вовсе отсутствует. Это явление весьма опасно для летательных аппаратов, которым запрещено даже приближаться к конвективным облакам. Такое облако визуально скрыто, и на него самолет может напороться внезапно. В этом - его коварство. Различить затопленное облако на радиолокаторе тоже не всегда удается.
Интенсивность осадков. Количество осадков (см.), выпавших за единицу времени. Обычно измеряется в мм/ч.
Коагуляция. Слияние двух (реже нескольких) жидких капель и (или) ледяных частиц между собой. Происходит в результате столкновения упомянутых частиц друг с другом. Следует отметить, что столкновение не всегда приводит к слиянию. Причиной же столкновения является разная скорость движения частиц, которая, в свою очередь, является следствием гравитации (более тяжелые частицы быстрее падают вниз относительно окружающего воздуха). На предгрозовой стадии в конвективном облаке причиной разности скоростей также может являться движение по-разному заряженных частиц в электрическом поле. Помимо этого, роль в разделении частиц по скоростям играют и другие причины: броуновское движение, турбулентность и др. Однако в облаках эти факторы несущественны.
Коагуляция является одним из главных механизмов образования осадков.
Количество осадков. Толщина слоя воды, которая накопилась бы на горизонтальной поверхности в результате выпадения осадков (при отсутствии впитывания или испарения). При этом осадки, выпавшие в виде снега и льда, учитываются как вода, которая образовалась бы в результате их таяния. Обычно измеряется в мм.
Конвективная ячейка. Замкнутая система воздушных движений в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Если рассматривать конвективную ячейку в упрощенном виде, то она формируется следующим образом: когда некоторый объем воздуха по каким-либо причинам поднимается вверх, образовавшееся под ним разрежение начинает заполняться воздухом с боков. В свою очередь, вверху, куда переместился рассматриваемый объем, создается некоторый избыток воздуха, который, наоборот, частично вытесняется в стороны. На некотором расстоянии по горизонтали образовавшаяся система замыкается нисходящим потоком. Наиболее развитые конвективные ячейки всегда связаны с конвективными облаками (см. конвективное облако). При конденсации водяного пара выделяется теплота, что способствует восходящему потоку и, как следствие, развитию ячейки.
Реальная геометрическая форма конвективной ячейки и распределение вектора скорости в ее пределах могут иметь довольно сложный характер. Они зависят от ветра (в том числе, от его сдвига с высотой), рельефа местности, расположения осадков, поведения соседних ячеек и др. Зрелые конвективные ячейки, составляющие облако, особенно сильно искажаются в нижней части вследствие нисходящих потоков, создаваемых осадками.
Конвективное облако. Совокупность жидких капель и (или) ледяных частиц, образующаяся в системе вертикальных воздушных потоков (одна или несколько конвективных ячеек). Причиной образования конвективного облака является конденсация водяного пара в поднимающемся и охлаждающемся воздухе. Выделение теплоты при конденсации является одним из механизмов, ответственных за развитие конвективного облака (чем теплее объем воздуха по отношению к окружающей среде, тем интенсивнее он всплывает вверх, что способствует усилению восходящего потока, продолжению конденсации и т.д.).
Часто верхняя граница конвективного облака пересекает изотерму 0°C и заходит в область отрицательных температур. При этом может происходить замерзание капель воды, а также сублимация (см. сублимация) водяного пара. Это способствует дополнительному выделению тепла и усилению восходящего потока.
По степени развития конвективные облака делятся на четыре категории: плоские кучевые (Cu hum), они же - кучевые облака хорошей погоды; средние кучевые (Cu med), мощные кучевые (Cu cong) и кучево-дождевые (Cb). С последними обычно бывают связаны наиболее интенсивные осадки и подавляющее большинство опасных атмосферных явлений (грозы, шквалы, грозы, смерчи). Этим они представляют большую опасность для летательных аппаратов. , помимо вышеперечисленных опасных явлений, являются вертикальные воздушные потоки и обледенение летательных аппаратов (это уже относится не только к Cb).
Четкие количественные различия между разновидностями конвективных облаков не определены до сих пор. Характерные значения вертикальной мощности: для Cu hum - менее 1 км, для Cu med - 1 - 2 км; для Cu cong - 2 - 4 км; для Cb - свыше 4 км (рекордные значения, наблюдаемые исключительно в тропических широтах, превышают 20 км). Эти критерии, еще раз повторюсь, чисто условны. Для выявления Cb существует еще и качественный критерий: наличие осадков (пусть даже не достигающих Земли). Конвективное облако, содержащее осадки, в любом случае считается Cb.
Конвективное скопление (кластер). Область, содержащая совокупность большого числа конвективных облаков. Термин имеет широкое значение и, помимо этого, применяется для обозначения скоплений чего-либо вообще.
Конвекция. Упорядоченный воздухообмен между верхними и нижними слоями тропосферы. Основные разновидности: термическая (подъем нагретых объемов воздуха) и динамическая (вытеснение воздуха вверх при прохождении холодных фронтов). При конвекции, как правило, образуются замкнутые конвективные ячейки (см. конвективная ячейка), так как уменьшение количества воздуха в том или ином объеме стремится скомпенсироваться за счет соседних областей.
