Kennen Sie die Definition einer Superzelle? Es schien mir, dass dies etwas aus dem Bereich der Mathematik oder Kernphysik ist. Vielleicht gibt es so etwas, aber wir werden jetzt über Naturphänomene sprechen.
Die Ursache für Phänomene wie Gewitter, starker Regen und heftige Windverstärkung sind einzellige und mehrzellige Cumulonimbuswolken, die sich im Sommer häufig am Himmel häufen. Eine Monozelle ist eine einzelne Cumulonimbus-Wolke, die unabhängig von den anderen existiert. Eine Mehrfachzelle ist bereits ein Cluster (Akkumulation) von Monozellen, die durch einen Amboss verbunden sind. Das heißt, wenn eine Zelle zerfällt, dann tritt gleichzeitig ein anderer Kern in der Nähe auf oder es kommt zur Keimbildung. Diese Komplexe können eine Fläche von mehreren zehn bis mehreren hunderttausend km2 einnehmen.
Letztere werden als Mesoscale Convective Clusters (MCC) bezeichnet. Sie können starke Böen, starken Hagel und starken Regen verursachen. Sie sind jedoch nichts Besonderes - nur eine Ansammlung mächtiger Cumulonimbus-Wolken. Aber es gibt eine atmosphärische Formation, die noch schwierigere Wetterbedingungen erzeugt, einschließlich eines Tornados, und sie wird Superzelle genannt. Ihre Formationsbedingungen und Struktur unterscheiden sich grundlegend von gewöhnlichen Cumulonimbuswolken. Und in diesem Artikel geht es nur um diese erstaunlichen, seltenen und aufregenden Objekte der Atmosphäre.
Monozellen und Multizellen
Betrachten Sie zunächst die Prozesse der Bildung herkömmlicher Monozellen. An einem klaren Sommertag erwärmt die Sonne die darunter liegende Oberfläche. Infolgedessen tritt eine thermische Konvektion auf, die zur Entstehung von "Embryonen" eines zukünftigen Gewitters führt - flache Cumuluswolken (Cu hum.), Dessen Höhe 1 km nicht überschreitet. Sie werden normalerweise durch chaotisch ansteigende Mengen erwärmter Luft - Thermik in Form von Blasen erzeugt. In diesem Fall hält die resultierende Wolke einige Zeit (mehrere zehn Minuten) an und löst sich schließlich auf, ohne in eine andere Entwicklungsstufe überzugehen. Anders ist es, wenn die austretende Wärme nicht die Form einer Blase, sondern eines kontinuierlichen Luftstroms hat. Gleichzeitig bildet sich an Stellen, an denen die Luft aufstieg, eine Verdünnung. Es ist von den Seiten mit Luft gefüllt. Oben hingegen neigt überschüssige Luft dazu, sich seitlich auszubreiten. In einiger Entfernung schließt der Flugverkehr. Infolgedessen wird eine konvektive Zelle gebildet.
Darüber hinaus summte Cu. geht in Cumulus Medium oder Cumulus mächtige Wolken (Cu med., Cu cong.) über, deren Höhe bereits bis zu 4 km beträgt. Eine flache Cumuluswolke geht in eine mittlere Wolke über und dann in eine mächtige, oder sie beendet ihre Entwicklung, die in der ersten Stufe verbleibt. Dies hängt nur vom Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Die Hauptfaktoren, die zum Wachstum konvektiver Wolken beitragen, sind ein starker Temperaturabfall mit der Höhe in der Hintergrundatmosphäre sowie die Freisetzung von Wärme während Phasenübergängen von Feuchtigkeit (Kondensation, Gefrieren, Sublimation), die einen ausreichend hohen Wasserdampfgehalt in der Luft erfordert. Ein begrenzender Faktor ist das Vorhandensein von Schichten in der Atmosphäre, in denen die Temperatur mit der Höhe leicht abfällt, bis zur Isotherme (Temperatur ändert sich nicht mit der Höhe) oder Inversion (Erwärmung mit der Höhe). Unter günstigen Bedingungen kann Cu cong.verwandelt sich in eine Cumulonimbus Cb-Wolke, die Schauer, Gewitter und Hagel verursacht. In jedem Fall erscheint eine Cumulonimbus-Wolke zunächst als Cu-Brummen und nicht spontan.
