Hai familiarità con la definizione di una supercella? Mi è sembrato che questo fosse qualcosa dal campo della matematica o della fisica nucleare. Forse esiste una cosa del genere, ma ora parleremo di fenomeni naturali.
La causa di fenomeni come i temporali, le piogge abbondanti e l'intensificazione del vento squallido sono i cumulonembi monocellulari e multicellulari, che molto spesso si accumulano nel cielo in estate. Una monocellula è un singolo cumulonembo che esiste indipendentemente dagli altri. Una multicella è già un ammasso (accumulo) di monocellule unite da un'incudine. Cioè, quando una cellula decade, allora un altro nucleo vicino ad essa, o la nucleazione, avviene simultaneamente. Questi complessi possono occupare un'area da diverse decine a diverse centinaia di migliaia di km2.
Questi ultimi sono chiamati Mesoscale Convective Clusters (MCC). Sono in grado di provocare forti raffiche, forti grandinate e forti piogge. Tuttavia, non sono niente di speciale: solo un accumulo di potenti cumulonembi. Ma c'è una formazione atmosferica che produce condizioni meteorologiche ancora più severe, incluso un tornado ed è chiamata supercella. Le loro condizioni di formazione e la loro struttura sono fondamentalmente diverse dai normali cumulonembi. E questo articolo parla proprio di questi incredibili, rari ed eccitanti oggetti dell'atmosfera.
Monocellule e multicellule
Per cominciare, considera i processi di formazione delle monocellule convenzionali. In una limpida giornata estiva, il sole riscalda la superficie sottostante. Di conseguenza, si verifica la convezione termica, che porta alla comparsa di "embrioni" di un futuro temporale - nubi cumuliformi piatte (Cu hum.), La cui altezza non supera 1 km. Di solito sono generati da volumi di aria riscaldata in aumento caotico - termiche sotto forma di bolle. In questo caso, la nuvola risultante durerà per un po 'di tempo (decine di minuti) e alla fine si dissolverà senza passare a un altro stadio di sviluppo. Diversa è la questione quando la termica emergente non assume la forma di una bolla, ma di un flusso d'aria continuo. Allo stesso tempo, nei luoghi da cui è salita l'aria, si forma una rarefazione. È pieno d'aria dai lati. Sopra, invece, l'aria in eccesso tende a diffondersi ai lati. A una certa distanza il traffico aereo chiude. Di conseguenza, si forma una cella convettiva.
Inoltre, Cu hum. passa in cumuli medi o cumuli potenti (Cu med., Cu cong.), la cui altezza è già fino a 4 km. Un cumulo di nuvole piatte passerà in una nuvola media, e poi in una potente, oppure terminerà la sua evoluzione, rimanendo al primo stadio, dipende solo dallo stato dell'atmosfera in un dato luogo e in un dato momento. I principali fattori che contribuiscono alla crescita delle nubi convettive sono un forte calo della temperatura con l'altezza nell'atmosfera di fondo, nonché il rilascio di calore durante le transizioni di fase dell'umidità (condensa, congelamento, sublimazione), che richiede un contenuto sufficientemente elevato di vapore acqueo nell'aria. Il fattore limitante è la presenza nell'atmosfera di strati in cui la temperatura scende leggermente con l'altezza, fino all'isoterma (la temperatura non cambia con l'altezza) o all'inversione (riscaldamento con l'altezza). In condizioni favorevoli, Cu cong.si trasforma in un cumulonembo Cb, che provoca rovesci, temporali e grandine. Ma in ogni caso, una nuvola cumulonembo appare inizialmente come ronzio di Cu, e non spontaneamente.