Конденсация водяного пара. Переход воды из газообразного состояния в жидкое. Может происходить двумя способами: гетерогенная (конденсация на посторонних аэрозольных частицах (см. аэрозоли (аэрозольные частицы)), служащих зародышами жидкой фазы) и гомогенная (образование капель в отсутствии каких-либо посторонних частиц). В атмосфере в подавляющем большинстве случаев (кроме самых немыслимых и экзотических ситуаций) имеет место именно гетерогенная конденсация.
При конденсации, по законам физики, выделяется теплота. Поскольку нагретый объем воздуха стремится вверх, конденсация, таким образом, способствует развитию восходящего потока и росту конвективного облака.
Ледность. Полное количество воды в твердой фазе, содержащейся в единичном объеме облака. Измеряется в кг/м3.
Молния. Световой эффект, возникающий при грозовом разряде (канал, по которому движутся заряженные частицы, нагревается и начинает светиться).
Мультиячейковое конвективное облако. Облако, состоящее из нескольких тесно расположенных конвективных ячеек, взаимодействующих друг с другом и (или) порождающих одна другую. Разные ячейки находятся на разных стадиях развития: одни зарождаются, другие находятся на стадии зрелости, третьи распадаются. Как правило, наковальня (см. наковальня), образующаяся над таким облаком, покрывает все ячейки и является для них общей. Мультиячейковые облака характерны для летнего сезона.
Наковальня. Верхняя часть конвективного облака (почти всегда - Cb), имеющая вид широкой плоской или слегка выпуклой поверхности. Образуется в результате невозможности преодоления некоторого слоя атмосферы (например, тропопаузу) облаком и растекания последнего в горизонтальной плоскости. При этом облако приобретает форму гриба. Наковальня имеет тенденцию вытягиваться в соответствии с направлением ветра. Она обычно имеет волокнистую структуру, т.к. состоит из ледяных частиц и относится к перистым облакам (Cirrus Spissatus). Когда облако целиком жидкокапельное, оно указанной формы не приобретает.
Иногда конвективный поток, формирующий облако, пробивает наковальню. В таком случае над ней образуется выступ (купол).
Облачные капли. Капли воды, радиус которых не превышает ~0,1 мм (значение условное), а собственная скорость падения относительно окружающего воздуха близка к нулю. Полностью увлекаются воздушным потоком.
Облачные ледяные кристаллы. Ледяные частицы, аналогичные по характеристикам облачным каплям (см. облачные капли).
Осадки. Капли воды или частицы льда, характерный радиус которых превышает ~0,1 мм (значение условное), а собственная скорость падения относительно воздуха составляет не менее нескольких десятков см/с (все критерии, в соответствии с которыми осадки можно отличить от облачных капель и кристаллов, являются нечеткими). Такие частицы перестают полностью увлекаться вертикальными потоками воздуха и стремятся упасть вниз под действием силы тяжести. Когда они достигают земной поверхности (это бывает не всегда), наблюдаются осадки в бытовом понимании этого слова (морось, дождь, град, снег, крупа).
Осадкообразование. Процесс, при котором облачные капли и кристаллы начинают укрупняться и превращаться в осадки. Основные механизмы осадкообразования - коагуляция (см.) и перегонка водяного пара с жидких капель на ледяные частицы.
Полосы падения (осадков). Визуально наблюдаемые издали темные, иногда прерывистые, волокнистые полосы под основанием облака. Представляют собой падающие осадки, видимые со стороны. Не всегда достигают земли.
Сдвиг ветра. Изменение направления ветра с высотой. Оказывает существенное влияние на развитие вертикальных воздушных потоков и, как следствие, на эволюцию конвективных облаков.
Смерч. В условиях большой неустойчивости атмосферной стратификации кроме обычных грозовых шквалов могут возникать особые вихри с вертикальной осью, напоминающие циклоны, однако миниатюрных размеров. Вихрь возникает обычно в передней части грозового облака и проникает сверху до самой земной поверхности. У смерчей диаметр вихря порядка десятков метров, у некоторых из них он порядка 100-200 м, а у американских торнадо и больше (устанавливается по ширине полосы разрушений). Смерч виден как темный столб между облаками и землей, расширяющийся кверху и книзу, или как хобот, свисающий из облака. Такая форма объясняется тем, что вихрь втягивает сверху облако, а снизу пыль или воду, кроме того, при сильном падении давления внутри вихря происходит конденсация водяного пара. Вихрь перемещается вместе с облаком чаще всего со скоростью порядка 30-40 км/ч. Время существования смерчей измеряется порой десятками минут, иногда несколькими часами. За это время вихрь может продвинуться над морем на несколько километров, а над сушей - на десятки, иногда даже на сотни километров, все сметая на своем пути. Атмосферное давление в вихре сильно понижено - на десятки или даже на сотню гектопаскалей. Воздух вращается вокруг оси вихря, одновременно поднимаясь вверх. Скорости ветра в смерчах могут достигать 50-100 м/с, их можно определить по разрушениям, очень велики и восходящие скорости. Некоторые отечественные авторы разделяют понятия смерч и тромб, о чем вы можете прочитать здесь (а также более подробно о маломасштабных вихрях), однако в повседневной практике употребляется слово .