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Ein charakteristisches Merkmal dieser Wolke ist der eisige Gipfel, der die Inversionsschicht erreicht hat (die Höhe Cb wird durch das Kondensationsniveau und das Konvektionsniveau bestimmt - jeweils die unteren und oberen Grenzen der Wolke. In tropischen Breiten kann die Höhe dieser Wolken 20 km erreichen und die Tropopause durchbrechen). Es wird Amboss genannt und ist eine Schicht dichter Zirruswolken, die sich in der horizontalen Ebene entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt erreichte die Cloud ihre maximale Entwicklung. Gleichzeitig bilden sich zusammen mit aufsteigenden Strömen in der Wolke durch Niederschlag absteigende Ströme. Der fallende Niederschlag kühlt die Umgebungsluft ab, wird dichter und beginnt an die Oberfläche abzusteigen (wir beobachten diesen Prozess auf der Erde als Gewitter) und blockiert immer mehr die Aufwinde, die für die Existenz der Wolke sehr notwendig sind. Und jeder Abwind wirkt sich nachteilig auf die Wolkenentstehung aus.
Somit unterzeichnet eine Wolke, die bis zur Stufe Cb gewachsen ist, sofort ihr eigenes Todesurteil. Studien zeigen, dass Abwinde im unteren Teil und in der Subwolkenschicht besonders stark wirken - bildlich gesprochen wird unter der Wolke das Fundament ausgeschlagen. Infolgedessen beginnt das letzte Stadium der Existenz von Cb - seine Dissipation. Zu diesem Zeitpunkt werden unter der Wolke nur Abwinde beobachtet, die die aufsteigenden vollständig ersetzen. Der Niederschlag schwächt sich allmählich ab und hört auf, die Wolke wird weniger dicht und geht allmählich in eine Schicht dichter Zirruswolken über. Hier endet seine Existenz. Somit durchläuft die Wolke in etwa einer Stunde alle Entwicklungsstadien: Die Wolke wächst in 10 Minuten, die Reifephase dauert etwa 20 bis 25 Minuten und die Dissipation erfolgt in etwa 30 Minuten.
Eine Monozelle ist eine Wolke, die aus einer konvektiven Zelle besteht. Am häufigsten (in etwa 80% der Fälle) werden jedoch mehrere Zellen beobachtet - eine Gruppe konvektiver Zellen in verschiedenen Entwicklungsstadien, die durch einen Amboss verbunden sind. Während einer mehrzelligen Gewitteraktivität erzeugen die absteigenden kalten Luftströme der "Eltern" -Wolke aufsteigende Ströme, die die "Tochter" -Witterwolken bilden. Es muss jedoch beachtet werden, dass sich niemals alle Zellen gleichzeitig im selben Entwicklungsstadium befinden können! Die Lebensdauer von Mehrfachzellen ist viel länger - in der Größenordnung von mehreren Stunden.
Superzelle. Grundlegendes Konzept
Eine Superzelle ist eine sehr starke konvektive Monozelle. Der Prozess seiner Bildung und Struktur unterscheidet sich stark von gewöhnlichen Cumulonimbuswolken. Daher ist dieses Phänomen für Wissenschaftler von großem Interesse. Das Interesse liegt in der Tatsache, dass eine gewöhnliche Monozelle unter bestimmten Bedingungen zu einer Art "Monster" wird, das praktisch unverändert für etwa 4 bis 5 Stunden existieren kann, quasi stationär ist und alle gefährlichen Wetterphänomene erzeugt. Der Durchmesser einer Superzelle kann 50 km oder mehr erreichen und ihre Höhe überschreitet häufig 10 km. Die Aufstiegsgeschwindigkeit innerhalb der Superzelle erreicht 50 m / s und noch mehr. Infolgedessen bildet sich häufig Hagel mit einem Durchmesser von 10 cm oder mehr. Im Folgenden werden die Formationsbedingungen, die Dynamik und die Struktur der Superzelle betrachtet.
Die Hauptfaktoren, die für die Bildung einer Superzelle erforderlich sind, sind Windscherung (Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung mit der Höhe in der Schicht 0 - 6 km), das Vorhandensein eines Strahls in geringen Mengen und eine starke Instabilität in der Atmosphäre, wenn "explosive Konvektion" beobachtet wird. Anfangs hat die Wolke die Eigenschaften einer Monozelle mit direkt aufsteigenden Strömungen von warmer und feuchter Luft, aber dann wird in einer bestimmten Höhe eine Windscherung und (oder) Strahlströmung beobachtet, die beginnt, die aufsteigende Strömung zu spiralisieren und sie leicht von der vertikalen Achse zu neigen. In der ersten Abbildung zeigt ein roter dünner Pfeil eine Windscherung (Jetstream), ein breiter Pfeil - einen Aufwind.
