Что такое суперячейка ?

Причиной таких явлений, как гроза, ливневой дождь, шквалистое усиление ветра, являются моноячейковые и мультиячейковые кучево-дождевые облака, которые довольно часто громоздятся на небосводе в летнее время года. Моноячейка – это одно единственное кучево-дождевое облако, существующее независимо от других.
Мультиячейка – это уже кластер (скопление) моноячеек, которые объединены одной наковальней. То есть когда одна ячейка затухает, то возле неё другая зарождается или же зарождение идёт одновременно. Эти комплексы могут занимать по площади от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч км2.

Последние именуются Мезомасштабными конвективными кластерами (МКК).

Они способны вызывать мощные шквалы, крупный град и сильнейшие ливни. Однако ничего особенного они собой не представляют – просто скопление мощных кучево-дождевых облаков. Но есть атмосферное образование, которое продуцирует ещё более суровые погодные условия, в том числе и торнадо и называется оно суперячейка.
Условия их образования и структура кардинально отличаются от обычных кучево-дождевых облаков. И эта статья как раз посвящена этим удивительным, редким и захватывающим объектам атмосферы.

Для начала рассмотрим процессы образования обычных моноячеек. В ясный летний день Солнце сильно нагревает подстилающую поверхность. В результате, возникает термическая конвекция, которая приводит к возникновению «зародышей» будущей грозы – плоских кучевых облаков (Cu hum.), высота которых не превышает 1 км. Они обычно порождаются хаотически всплывающими объёмами прогретого воздуха – термиками в виде пузырей. В этом случае возникшее облачко продержится некоторое время (десятки минут) и в итоге растворится не перейдя в другую стадию развития. Иное дело состоит, когда всплывающий термик приобретает форму не пузыря, а непрерывной струи воздуха. При этом в местах, откуда поднялся воздух, образуется разрежение. Оно заполняется воздухом с боков. Вверху, наоборот, избыток воздуха стремится распространиться в стороны. На некотором расстоянии воздушное движение замыкается. В результате образуется конвективная ячейка.

При этом Cu hum. переходит в кучевые средние или кучевые мощные облака (Cu med., Cu cong.), высота которых уже составляет до 4 км. Перейдёт кучевое плоское облако в среднее, а затем в мощное или же закончит свою эволюцию, оставшись на первой стадии зависит только от состояния атмосферы в данном месте и в данное время. Основными факторами, способствующими рост конвективных облаков являются резкое падение температуры с высотой в фоновой атмосфере, а также выделение тепла при фазовых переходах влаги (конденсация, замерзание, сублимация), для чего необходимо достаточно большое содержание водяного пара в воздухе. Сдерживающим фактором является наличие в атмосфере слоев, в которых температура слабо падает с высотой, вплоть до изотермии (температура с высотой не меняется) или инверсии (потепление с высотой). При благоприятных условиях Cu cong. превращается в кучево-дождевое Cb облако, которое и является причиной ливней, грозы и града. Но в любом случае кучево-дождевое облако возникает первоначально как Cu hum, а не спонтанно.

Отличительным признаком этого облака является обледеневшая вершина, которая достигла слоя инверсии (высота Cb определяется уровнем конденсации и уровнем конвекции – соответственно нижняя и верхняя границы облака. В тропических широтах высота этих облаков может достигать 20 км и пробивать тропопаузу). Она называется наковальня и представляет собой слой плотных перистых облаков, развитых в горизонтальной плоскости. В это время облако достигло максимального развития. При этом наряду с восходящими потоками в облаке, образовываются нисходящие в результате выпадения осадков. Выпадающие осадки охлаждают окружающий воздух, он становится плотнее и начинает опускаться к поверхности (этот процесс на земле мы наблюдает как шквал) всё больше и больше блокируя восходящие потоки, которые очень необходимы для существования облака. А любой нисходящий поток губительно действует на облакогенезис.

Таким образом, облако, доросшее до стадии Cb, сразу же само себе подписывает смертный приговор. Как показывают исследования, нисходящие потоки в нижней его части и в подоблачном слое вызывают особенно сильный эффект — из-под облака, образно говоря, выбивается фундамент. В результате наступает финальная стадия существования Cb – его диссипация. На этой стадии под облаком наблюдаются только нисходящие потоки, полностью заменив восходящие; осадки постепенно ослабевают и прекращаются, облако становится менее плотным, постепенно переходя в слой плотных перистых облаков. На этом его существование заканчивается. Таким образом, все стадии эволюции облако проходит примерно за час: рост облака происходит за 10 мин, стадия зрелости продолжается около 20 – 25 мин, а диссипация происходит примерно за 30 мин.

Моноячейкой называют облако, которое состоит из одной конвективной ячейки, но чаще всего (примерно в 80 % случаев) наблюдаются мультиячейки – группа конвективных ячеек в различных стадиях развития, объединённые одной наковальней. При мультиячейковой грозовой деятельности нисходящие потоки холодного воздуха «материнского» облака создают восходящие потоки, формирующие «дочерние» грозовые облака. Однако нужно помнить, что все ячейки никогда не могут находится одновременно на одной стадии развития! Время существования мультиячеек гораздо большее – порядка нескольких часов.

Суперячейка – это очень мощная конвективная моноячейка. Процесс её образования и строение сильно отличается от обычных кучево-дождевых облаков. Поэтому это явление представляет большой интерес для учёных. Интерес состоит в том, что обычная моноячейка при определённых условиях превращается в своеобразного «монстра», который может существовать около 4 – 5 часов практически не меняясь, являясь квазистационарным и генерировать все опасные явления погоды. Диаметр суперячейки может достигать 50 км и более, а её 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. Ниже будут рассмотрены условия образования, динамика и структура суперячейки.

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 тёплого и влажного воздуха, но за тем 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 первом 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. 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.

Большая продолжительность жизни и стабильность суперячейки связана со следующим. 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 тёплый воздух вверх, а не блокирует его доступ в ячейку, тем самым ещё больше усиливая восходящий поток. А чем мощнее восходящий поток, тем сильнее и осадки, которые вызывают ещё большие нисходящие потоки, которые всё 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: 2 холодных в районе нисходящих потоков, и тёплый 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, причём 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. О классификации речь пойдёт ниже. 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 чётко соответствуют конкретному виду и часто переходят с одного вида в другой в процессе своей эволюции. Все типы ячеек порождают суровые погодные условия.