Сублимация водяного пара. Непосредственный переход воды из газообразного состояния в твердое.
Суперячейковое конвективное облако. Облако, состоящее из одной необычайно сильно развитой конвективной ячейки. С ним связаны наиболее сильные грозы, ливни, град, шквалы, иногда наблюдаются смерчи. Горизонтальный размер такого облака обычно измеряется в десятках км (для обычной ячейки он не превышает нескольких км). Вертикальная мощность суперъячейкового облака часто превышает 10 км.
Необходимым условием возникновения такого облака является сдвиг ветра с высотой (см. сдвиг ветра). В его отсутствие (в обычной ячейке) является лишь восходящий поток, происходящий вследствие перегрева воздуха или вынуждающей силы, создаваемой холодным фронтом. Все остальные потоки (нисходящий и горизонтальные) являются, как бы, вынужденными, они лишь компенсируют образовавшееся перемещение воздуха. При наличии же сдвига ветра (отметим, не всякого, а лишь строго определенного в зависимости от конкретных условий) наблюдается наклон облака. Если этот наклон , осадки начинают полностью или частично выпадать сбоку от восходящего потока ячейки.
Осадки обладают одним важным свойством: они создают нисходящие потоки. Во-первых, это обусловлено увлечением воздуха падающими частицами вниз, а во-вторых, охлаждением воздуха при испарении воды и (или) льда. Холодный воздух стремится вниз. Так вот: в суперячейке осадки не подавляют восходящий поток, в отличие от обычной ячейки. Они выпадают в стороне от него. Но это еще не все: они усиливают нисходящий поток, который как раз и располагается сбоку от облака. Таким образом, нисходящее движение воздуха становится не просто компенсирующим, оно еще и дополнительно нагнетается! В результате ячейка становится необычайно устойчивой. Она, как бы, приобретает вид , раскручиваемого с двух сторон.
Конечно же, это - не вечный двигатель. Идет постоянная подпитка суперячейки теплом и влагой из подоблачного слоя. Однако такие облака являются стабильными и в полную силу в течение многих часов. Для сравнения, обычные ячейки не более часа.
Турбулентность. Неупорядоченные движения воздуха и взвешенных в нем аэрозольных частиц (см. аэрозоли (аэрозольные частицы)), в том числе и облачных. Всегда наблюдаются в атмосфере, особенно при наличии сложных возмущений (в том числе конвективных облаков). Характерный пространственный масштаб этих движений много меньше размеров облака. Тем не менее, турбулентность играет существенную роль в переносе количества движения, тепла и влаги как внутри облака, так и между ним и окружающей средой. При моделировании конвективных облаков учет турбулентности, хотя бы в упрощенном виде, безусловно необходим.
Численная модель облака. Система математических уравнений, в той или иной мере описывающая облако, дополненная набором начальных и граничных условий, численной схемой решения и программой для реализации на ЭВМ.
Численные модели являются одним из важнейших инструментов исследования облаков, в первую очередь - конвективных, так как их натурные исследования сильно затруднены. Существенная нестационарность облачных процессов, непосредственная опасность для летательных аппаратов и измерительной аппаратуры, а также дороговизна и трудоемкость работ сильно осложняют натурные исследования и делают их неприменимыми в повседневной оперативной практике. В связи с этим роль численных моделей в физике облаков невозможно переоценить!
Модели, в зависимости от их назначения, существенно различаются по применяемому математическому аппарату, пространственно-временной структуре, полноте и степени сложности описания разных процессов. Современная полная численная модель обычно содержит систему уравнений, описывающих движение воздуха и перенос тепла, влаги и электрических зарядов. Эта система дополняется выражениями для расчета появления, исчезновения и взаимных превращений тех или иных субстанций, а также некоторыми вспомогательными формулами. При реализации на ЭВМ дифференциальные уравнения преобразуются к обычным алгебраическим с помощью различных численных методов.
Идеальной численной модели, полностью описывающей весь спектр облачных процессов на все случаи жизни, на сегодняшний день нет, и при нашей с Вами жизни, видимо, не будет. Однако имеющиеся на сегодняшний день модели, с теми или иными приближениями и ограничениями, успешно применяются для расчета целого ряда характеристик облаков. Сравнение результатов модельных расчетов с натурными данными дает удовлетворительное совпадение. Наряду с этим, все без исключения модели имеют ряд недостатков. Над их устранением ведется постоянная планомерная работа.
Кстати, не вздумайте образовывать от словосочетания аббревиатуру - получится нехорошее слово.
http://meteoweb.ru/
Рейтинг публикации:
|
