Купчасто-дощові хмари

Купчасто-дощові хмари

Купчасто-дощові хмари (лат. Cumulonimbus, Cb) — хмари вертикального розвитку, основи яких розташовуються на висоті 100–200 м і складені з водяних крапель, а вершини простягаються до висоти 8—10 км, інколи — до 14 км і складені з льодяних кристалів. Ці хмари пов'язані з грозами та наявністю нестабільності в атмосфері, утворюючись за допомогою потужних висхідних потоків. Купчасто-дощові хмари можуть утворюватися поодинці, в кластерах, або уздовж холодного фронту лінії шквалів.[1] Ці хмари можуть спричиняти блискавку та багато інших небезпечних явищ, таких, як торнадо. Згідно з міжнародною класифікацією хмар, позначаються символом Clouds CL 9.svg.

Зовнішній вигляд

Сформована хмара виду cumulonimbus capillatus. Чітко видно перистоподібний верх

Купчасто-дощові хмари виглядають як білі хмари із темними, інколи синюватими основами, що піднімаються у вигляді величезних гороподібних хмарних мас, із вершинами, що мають здебільшого волокнисту будову (подібність із перистими хмарами). У холодний період року ці хмари можуть бути більш плоскими. Часто спостерігаються у вигляді рідких окремих хмар, але можуть мати місце і скупчення їх у хмарний вал (це буває при проходженні холодного фронту). Добре розвинена купчасто-дощова хмара характеризується наявністю плоского ковадла, яка зверху (ковадло купола), викликана зсувом вітру або інверсії поблизу тропопаузи. Полиця ковадла може передувати вертикальній складовій головної хмари на багато миль, і супроводжуватися блискавками. Як правило, купчасто-дощові хмари не закривають всього неба і між окремими хмарами наявні прогалини. Проте у окремих випадках, при продовженні скупчення цих хмар або хмарного вала, на короткий проміжок часу може бути закритий весь видимий небосхил.

Ці хмари розростаються по вертикалі набагато більше ніж купчасті хмари гарної погоди. При досягненні вершиною висоти пір'ястих хмар вона починає розмазуватися, приймаючи форму ковадла. Хмара утворюється з купчастої могутньої хмари, коли крайня нестійкість повітря створює могутні висхідні потоки, що розповсюджуються на кілька квадратних кілометрів. Вони можуть існувати як окремі осередки або утворювати лінію з осередків, що називається лінією шквалів.

Підтримувані сильними потоками висхідного повітря (іноді більш як 50 вузлів), вершини купчасто-дощових хмар можуть легко підніматися на висоту 12 000 метрів і навіть вище. Нижні рівні купчасто-дощових хмар складаються в основному з крапельок води, у той час як на більш високих рівнях, де температури набагато нижчі 0 °C, переважають кристали льоду. Ковадло купчасто-дощових хмар характеризується великими розмірами. Це — король хмар, що належить (по міжнародній класифікації) до стадії зрілості.

Висота основи над поверхнею Землі коливається у межах від 0,4 до 1,0 км. Вертикальна протяжність зазвичай від 3 до 4 км, але деколи вершина сягає тропопаузи — до 23000 м в екваторіальних широтах. Сонце і Місяць скрізь купчасто-дощові зовсім не просвічуються. При випаданні зливового дощу часто спостерігається веселка.

Мікрофізична будова

Купчасто-дощові хмари у верхніх частинах складається із льодових кристалів (що при низьких температурах мають форму стовпчиків, при більш високих (вище -15°C) – форму пластинок) при одночасній присутності переохолоджених крапель води. В нижніх своїх частинах хмари складаються із краплинок води з домішками сніжинок або крапель дощу (залежно від температури), а інколи – крупи або граду.

Опади

Типова злива над полем, викликана купчасто-дощовими хмарами

Опади завжди мають бурхливий, зливовий характер: влітку вони випадають у вигляді великокрапельного дощу або граду, взимку – у вигляді потужного снігопаду, часто мокрого (пластівцями) і снігової крупи, здебільшого сильної і короткочасної. В окремих випадках, при великій сухості нижніх шарів повітря опади не досягають поверхні Землі внаслідок випаровування, тоді під Cb видно смуги випадання дощу. Часто в купчасто-дощових хмарах спостерігається гроза, град, а інколи, смерч або, над водними поверхнями, торнадо.