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Una caratteristica distintiva di questa nube è la sommità ghiacciata, che ha raggiunto lo strato di inversione (l'altezza Cb è determinata dal livello di condensa e dal livello di convezione - rispettivamente, i confini inferiore e superiore della nube. Alle latitudini tropicali, l'altezza di queste nuvole può raggiungere i 20 km e sfondare la tropopausa). Si chiama incudine ed è uno strato di densi cirri sviluppati sul piano orizzontale. In questo momento, il cloud ha raggiunto il suo massimo sviluppo. Allo stesso tempo, insieme ai flussi ascendenti nella nuvola, si formano flussi discendenti a causa delle precipitazioni. La precipitazione in caduta raffredda l'aria circostante, diventa più densa e inizia a scendere in superficie (osserviamo questo processo sulla terra come una raffica) sempre più bloccando le correnti ascensionali, che sono molto necessarie per l'esistenza della nuvola. E qualsiasi downdraft ha un effetto dannoso sulla genesi delle nuvole.
Pertanto, una nuvola che è cresciuta fino allo stadio Cb firma immediatamente la propria condanna a morte. Gli studi dimostrano che i downdraft nella sua parte inferiore e nello strato sub-nuvoloso hanno un effetto particolarmente forte: da sotto la nuvola, in senso figurato, le fondamenta vengono abbattute. Di conseguenza, inizia la fase finale dell'esistenza di Cb: la sua dissipazione. In questa fase, sotto la nuvola si osservano solo correnti discendenti che sostituiscono completamente quelle ascendenti; la precipitazione gradualmente si indebolisce e si ferma, la nuvola diventa meno densa, passando gradualmente in uno strato di densi cirri. È qui che finisce la sua esistenza. Pertanto, la nuvola attraversa tutte le fasi dell'evoluzione in circa un'ora: la nuvola cresce in 10 minuti, la fase di maturità dura circa 20-25 minuti e la dissipazione avviene in circa 30 minuti.
Una monocellula è una nuvola costituita da una cellula convettiva, ma molto spesso (in circa l'80% dei casi) si osservano multicellule: un gruppo di cellule convettive in diversi stadi di sviluppo, unite da un'incudine. Durante l'attività temporale multicellulare, i flussi discendenti di aria fredda della nuvola "madre" creano correnti ascendenti che formano le nuvole temporalesche "figlie". Tuttavia, va ricordato che tutte le cellule non possono mai essere contemporaneamente nella stessa fase di sviluppo! La durata delle multicelle è molto più lunga, dell'ordine di diverse ore.
Supercella. Concetti basilari
Una supercella è una potente monocellula convettiva. Il processo di formazione e struttura è molto diverso dai normali cumulonembi. Pertanto, questo fenomeno è di grande interesse per gli scienziati. L'interesse sta nel fatto che una normale monocellula in determinate condizioni si trasforma in una sorta di "mostro" che può esistere per circa 4 - 5 ore praticamente invariato, essendo quasi stazionario e generando tutti i pericolosi fenomeni meteorologici. Il diametro di una supercella può raggiungere i 50 km o più e la sua altezza spesso supera i 10 km. La velocità ascendente all'interno della supercella raggiunge i 50 m / se anche di più. Di conseguenza, la grandine si forma spesso con un diametro di 10 cm o più. Di seguito considereremo le condizioni di formazione, le dinamiche e la struttura della supercella.
I principali fattori necessari per la formazione di una supercella sono il wind shear (variazione della velocità e direzione del vento con l'altezza nello strato 0 - 6 km), la presenza di una corrente a getto a bassi livelli e una forte instabilità nell'atmosfera quando si osserva "convezione esplosiva". Inizialmente, la nuvola ha le caratteristiche di una monocellula con correnti ascendenti dirette di aria calda e umida, ma poi ad una certa altezza si osserva il wind shear e / o una corrente a getto, che inizia a spiraleggiare la corrente ascendente e la inclina leggermente dall'asse verticale. Nella prima figura, una freccia rossa sottile mostra un taglio del vento (corrente a getto), una freccia larga - una corrente ascensionale.
