Почемучка что такое гроза
Откуда берется гром и молния
Многие люди испытывают необъяснимый страх во время грозы. Особенно громкие раскаты грома и яркие вспышки пугают детей. Почему так происходит? Действительно ли гроза представляет собой опасность? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, откуда вообще появляется гроза.
В другие сезоны по статистике каждый час на планете происходит около трех тысяч гроз. Это удивительно красивое и завораживающее природное явление. Но при определенных условиях гроза может принести массу неприятностей. Смотреть на молнию через окно намного безопаснее, чем находиться в это время на улице.
Как появляется гром и молния во время грозы
Чтобы понять, почему сверкает молния, нужно знать, что происходит в небе в этот момент. Грозовые облака представляют собой большое количество пара. Их высота составляет несколько километров. Снизу кажется, что темное плотное облако имеет однородную структуру и плавно перемещается по небу.
Маленькие льдинки уходят наверх, заряжаясь при этом положительно. А более крупные спускаются под собственной тяжестью, приобретая отрицательный заряд. Через какое-то время в туче появляется электрические заряды – наверху положительный, снизу отрицательный. Столкновение этих двух зарядов вызывает мощнейшую вспышку, которую мы называем молнией.
Наверное, самый частый детский вопрос о грозе:
Почему сначала молния, потом гром?
Существует легкий способ рассчитать, где находится молния во время грозы. Для этого нужно посчитать, через сколько секунд после удара возникает звук грома. Известно, что скорость звука в атмосфере составляет 300 м/с. Если количество секунд между разрядом и громом разделить на 3, получится расстояние в километрах.
Почему сверкает молния, а грома нет
Как защититься во время грозы
Гром кажется очень страшным явлением, особенно для детей. На самом же деле он не может нанести никакого вреда. Опасна молния, во время которой может случиться несчастье.
При ударе возникает тепловая энергия. Электрический разряд может спровоцировать пожар или убивает человека, когда бьет в дерево, в землю или в дом.
Поэтому люди стараются защитить свои жилища от удара. Длинные металлические стержни устанавливают на крышах зданий или вкапывают в землю. Обычно такую конструкцию называют громоотводом. Это не совсем правильно, так как на самом деле это защита от молнии.
Так же можно объяснить, почему молния бьет человека, если он идет по дороге или по полю.
В зависимости от формы и направления разряда, вспышки делятся на несколько типов:
Что такое шаровая молния
Чаще всего молния представляет собой прямую или зигзагообразную линию. Но иногда наблюдается шаровая молния. Она представляет собой светящийся клубок, пролетающий над поверхностью земли и разрывающийся при контакте с твердым предметом. Это явление является малоизученным. Многие даже не верят в существование шаровой молнии. Однако, удивительные истории, описанные в различных историях, доказывают обратное.
Для того, чтобы изучить механизм, ее нужно снять на фото или видео. Но так как явление это крайне редкое, то никому не удается поймать момент. Ученым приходится довольствоваться рассказами очевидцев. В отличие от обычной молнии, вспышка от которой длится доли секунды, шаровая может находиться в воздухе от нескольких секунд до минуты.
Подробнее о шаровой молнии
Гроза, причины её образования и особенности
Активность
Гроза — это одно из опаснейших природных явлений. Люди, пораженные молнией, выживают лишь в единичных случаях.
Одновременно на планете действует примерно 1500 гроз. Интенсивность разрядов оценивают в сотню молний в секунду.
Распределение гроз на Земле неравномерное. К примеру, над континентами их в 10 раз больше, чем над океаном. Большая часть (78%) молниевых разрядов сосредоточена в экваториальной и тропической зонах. Особенно часто фиксируется гроза в Центральной Африке. А вот полярные районы (Антарктика, Арктика) и полюсы молний практически не видят. Интенсивность грозы, оказывается, связана с небесным светилом. В средних широтах пик ее приходится на послеполуденные (дневные) часы, на лето. А вот минимум зарегистрирован перед восходом. Важны и географические особенности. Наиболее мощные грозовые центры находятся в Кордильерах и Гималаях (горные районы). Различно годовое количество «грозовых дней» и в России. В Мурманске, например, их всего лишь четыре, в Архангельске — пятнадцать, Калининграде — восемнадцать, Питере — 16, в Москве — 24, Брянске — 28, Воронеже — 26, Ростове — 31, Сочи — 50, Самаре — 25, Казани и Екатеринбурге — 28, Уфе — 31, Новосибирске — 20, Барнауле — 32, Чите — 27, Иркутске и Якутске — 12, Благовещенске — 28, Владивостоке — 13, Хабаровске — 25, Южно-Сахалинске — 7, Петропавловске-Камчатском — 1.