Гроза

Сильна гроза в Сіднеї, Австралія

Купчасто-дощові хмари можуть формувати грозові системи групами (наприклад лінії шквалів чи суперкоміркові грози), або поодинці (однокоміркові грози). Блискавка виникає внаслідок наявності в хмарі сильних висхідних потоків повітря, коли в ній утворюються відокремлені області, заряджені різнойменними зарядами. Коли напруженість електричного поля хмарі або між нижньою зарядженою областю і землею досягає пробійного значення, виникає блискавка.

Снігопад

Купчасто-дощові хмари зазвичай викликають густий[2] снігопад, який супроводжується сильним вітром (заметіль).

Снігова крупа

Крупа випадає з шарувато-дощових і кучасто-дощових хмар – опади, що складаються з крижаних і сильно озернених сніжинок діаметром понад 1 мм. Найчастіше крупа спостерігається при температурах, близьких до нуля, особливо восени та навесні. Сніжна крупа має снігоподібну будову: крупинки легко стискуються пальцями. Ядерця крижаної крупи мають закляклу поверхню. Роздавити їх важко, при падінні на землю вони підскакують.

Град

Випадіння граду в Сан-Хосе, Каліфорнія

Град утворюється в потужній купчасто-дощовій хмарі при сильних висхідних потоках повітря, що піднімаються. На цих потоках підтримуються великі переохолоджені краплини води. На висоті 8—10 км краплі замерзають. Вдаряючись одне в одну, вони формують градини, які важчають і спускаються в нижчі хмари, де переохолоджених крапель ще більше. Щоб набрати в діаметрі 1 см, кожна градина повинна зробити біля 100 мільйонів зіткнень з хмаровими краплями. Далі випадання граду проходить лавиноподібно. За лічені хвилини град покриває землю крижаними кульками шаром 5—7 см.

Вплив на природу

Купчасто-дощові хмари зустрічаються в грозових системах, тропічних циклонах та на лініях фронту. Вони є дуже поширеними в тропічних регіонах.

Купчасто-дощові хмари можуть викликати зливовий дощ конвективного характеру і паводки, а також низхідні потоки вітру з вершини хмари. Більшість купчасто-дощових хмар розпадаються після 20 хвилин, коли опади викликають сильний низхідний потік повітря, який перевищує висхідний, в результаті чого енергія розсіюється. Якщо в атмосфері є достатньо сонячної енергії (наприклад, в літній спекотній день), опади з однієї хмари можуть випаруватися, призводячи до створення нової хмари, всього в декількох милях від колишньої. Це може призвести до того, що гроза триває інколи до декількох годин. Купчасто-дощові хмари також можуть принести небезпечні зимові шторми (так званий «сніжні грози»), які приносять блискавки, грім, і сильні заметілі.

Види

Купчасто-дощова хмара типу Cumulonimbus calvus

Cumulonimbus calvus (Cb calv.) — “лисі”. Вершина цих хмар не має перистоподібної структури й подібна до округлених білосніжних куполів злегка волокнистої будови. Інколи за наявності цих хмар можуть з’явитися ознаки грози. Вид Cb calv. має різновид Cumulonimbus calvus arcus (Cb. calv. arc) – “лисі із грозовим валом”. Цей різновид спостерігається тоді, коли у передній частині хмари утворюється темний дугоподібний хмарний вал (складається переважно із завихрених, швидкоплинних купчастих розірваних i розірвано-дощових хмар), проходження якого супроводжується шквалом – раптовим різким посиленням вітру.

Cumulonimbus capillatus (Cb cap) – “волосаті”. Ці хмари мають яскраво виражену волокнисто-перистоподібну будову верхньої частини. Перистоподібні волокна, зазвичай, поступово розпадаються по горизонталі та набувають у хмарі подібності віяла, а при спостереженні збоку – ковадла. Вид Cb cap. має такі різновиди:

  • Cumulonimbus capillatus arcus (Cb. calv. arc) – “волосаті із грозовим валом”. Ознаки цього різновиду такі ж, як у описаних вище Cb calv.
  • Cumulonimbus incus (Cb inc) – із ковадлом. Ця різновидність спостерігається тоді, коли верхня обледеніла частина хмари розтікається у сторони й набуває вигляду гігантського ковадла над верхньою частиною хмари.
  • Cumulonimbus humilis (Cb hum) – плоскі. Мають всі характерні ознаки Cb (виразну купчастоподібну форму, волокнисту структуру і дають зливові опади), але відносно мало розвинуті вертикально.