Come risultato del suo contatto con la corrente a getto, inizia a spirale su un piano orizzontale. Quindi il flusso ascendente, ruotando a spirale, si trasforma gradualmente da orizzontale a più verticale. Questo può essere visto nella seconda figura. In definitiva, la corrente ascensionale assume un asse quasi verticale. Allo stesso tempo, la rotazione continua ed è così potente che alla fine sfonda l'incudine, formando una cupola sopra di essa - una corona torreggiante. L'aspetto di questa cupola indica potenti correnti ascensionali in grado di sfondare lo strato di inversione. Questa colonna rotante è il "cuore" della supercella ed è chiamata mesociclone. Il suo diametro può variare da 2 a 10 km. La corona torreggiante indica solo la presenza di un mesociclone.
La lunga durata e stabilità della supercella è associata a quanto segue. A causa del mesociclone, le precipitazioni si verificano leggermente lontano dalla corrente ascensionale, e quindi le correnti discendenti si osservano anche lateralmente (principalmente su entrambi i lati del mesociclone). In questo caso, entrambi i flussi (discendente e ascendente) coesistono tra loro - sono amici: scendendo, il primo sposta l'aria calda verso l'alto e non ne blocca l'accesso alla cella, migliorando ulteriormente il flusso ascendente. E più potente è la corrente ascensionale, più forte è la precipitazione, che causa correnti discendenti ancora più grandi, che spingono sempre più l'aria superficiale verso l'alto. E se la cella è paragonata a una ruota, si scopre che la precipitazione in una situazione del genere, per così dire, fa girare questa ruota. È come risultato di ciò che la supercella è in grado di esistere per molte ore,espandendosi durante questo periodo di decine di chilometri in larghezza e lunghezza, generando grandi grandinate, forti piogge e spesso tornado. In questo momento, sulla superficie terrestre compaiono 3 minifronte: 2 freddi nell'area dei flussi declassati e uno caldo nell'area di quelli ascendenti (vedi Fig.1). Cioè, appare un ciclone in miniatura, il cui "embrione" è precisamente lo stesso mesociclone.
Come accennato in precedenza, i tornado si verificano non solo nelle supercelle, ma anche nelle normali celle mono e multicelle. Tuttavia, c'è una grande differenza: in una supercella, precipitazioni e tornado vengono osservati simultaneamente, e in mono e multicella: prima un tornado, quindi le precipitazioni e nell'area in cui è stato osservato il tornado. Ciò è dovuto all'assenza di un evidente spostamento nello spazio della parte superiore "cristallogenica" della nuvola e nella parte inferiore in cui fluisce l'aria calda. Inoltre, nelle supercelle di solito c'è una corrente a getto sopra l'apice, che trasporta l'aria spostata lontano dalla nuvola, per cui si osserva un'incudine molto allungata (vedi Fig.1), mentre in una cella normale, l'aria fredda spostata dal caldo, scende lungo i bordi e quindi inoltre blocca il "potere". Pertanto, i tornado in tali cellule sono di breve durata, deboli,e raramente si trovano in una fase maggiore di una nuvola a imbuto.
Va notato che le supercelle sono sia grandi che piccole, con una corona alta o bassa, e possono formarsi ovunque, ma principalmente negli stati centrali degli Stati Uniti - sulle Grandi Pianure. In Europa e in Russia sono estremamente rari e ne esiste un solo tipo: le supercelle HP. La classificazione sarà discussa di seguito. Le supercelle sono sempre associate a un significativo wind shear e ad alti valori di CAPE - un indicatore di instabilità. Per le supercelle, il limite di taglio verticale inizia a 20 m / s nello strato 0-6 km.
Tutte le supercelle producono condizioni meteorologiche avverse (grandine, raffiche, acquazzoni), ma solo il 30% o meno di esse genera tornado, quindi bisogna cercare di distinguere le supercelle che generano tornado da quelle più "calme".