Видео
Классификация
Грозы какое-то время классифицировались только в месте наблюдения. Они разделялись, например, на орфографические, локальные, фронтальные. Сейчас грозы классифицируют по характеристикам, зависящим от тех метеорологических окружений, в которых они развиваются. Восходящие потоки формируются из-за неустойчивости атмосферы. Для создания грозовых облаков это является основным условием. Очень важны характеристики таких потоков. В зависимости от их мощности и величины формируются, соответственно, различные типы грозовых облаков. Как они подразделяются?
1. Кучево-дождевые одноячейковые, (локальные или внутримассовые). Имеют градовую или грозовую активность. Поперечные размеры от 5 до 20 км, вертикальные — от 8 до 12 км. «Живет» такое облако до часа. После грозы погода практически не меняется.
2. Многоячейковые кластерные. Здесь масштабы более внушительны — до 1000 км. Многоячейковый кластер охватывает группу грозовых ячеек, находящихся на различных стадиях формирования и развития и в то же время составляющих одно целое. Как они устроены? Зрелые грозовые ячейки располагаются в центре, распадающиеся — с подветренной стороны. Поперечные их размеры могут достигать 40 км. Кластерные многоячейковые грозы «дают» порывы ветра (шквальные, но не сильные), ливень, град. Существование одной зрелой ячейки ограничивается получасом, а вот сам кластер может «жить» несколько часов.
3. Линии шквалов. Это также многоячейковые грозы. Их называют еще линейными. Они могут быть как сплошными, так и с брешами. Порывы ветра здесь более продолжительны (на переднем фронте). Многоячейковая линия при приближении кажется темной стеной облаков. Число потоков (как восходящих, так и нисходящих) здесь довольно велико. Именно поэтому такой комплекс гроз классифицируется, как многоячеечный, хотя грозовая структура иная. Линия шквала способна дать интенсивный ливень и крупный град, однако чаще «ограничивается» сильными снисходящими потоками. Зачастую она проходит перед холодным фронтом. На снимках такая система имеет форму изогнутого лука.
4. Суперячейковые грозы. Встречаются такие грозы редко. Они особенно опасны для имущества и жизни человека. Облако этой системы схоже с одноячейковым, поскольку оба отличаются одной зоной восходящего потока. Зато размеры у них разные. Суперячейковое облако — огромно — близко 50 км в радиусе, высота — до 15 км. Границы его могут находиться в стратосфере. Форма напоминает единую полукруглую наковальню. Скорость восходящих потоков гораздо выше (до 60 м/с). Характерная особенность — наличие вращения. Именно оно создает опасные, экстремальные явления (крупный град (боле 5 см), разрушительные смерчи). Основным фактором для образования такого облака являются окружающие условия. Речь идет об очень сильной конвенции с температурой от +27 и ветре с переменным направлением. Такие условия возникают при сдвигах ветра в тропосфере. Образующиеся в восходящих потоках, осадки переносятся в зону нисходящих, что обеспечивает длительную жизнь облаку. Осадки распределяются неравномерно. Ливни идут близ восходящего потока, а град — ближе к северо-востоку. Задняя часть грозы может сместиться. Тогда наиболее опасной зоной будет рядом с основным восходящим потоком.
Существует еще понятие «сухая гроза». Это явление довольно редкое, характерное для муссонов. При такой грозе отсутствуют осадки (просто не долетают, испаряясь в результате воздействия высокой температуры).
Опасность грозы
Ученые не случайно следят за состоянием и формированием облаков. После того, как образуется гроза, они оценивают ее потенциал. И если он окажется огромным, то они предупреждают население о возможной опасности.
Опасность грозы заключается в электрических разрядах, ветре, виде осадков. Среди всего этого проявления самыми опасными считаются шквальные ветры, торнадо и молнии. Если электроразряд попадет в человека, то это может привести не только к серьезным увечьям, но и к смерти. При попадании в здания, молнии могут вызвать пожары.
Зная, когда и как появляется гроза, ученые могут предсказать силу ветра, ведь шквальные потоки воздуха способны вызывать разрушения всего, что достигнуто человеком, наносить непоправимый урон природе, валить деревья. Иногда во время грозы возникает торнадо – сильные вихри воздушных потоков, где скорость воздуха может достигать сотни километров в секунду. Такие природные явления способны наносить колоссальный урон.
Почему сначала молния, а потом гром
В большинстве случаев вначале люди наблюдают вспышку молнии, а затем слышат раскаты грома. Причина кроется в огромных размерах молнии и расстоянии. Звуковой волне требуется время, чтобы дойти до ушей наблюдателя. Скорость звука – 300-360 метров. Зная скорость можно узнать расстояние до молнии.