Супровідні хмари

Хмара arcus над містом Расін (Вісконсин), США
  • Pileus — купчасто-дощові лисі хмари у супроводі хмари-шапки.
  • Pannus — купчасто-дощові хмари у супроводі розірваних (fractus) видів хмар.[3]
  • Velum — купчасто-дощові хмари, які супроводжуються горизонтальним "листком" над серединою хмари.[4]
  • arcus — низьке, горизонтальне хмарне утворення пов'язане з переднім краєм відтоку грози.[5]

Особливі різновиди

  • Tuba — вертикальна воронка, яка відходить від хмар і може перетворитися в хмару-вихор (смерч). Вони можуть опускатись досить низько, іноді до 6 метрів над Землею.[4]
  • Lenticular mammatus (вим'яподібні змари) — рідкісний різновид купчасто-дощових хмар, які з нижнього боку складаються з "бульбашок", які нагадують вим'я корови. Утворення цих хмар є проявом нестійкості Релея — Тейлора.
  • Пірокумулятивні хмари — різновид купчастих та купчасто-дощових хмар, який утворюється при пожежах, виверженнях вулканів.

Цикл життя

Стадії життя купчасто-дощових хмар. Спочатку — стадія купчастої хмари, потім — стадія зрілості, в кінці — стадія розпаду

Загалом, для формування купчасто-дощових хмар необхідна наявність вологи, висхідного потоку повітря, нестабільної повітряної маси, великий вертикальний градієнт температури і наявність підйомної сили (тепла) з метою формування. Купчасто-дощові хмари, як правило, проходять через три стадії розвитку: стадія купчастої хмари, стадія зрілості, і стадія розпаду.

Стадія купчастої хмари

купчасті потужні хмари, які можуть перетворитися на купчасто-дощові

Ця стадія розвитку триває від появи купчастої хмари до початку випадання зливових опадів. Під час цієї стадії купчасті плоскі хмари (cumulus humilis) поступово переростають у купчасті потужні (cumulus congestus), а потім у купчасто-дощові лисі (Cumulonimbus calvus), з яких і починають випадати опади. У хмарах переважають висхідні потоки, які посилюються від 2 — 5 м/с в купчастих плоских хмарах до 10 — 15 м/с в купчастих потужних. Висота хмари зростає від 1,5 — 2,5 км в купчастих плоских до 6 км в купчастих потужних. Вони складаються з крапель води.

У купчасто-дощовій лисій хмарі починається заледеніння верхньої частини, яка починає складатись з переохолоджених крапель, сніжинок і крижаних кристалів. Швидкості висхідних потоків в таких хмарах можуть досягати 20-25 м/с, а верхня межа – 7-8 км. Перехід від купчастої до купчастої потужної хмари відбувається досить повільно, а від потужно-купчастих до купчасто-дощових – дуже швидко (1 година і менше). Вертикальна швидкість підйому вершини хмари в середньому дорівнює 1 м/с, а в певних випадках може досягати 10 м/с. Між хмарами спостерігаються низхідні потоки повітря.

У нестійкій повітряній масі влітку над материками розвиток купчастої хмарності протікає у такому, добре відомому порядку. Після ясної ночі у 9 — 11 годині ранку з’являються перші невеликі купчасті хмари Cumulus fractus, достатньо нестійкі, які постійно виникають та зникають. Дуже швидко кількість хмар збільшується, деякі із них набувають стійких форм, але залишаються порівняно плоскими (Cumulus humilis). Поступово окремі хмари розростаються як горизонтально, так і вертикально. Вони набувають вигляду Cumulus mediocris і пізніше набувають вигляду клубкуватих білих мас, подібних до куп бавовни або вати, перетворюються у потужні купчасті Cumulus congestus. До 14 — 16 години хмари набувають максимального розвитку. Окремі хмари можуть виглядати як величезні гори із порівняно гладкими округлими білосніжними вершинами при темних основах. Якщо у таких хмарах верхня частина має волокнисту будову, то вони вже є купчасто-дощовими (Cb calvus — лисі).