Per la formazione di un potente mesociclone sono necessari un potente spostamento nello strato 0-6 km (odografo lungo) e una galleggiabilità sufficiente. La formazione di una supercella sotto la condizione di una curvatura significativa dell'odografo nello strato 0–2 km favorisce lo sviluppo di un tornado. Tuttavia, lo sviluppo di un tornado dipende dalla struttura dinamica della tempesta. Deve esserci una forte corrente ascensionale e rotazione verticale per un forte sviluppo di mesociclone e tornado. Il vortice orizzontale causato dal taglio verticale è decisivo nella formazione del mesociclone.
Le supercelle sono generalmente classificate in 3 tipi. Ma non tutte le supercelle corrispondono chiaramente a una specie specifica e spesso passano da una specie all'altra nel corso della loro evoluzione. Tutti i tipi di celle generano condizioni meteorologiche avverse.
Supercella classica - Cioè, è la supercella ideale, che contiene quasi tutti gli elementi di cui sopra, sia sul radar che visuale. Gli indici di instabilità per questo tipo sono: CAPE: 1500 - 3500 J / kg, Li da -4 a -10. Ma in natura, tali cellule sono piuttosto rare; gli altri due tipi sono più spesso osservati.
Supercella tipo LP (Low Precipitation). Questa classe di supercelle ha una piccola area con scarse precipitazioni (pioggia, grandine), separata dalla corrente ascensionale. Questo tipo può essere facilmente riconosciuto dai solchi scolpiti delle nuvole alla base della corrente ascensionale, e talvolta ha l'aspetto di essere "affamato" rispetto alla classica supercella. Questo perché si formano lungo il cosiddetto. linee asciutte (quando si osserva aria calda e umida in prossimità della superficie, che si incunea, come un fronte freddo, sotto aria più calda e secca, poiché quest'ultima è meno densa), avendo poca umidità disponibile per il suo sviluppo, nonostante un forte wind shear … Tali cellule di solito collassano rapidamente senza trasformarsi in altri tipi. Generalmente generano tornado deboli e grandine di dimensioni inferiori a 1 pollice. A causa della mancanza di forti piogge,questo tipo di cella ha deboli riflessi radar senza una chiara eco uncinata, anche se in quel momento si sta effettivamente osservando un tornado. L'attività temporale di una tale cella è significativamente inferiore rispetto ad altri tipi e il fulmine è prevalentemente intra-nuvola (IC) e non tra nuvola e suolo (CG). Queste supercelle si formano a CAPE pari a 500-3500 J / kg e Li: -2 - (-8). Tali cellule si trovano principalmente negli stati centrali degli Stati Uniti durante i mesi primaverili ed estivi. Sono stati osservati anche in Australia. Tali cellule si trovano principalmente negli stati centrali degli Stati Uniti durante i mesi primaverili ed estivi. Sono stati osservati anche in Australia. Tali cellule si trovano principalmente negli stati centrali degli Stati Uniti durante i mesi primaverili ed estivi. Sono stati osservati anche in Australia.
Supercell tipo HP (High Precipitation). Questo tipo di supercella ha precipitazioni molto più elevate rispetto ad altri tipi, che possono circondare completamente il mesociclone. Una tale cellula è particolarmente pericolosa, poiché può contenere un potente tornado, che è visivamente nascosto dietro un muro di precipitazioni. Le supercelle HP spesso causano inondazioni e gravi discese, ma hanno meno probabilità di formare grandi grandinate rispetto ad altri tipi. È stato notato che queste supercelle generano più scariche di IC e CG rispetto ad altri tipi. L'indice CAPE per queste supercelle è 2000-7000 J / kg o più, e Li dovrebbe essere inferiore a -6. Tali cellule si muovono relativamente lentamente.
Dopo 4 anni di ricerche infruttuose, il fotografo Mike Olbinski ha trovato quello che stava cercando. Il 3 giugno, vicino a Booker, in Texas, vide quella rarissima supercella rotante.
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