Гроза: типове небезпечне метеорологічне явище теплого періоду
Гроза – небезпечне комплексне метеорологічне явище. Небагато погодних явищ розвиваються так стрімко, як гроза. Те, що починається як звичайна купчаста хмара, здатне перерости у потужну грозову систему. Попри короткий життєвий цикл, грози належать до найдинамічніших атмосферних явищ. Грозова комірка може існувати менше години, але за цей час вона здатна вивільнити величезну кількість енергії та кардинально змінити місцеві погодні умови. Її наслідки відчуваються в авіації, транспорті, сільському господарстві та енергетичній інфраструктурі, можуть спричиняти раптові повені, град, руйнівні пориви вітру або навіть смерчі. З давніх часів люди боялися удару блискавок, і не випадково. За кількістю смертельних випадків вона поступається лише повеням.
В Україні грозова діяльність в основному спостерігається у теплий період року і виникає у купчасто-дощових хмарах завдяки розвитку атмосферної конвекції . Зимові грози спостерігаються вкрай рідко і пов’язані з зонами «затопленої» конвекції** на загальному фоні шаруватоподібних хмар.
Розрізняють фронтальні та внутрішньомасові грози. Останні зумовлені конвекцією і виникають як у теплих масах повітря внаслідок нагрівання підстильної поверхні переважно у малоградієнтному*** полі підвищеного або зниженого тиску, так і в холодних, які переміщуються на теплу поверхню.
Грози спостерігаються під час переміщення атмосферних фронтів різного типу. На холодному фронті вони пов’язані з потужним витісненням теплої повітряної маси високого вологовмісту і нестійкої стратифікації**** вгору наступаючим валом холодного повітря. А на теплому атмосферному фронті грози утворюються завдяки тому, що під час підіймання над фронтальною поверхнею зростає нестійкість стратифікації теплого повітря, що спричиняє розвиток конвекції. Часто грози спостерігаються на фронтах оклюзії, особливо по типу холодного фронту, коли більш холодне повітря витісняє менш холодне.
Найчастіше фронтальні грози виникають безпосередньо поблизу поверхні фронту у вигляді смуги, ширина якої становить десятки кілометрів, і нерідко супроводжуються шквалами, зливами та градом. У середньому одна з 10 гроз супроводжується градом. Близько 70% гроз мають фронтальне походження, більшість яких пов’язана саме з холодним фронтом. Грозові розряди виникають у купчасто-дощових хмарах, коли ті мають значний вертикальний розвиток, а їх вершини досягають рівня природної кристалізації.
Отже необхідною умовою формування грози є поєднання кількох атмосферних чинників:
Перший із них – тепле та вологе повітря біля поверхні землі. У сонячні дні сонячна радіація нагріває земну поверхню, через що, відповідно, прогріваються і нижні шари атмосфери. Тепле повітря легше за холодне, тому воно починає підніматися вгору. Волога є своєрідним «паливом» для розвитку грози, адже саме водяна пара згодом конденсується у хмарні краплі та опади.
Другий чинник – атмосферна нестійкість. Грози найкраще формуються тоді, коли дуже тепле повітря біля поверхні перекривається холоднішим повітрям у вищих шарах атмосфери. Така вертикальна структура створює нестійкість, яка дозволяє висхідним потокам повітря швидко прискорюватися вгору. Підіймаючись, повітря охолоджується, а водяна пара починає конденсуватися у краплі води. Під час цього процесу виділяється приховане тепло, яке робить повітря ще більш плавучим і допомагає хмарі дуже швидко рости у вертикальному напрямку.
Третій необхідний елемент – механізм підйому повітря. Такий процес може запускатися холодними фронтами, гірським рельєфом, морськими бризами, збіжністю приземних вітрів або просто інтенсивним денним прогрівом поверхні. У гірських регіонах рельєф часто відіграє особливо важливу роль, змушуючи тепле повітря підніматися вздовж схилів та долин.
З чого починається гроза?
Вона починається з утворення купчастних хмар (сumulus). Невеликі хмари починають активно рости вгору разом із підйомом теплого повітря. За сприятливих умов вони перетворюються на потужні купчасті хмари з характерною структурою, яка дещо нагадує цвітну капусту. Саме ці хмари часто можна побачити перед літньою грозою. В метеорології такі хмари називають cumulus congestus. На цьому етапі в грозовій системі переважають висхідні потоки повітря.
Якщо нестійкість атмосфери залишається достатньо сильною, хмара зрештою перетворюється на купчасто-дощову (cumulonimbus) – повністю сформовану грозову хмару. Зріла стадія починається тоді, коли з хмари випадають опади, а поряд із висхідними потоками формуються низхідні. Усередині грози одночасно співіснують потужні висхідні та низхідні потоки повітря, створюючи характерну для гроз турбулентну циркуляцію. Саме на цьому етапі виникають погодні явища, які зазвичай асоціюються з сильною грозою: інтенсивні опади, блискавки, грім, град, сильні пориви вітру та різке погіршення видимості. Коли всередині хмари стикаються краплі води, кристали льоду та градини, відбувається розділення електричних зарядів. Згодом електричний дисбаланс стає надто великим і вивільняється у вигляді блискавки. Грім виникає через різке розширення повітря, нагрітого каналом блискавки.