Стадія зрілості

При подальшому розвитку верхня частина хмари, вміщуючи переважно льодяні кристали, набуває явно волосату будову (Cumulonimbus capillatus – волосаті). Із такої хмари випадають опади або, принаймні, видно смуги опадів. Під купчасто-дощовими хмарами, які дають опади, часто утворюються розірвано-дощові (Fractonimbus)[6].

Стадія зрілості триває тоді, поки грозова хмара з купчасто-дощової лисої перетворюється в купчасто-дощову волосату. Із хмари випадають зливові опади. Виникають електричні розряди у вигляді блискавок. Під час другої стадії в грозовій хмарі спостерігаються інтенсивні висхідні та низхідні рухи повітря. Висхідні потоки досягають максимальних швидкостей 30 — 40 м/с і більше. Вони переважають в передній частині хмари. Швидкість висхідного потоку в хмарі майже лінійно зростає з висотою, починаючи з основи, і досягає максимального значення в передвершинній частині хмари, після чого до вершини хмари швидкість починає майже лінійно спадати.

Внаслідок зливових опадів утворюються низхідні потоки зі швидкістю 10-15 м/с. Низхідні потоки найбільш розвинені в тиловій частині хмари. Особливістю вертикальних потоків усередині хмари є їх сильна поривчастість. Пориви можуть досягати 15 м/с і викликати при кидках перевантаження літака до 2g і більше. Усередині хмари утворюється багато вихорів різного розміру, які призводять до інтенсивної турбулентності, що викликає сильну бовтанку. Сильна турбулентність спостерігається також і над верхньою межею грозових хмар.

Стадія розпаду

Купчасто-дощова хмара без яких-небудь вітрів

Під вечір із ослабленням і зниженням теплової конвекції вершини хмар починають опускатися, витягуючись у вигляді гряд і перетворюючись у різновидність шарувато-купчастих хмар (Sc vesp — шарувато-купчасті вечірні), які при припиненні конвекції зникають.

Під час стадії розпаду зливові опади, що випадають з грозової хмари, охолоджують повітря і підстилаючу поверхню під хмарою. Тому слабшають, а потім припиняються висхідні потоки. Під час даної стадії в грозовій хмарі переважають низхідні потоки, які розмивають цю хмару. Руйнування купчасто-дощової хмари зазвичай починається з нижньої частини. Хмара осідає і розширюється за площею. Швидкість опускання вершини дорівнює 1 — 1,5 м/с, іноді 3 м/с. Нижня межа грозової хмари набуває своєрідного вигляду — стає вим'яподібною. Вершина хмари плоска і складається з перистих хмар волокнистої структури. У середньому ярусі до грозових хмар примикають високо-купчасті хмари, а в нижньому – шарувато-купчасті хмари.

Весь період розвитку грозової хмари займає від 3 до 5 годин. Під час стадії розпаду в грозовій хмарі спостерігаються всі небезпечні явища для польотів літака, які характерні для другої стадії, але протягом руйнування хмари їх інтенсивність зменшується. Такими небезпечними явищами є поривчасті висхідні та низхідні потоки повітря з великими швидкостями, що призводять до раптових кидків повітряного судна, інтенсивне обмерзання на всіх висотах вище нульової ізотерми, електричні розряди у вигляді блискавок, град, що викликає механічні пошкодження літака, сильні атмосферні перешкоди, що порушують радіозв'язок, зливові опади, які обмежують видимість, шквали і смерчі, зрушення вітру в приземному шарі.

Дивіться також

Примітки

  1. Кучево-дождевые облака: Институт географии РАН
  2. Тобто сильний
  3. Allaby, Michael, ред (2010). «Pannus». A Dictionary of Ecology (4 вид.). Oxford University Press. ISBN 9780199567669. http://www.oxfordreference.com/view/10.1093/acref/9780199567669.001.0001/acref-9780199567669-e-4082. 
  4. а б World Meteorological Organization, ред. (1975). Features, International Cloud Atlas I. с. 22–24. ISBN 92-63-10407-7. Процитовано 26 August 2014. 
  5. Ludlum, David McWilliams (2000). National Audubon Society Field Guide to Weather. Alfred A. Knopf. с. 473. ISBN 0-679-40851-7. OCLC 56559729. 
  6. різновид шаруватих хмар

Посилання