Оптические и электрические явления в атмосфере

2.4. Светящийся столб

Бывает, что такое отражение  солнечного света от маленьких кристалликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб.

Световой, или солнечный, столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6 градусов над горизонтом, либо позади него, столбовидные — если солнце находится на высоте 20 градусов над горизонтом. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.

2.5. Венцы

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой  размер (он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому  по нему можно определить размеры  капель в облаках) и объясняются  дифракционным рассеянием лучей  источника света на водяных каплях, образующих облако или туман. Явления венцов возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции. Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца - светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю - красноватый. Его называют также ореолом или короной. Он может быть окружен одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу. Радиус ореола 1-5°. Он обратно пропорционален диаметрам капель в облаке, поэтому по нему можно определить размеры капель в облаках.. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета.

2.6. Гроза

Гроза – атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды – молнии, сопровождаемые громом.

Распространенность

Одновременно на Земле  действует около полутора тысяч  гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы  распределяются неравномерно. Над океанами гроз наблюдается приблизительно в  десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30°  южной широты) сосредоточено около 78% всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную  Африку. В полярных районах Арктики  и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность  гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные  часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные  грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.

Рисунок 1. Распространенность гроз по земному шару

Стадии развития грозового  облака

 

Рисунок 2. Стадии развития грозового  облака

Необходимыми условиями  для возникновения грозового  облака является наличие условий  для развития конвекции или иного  механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования  осадков, и наличия структуры, в  которой часть облачных частиц находится  в жидком состоянии, а часть в  ледяном.

Классификация грозовых облаков

В настоящее время принято  классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз и  эти характеристики в основном зависят  от метеорологического окружения, в  котором развивается гроза.

Одноячейковое облако

Рисунок 3. Стадии развития одноячейкового кучево-дождевого облака

Одноячейковые кучево-дождевые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют еще внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный 5–20 км, вертикальный – 8–12 км, продолжительность жизни около 30 минут, иногда до 1 часа. Серьезных изменений погоды после грозы не происходит.

Многоячейковые  кластерные грозы

 

Рисунок 4. Схема многоячейковой грозовой структуры

Это наиболее распространенный тип гроз связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовее ячейки имеют поперечные размеры 20–40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов.

Многоячейковые  линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию  гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может  быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия  выглядит как темная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих / нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни. Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.

Суперячейковые грозы

Рисунок 5. Вертикальная и горизонтальная структура суперячейкового облака

Суперячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперячейковое облако имеет одну зону восходящего потока и размер ячейки: диаметр порядка 50 км, высота 10–15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперячейковом облаке до 60 – 80 м/с. Вращающийся восходящий поток в суперячейковом облаке (в радарной терминологии называемым мезоциклоном) создает экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, необходим ветер переменного направления, вызывающий вращение. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделенными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока.

 Физические характеристики грозовых облаков

Самолетные и радарные исследования показывают, что единичная  грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8 – 10 км и живет порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек находящихся в различных стадиях развития и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятки километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

 Восходящие и нисходящие (шквалы) потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0,5 до 2,5 км и высоту от 3 до 8 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с, и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

В некоторых грозах возникают  интенсивные нисходящие воздушные  потоки, создающие на поверхности  земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие  нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км в диаметре может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно теплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождем. Однако если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков) и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьезной опасностью для самолетов, особенно во время взлета или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

 

 

2.7. Молния

Молния – гигантский электрический  искровой разряд в атмосфере, проявляющийся  обычно яркой вспышкой света и  сопровождающим её громом.

 Механизм развития

Грозовые разряды (молнии) – это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей  естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность  газового разряда при очень большой  длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого  канала находится внутри грозового  облака. Причиной возникновения молний является образование большого объемного  электрического заряда.

Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных  и отрицательных электрических  зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков.

Грозовые разряды по внешним  признакам могут быть разделены  на несколько типов. Обычный тип  – линейная молния, с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов – шаровая молния. Известны разряды, носящие названия «Огни святого Эльма» и «Свечение Анд».

Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных  разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т.е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов σ.

Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = σ l, где l – длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70–80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность.

По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

 

Рисунок 7. Замыкание на землю  вертикального заряженного провода

После того, как канал лидера достигнет  земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх  обратного разряда имеется область  повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов  плазмы от 10¹³ – 10¹⁴ до 10¹⁶– 10¹⁹ 1/м³, благодаря чему проводимость канала увеличивается, по крайней мере, в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток i_M = σ v, где v – скорость обратного разряда.