Ілюстрація: Ірина Вакулінська і Катерина Лешундак, Рівненський обласний центр з гідрометеорології
Чому грози бувають різні?
Одним із головних чинників, що визначають інтенсивність грози, є вертикальний зсув вітру – зміна швидкості або напрямку вітру з висотою. Зсув вітру допомагає відокремити висхідні потоки від низхідних. Без цього розділення опади швидко перекривають доступ теплого й вологого повітря до грози, через що вона слабшає. Якщо ж зсув вітру достатньо сильний, гроза може існувати значно довше та переходити в більш організовані форми.
Найпростішим типом є так звана однокоміркова гроза (pulse storms). Такі грози часто виникають у літні дні та зазвичай тривають від 30 до 60 хвилин. Вони формуються в умовах слабкого зсуву вітру та переважно приносять локальні сильні дощі, блискавки й поривчастий вітер. Хоча такі грози зазвичай короткочасні, вони все одно можуть спричиняти локальні підтоплення або окремі пошкодження. На метеорологічному локаторі однокоміркова гроза виглядає як чітко окреслена, ізольована кругла пляма з яскравим «гарячим» ядром у самому центрі. На відміну від складних штормових систем, вона не має витягнутих ліній, хвостів чи закручених «гачків». Нижче наведено приклади того, як структура та життєвий цикл такої грози відображаються на екранах метеорологічних радарів:
Ілюстрація: Ірина Вакулінська і Катерина Лешундак, Рівненський обласний центр з гідрометеорології
Більш організовані системи виникають тоді, коли кілька грозових комірок взаємодіють між собою. У багатокоміркових грозах (multicell storms) нові комірки постійно формуються, тоді як старі поступово слабшають. Такі системи можуть приносити сильні опади, град і потужні пориви вітру на значно більших територіях. Деякі з них організовуються у так звані лінії шквалів – протяжні смуги гроз, здатні викликати руйнівний вітер та інтенсивні опади. На екрані метеорологічного локатора (радара) багатокоміркова гроза виглядає як масштабна, витягнута або амебоподібна пляма опадів, яка містить одразу кілька окремих «гарячих» ядер (червоних або фіолетових точок), з'єднаних між собою єдиним полем дощу (зелені та жовті зони).
Ілюстрація: Ірина Вакулінська і Катерина Лешундак, Рівненський обласний центр з гідрометеорології
Найпотужніші та найтриваліші грози називають суперкомірками (supercell). На відміну від звичайних гроз, суперкомірки мають обертовий висхідний потік – мезоциклон. Їхня добре організована внутрішня структура дозволяє їм існувати протягом багатьох годин і породжувати небезпечні погодні явища, зокрема великий град, руйнівний вітер, інтенсивну блискавичну активність та іноді навіть торнадо. Хоча суперкомірки трапляються відносно рідко, вони належать до найнебезпечніших атмосферних систем. На метеорологічному локаторі суперкомірка виглядає як потужне, ізольоване та асиметричне хмарне утворення з характерними геометричними ознаками, які вказують на наявність висхідного потоку, що обертається (мезоциклону).
Ілюстрація: Ірина Вакулінська і Катерина Лешундак, Рівненський обласний центр з гідрометеорології
Прогноз гроз
Розуміння того, як виникають і розвиваються грозові комірки, допомагає пояснити, чому одні грози залишаються слабкими та короткочасними, тоді як інші перетворюються на потужні та потенційно небезпечні суперкомірки. Проте попри значний прогрес у прогнозуванні погоди, точно визначити, де і коли сформується гроза, досі надзвичайно складно. Прогнозування гроз залишається одним із найскладніших завдань у метеорології, оскільки розвиток грози часто залежить від дуже локальних процесів. Невеликі зміни вологості, нестійкості атмосфери, структури вітру або прогріву поверхні можуть визначити, чи посилиться гроза, чи взагалі не сформується. Саме тому метеорологи аналізують одразу кілька атмосферних параметрів.
Сучасне прогнозування гроз поєднує чисельні погодні моделі з даними спостережень у реальному часі. Радарні карти дозволяють відстежувати інтенсивність опадів і переміщення грозових осередків, тоді як супутникові спостереження показують розвиток хмар і структуру гроз зверху. Додаткову інформацію про розвиток конвективних систем надають карти блискавичної активності, прогнозів опадів та вітру. Разом ці інструменти допомагають визначати, де атмосфера стає нестійкою та де зростає ймовірність грозової активності.