Необходимо посчитать время между вспышками и громом. Зафиксированное время умножается на скорость звука. Например, между разрядом электричества и громовым раскатом прошло 5 секунд. Значит расстояние до молнии составляет около 1.8 километров.
Гром произошедшего далеко разряда может не дойти до слушателя, даже если само явление было видно. В большинстве случаев гром не слышен на расстоянии больше 20 км.
В разговорной речи распространено название «холостая гроза», подразумевающий грохот грома без видимых вспышек электричества. На самом деле не существует грома без молнии. Зритель может не видеть вспышек, которые происходят далеко, раньше или закрыты от взора зданиями, горами.
Образование грозовых туч
Так откуда появляется гроза, из каких облаков и как они формируются? Мы видим грозу, только если в небе все сложится «удачно», а именно будут созданы условия для формирования грозовых облаков из кучевых.
Изначально кучевые облака проходят стадию зрелости, во время которой происходит развитие тучи. Затем наступает стадия распада, при которой выпадают осадки, наблюдаются электрические разряды.
Чтобы сформировались грозовые тучи, необходимо наличие восходящих потоков влаги, причем в огромном количестве. Такое возможно, только если туча формируется возле водоема, в горной местности. Поднимаясь с поверхности земли, воздушные массы устремляются вверх, начинают образовываться облака. В результате этого процесса могут быть сформированы четыре типа туч:
В зависимости от того, как образуется гроза, ее относят к внутримассовому или фронтальному типу. В последнем случае явление возникает из-за появления теплого или холодного фронта, а в первом – наблюдается перегрев атмосферы. Независимо от типа грозы, это явление длится недолго, около получаса, хотя грозовое облако может растянуться на десятки километров в горизонтальном направлении, а в вертикальном – до двадцати километров. При больших размерах туч гроза может длиться часами.
Классификация грозовых облаков
Одно время грозы классифицировались в соответствии с тем, где они наблюдались, — например, локальные, фронтальные или орографические. В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза. Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов.
Одноячейковое облако
 |
Цикл жизни одноячейкового облака.
Одноячейковые кучево-дождевые (Cumulonimbus, Cb) облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют ещё 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. Серьёзных изменений погоды после грозы не происходит. Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humilis). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию Cumulus mediocris. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако ещё однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком — осадки не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нем достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7-8 км Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие, и нисходящие воздушные потоки. На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно охватывают все облако.
Многоячейковые кластерные грозы
 |
Схема многоячейковой грозовой структуры.
Это наиболее распространённый 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. Грозовые ячейки, находящиеся в стадии зрелости, обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки с подветренной стороны кластера. Они 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. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперячейковой грозы.
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 тёмная 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, но больше они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.
Суперъячейковые грозы
 |
Вертикальная и горизонтальная структура суперъячейкового облака.
Суперъячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперъячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперъячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в том, что размер ячейки огромен: диаметр порядка 50 км, высота 10-15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперъячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40 — 60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперъячейковом облаке (в радарной терминологии называемый мезоциклоном), создаёт 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 суперъячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение. Такие условия достигаются при сдвиге ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделёнными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперъячейкового 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. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалёку от зоны основного восходящего потока (обычно смещённые к задней части грозы).
Чем опасна гроза
Грозы обладают мощными поражающими факторами. Они:
Отличие грозы от молнии в плане опасности состоит в том, что гроза, как явление, включает в себя не только гром и молнию, но и обильные осадки. Ливни бывают настолько сильными, что вызывают наводнение. А град способен нанести увечья человеку, повредить урожай и некрепкие конструкции.
Несмотря на свою опасность, грозы – явление полезное для планеты. Электрические разряды приводят к тому, что в стратосферном слое образуется озон – вещество, составляющее основу защитной оболочки Земли. Но для дыхательной системы человека озон, заполняющий собой воздушное пространство после грозы, вреден. Поэтому, как бы ни хотелось вдохнуть свежего воздуха после дождя, лучше закрыть окна и форточки на пару часов.
Электрическая структура грозового облака
 |
Структура зарядов в грозовых облаках в различных регионах.
Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщённую картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура, в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои, маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от −5 до −17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объёмного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км³. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: — отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной структурой с четырьмя и более зонами объёмных зарядов разной полярности.
Механизм электризации
Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объёмных зарядов возникает за счёт того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа — пористые частицы из замёрзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутриоблачные разряды, межоблачные разряды или разряды облако — воздух. Оставшаяся часть — это разряды облако-земля. В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолётами или ракетами оказавшимися в зоне сильных электрических полей.