Ілюстрація: Ірина Вакулінська і Катерина Лешундак, Рівненський обласний центр з гідрометеорології
Головним завданням синоптика є своєчасне складання попередження про грозу та супутніх явищ, що можуть спостерігатись одночасно з нею. Попередження виноситься черговим синоптиком разом з прогнозом на наступну добу або у разі загрози виникнення за сприятливих метеоумов. Текст попередження доводиться до господарських організацій, органів місцевої влади та засобів масової інформації. Всю оперативну інформацію і попередження від прогностичних підрозділів обласних гідрометеорологічних центрів можна відслідковувати на офіційних сторінках у соцмережах та месенджерах. Всі посилання знаходяться тут https://linktr.ee/pressregions
На відміну від грози, такі явища як град, дощ та шквали можуть носити стихійний характер, а в попередженнях позначатися не тільки жовтим, а й помаранчевим і навіть найвищим - червоним рівнем небезпеки. З критеріями небезпечних та стихійних метеорологічних явищ можна ознайомитися за посиланням: https://www.meteo.gov.ua/ua/Meteorolohichni-poperedzhennya#. Часто на практиці, поєднання декількох небезпечних явищ одночасно може дорівнювати наслідкам утворення стихійного явища.
Завданням техніка-метеоролога під час спостережень за грозою є фіксація початку та закінчення явища, його загальної тривалості. За початок грози вважають момент першого удару грому( незалежно від того, було при цьому видно блискавку чи ні). Часом закінчення грози вважають момент останнього удару грому за умови, що протягом наступних 15 хв грім не повторювався. Оцінюється інтенсивність грози за частотою грозових розрядів та їхньою потужністю (чим ближче гроза, тим сильніші грозові розряди). Визначається напрям, у якому спостерігається гроза( за вісьмома румбами.) Спостереження за метеорологічними явищами на метеостанціях проводяться цілодобово.
У середньому за рік над рівнинними районами України спостерігається до 27-30 днів з грозою. Українські Карпати, Волинська, Подільська, Придніпровська, Донецька височини сприяють додатковому розвитку конвекції та загостренню процесів на атмосферних фронтах, тому тут частіше виникають грози: у гірських районах Українських Карпат - 45 днів, у Закарпатті – 36 днів, на південному заході – до 33 днів та у вузькій смузі на південному сході - 30-31 день.
На узбережжях Чорного та Азовського морів число днів з грозою значно менше (15-22), що зумовлено впливом бризової циркуляції. Меншим числом днів із грозою виділяється також Крим: на узбережжі – 15-20 днів, у степових районах і Кримських горах -22-25 днів, що зумовлено впливом моря.
Цікаві факти про блискавку та грім
Щодня на Землі спостерігається близько 44 000 гроз. Щохвилини у світі спалахує близько 100 розрядів блискавок.
Найдовша зафіксована блискавка в історії простягнулася на понад 700 км у довжину!
Блискавка може вдарити в одне й те саме місце двічі, а знамениті хмарочоси (як Емпайр-Стейт-Білдінг у Нью-Йорку) отримують до сотні ударів на рік.
Блискавки відіграють важливу роль в екології. Під час розряду температура повітря сягає десятків тисяч градусів, завдяки чому атмосферний азот зв'язується і потрапляє з дощем у ґрунт, удобрюючи його
Спалах блискавки миттєво розігріває повітря навколо себе, змушуючи його стрімко розширюватися. Саме цей процес вибухового розширення створює гуркіт, відомий як грім. • Правило секунди: Звук поширюється повільніше за світло. Якщо ви побачили спалах і порахували секунди до грому, розділіть це число на 3 (точніше, 3 секунди ≈ 1 км) — так можна дізнатися точну відстань до епіцентру.
«Сухі» грози: Іноді грози проходять без жодної краплі дощу. Часто вони виникають у спекотних посушливих регіонах і стають причиною лісових пожеж, оскільки розпечене повітря не встигає донести вологу до землі.
Найбільше грозове місце: Світовим рекордсменом є озеро Маракайбо у Венесуелі. Грози там можуть виникати понад 200 ночей на рік.
*атмосферна конвекція - це вертикальний перенос повітряних мас в атмосфері, викликаний різницею температур
**«затоплена» конвекція (в гідродинаміці та метеорології) — це вид конвективного руху, за якого потоки (струмені) теплого чи холодного повітря всередині середовища з аналогічними фізичними властивостями
***малоградієнтне баричне поле - це стан атмосфери, за якого атмосферний тиск на певній території розподілений майже рівномірно
****нестійка стратифікація (у метеорології та фізиці) - це стан атмосфери, за якого повітряна маса тепліша за навколишнє повітря, що сприяє її швидкому підняттю. Це явище провокує вертикальні рухи (конвекцію), утворення купчасто-дощових хмар, злив, гроз та шквалів