Infolge seines Kontakts mit dem Strahl beginnt es, sich in einer horizontalen Ebene zu drehen. Dann wandelt sich der aufsteigende Strom, der sich spiralförmig dreht, allmählich von horizontal zu vertikaler. Dies ist in der zweiten Abbildung zu sehen. Letztendlich nimmt der Aufwind eine fast vertikale Achse an. Gleichzeitig setzt sich die Rotation fort und ist so stark, dass sie schließlich den Amboss durchbricht und eine Kuppel darüber bildet - eine hoch aufragende Krone. Das Aussehen dieser Kuppel weist auf starke Aufwinde hin, die die Inversionsschicht durchbrechen können. Diese rotierende Säule ist das "Herz" der Superzelle und wird als Mesozyklon bezeichnet. Sein Durchmesser kann zwischen 2 und 10 km liegen. Die hoch aufragende Krone zeigt nur das Vorhandensein eines Mesozyklons an.
Die lange Lebensdauer und Stabilität der Superzelle ist mit Folgendem verbunden. Aufgrund des Mesozyklons tritt eine Ausfällung etwas abseits des aufsteigenden Flusses auf, und daher werden die absteigenden Flüsse auch zur Seite beobachtet (hauptsächlich auf beiden Seiten des Mesozyklons). In diesem Fall existieren beide Ströme (absteigend und aufsteigend) nebeneinander - sie sind Freunde: Beim Abstieg verdrängt der erstere warme Luft nach oben und blockiert nicht den Zugang zur Zelle, wodurch der aufsteigende Strom weiter verstärkt wird. Und je stärker der Aufwind ist, desto stärker ist der Niederschlag, der noch größere Abwinde verursacht, die die Oberflächenluft immer mehr nach oben drücken. Und wenn die Zelle mit einem Rad verglichen wird, stellt sich heraus, dass Niederschlag in einer solchen Situation dieses Rad sozusagen dreht. Infolgedessen kann die Superzelle viele Stunden lang existieren. In dieser Zeit dehnen sie sich um mehrere zehn Kilometer in Breite und Länge aus und erzeugen großen Hagel, starken Regen und oft Tornados. Zu diesem Zeitpunkt erscheinen 3 Minifront an der Erdoberfläche: 2 kalte im Bereich der Herabstufung von Flüssen und eine warme im Bereich aufsteigender Flüsse (siehe Abb. 1). Das heißt, es erscheint ein Miniaturzyklon, dessen "Embryo" genau der gleiche Mesozyklon ist.
Wie oben erwähnt, treten Tornados nicht nur in Superzellen auf, sondern auch in gewöhnlichen Mono- und Multizellen. Es gibt jedoch einen großen Unterschied: In einer Superzelle werden Niederschlag und Tornados gleichzeitig beobachtet, und in Mono- und Multizellen zuerst ein Tornado und dann Niederschlag und in dem Gebiet, in dem der Tornado beobachtet wurde. Dies ist auf das Fehlen einer offensichtlichen Verschiebung im Raum des oberen "kristallogenen" Teils der Wolke und des unteren Teils, in den warme Luft strömt, zurückzuführen. Zusätzlich gibt es in Superzellen normalerweise einen Strahlstrom über der Spitze, der die verdrängte Luft von der Wolke wegführt, wodurch ein sehr länglicher Amboss beobachtet wird (siehe 1), während in einer normalen Zelle die kalte Luft durch warme verdrängt wird blockiert zusätzlich "power". Daher sind Tornados in solchen Zellen kurzlebig, schwach,und sind selten in einem Stadium größer als eine Trichterwolke.
Es sollte beachtet werden, dass Superzellen sowohl groß als auch klein sind, mit einer niedrigen oder hohen hoch aufragenden Krone und sich überall bilden können, außer hauptsächlich in den Zentralstaaten der Vereinigten Staaten - in den Great Plains. In Europa und Russland sind sie äußerst selten und es gibt nur einen Typ - HP-Superzellen. Die Klassifizierung wird unten diskutiert. Superzellen sind immer mit einer signifikanten Windscherung und hohen CAPE-Werten verbunden - ein Indikator für Instabilität. Bei Superzellen beginnt die vertikale Schergrenze bei 20 m / s in der 0-6 km-Schicht.
Alle Superzellen erzeugen raue Wetterbedingungen (Hagel, Böen, Regenstürme), aber nur 30% oder weniger von ihnen erzeugen Tornados. Daher muss versucht werden, Superzellen, die Tornados erzeugen, von "ruhigeren" zu unterscheiden.
Eine starke Verschiebung der 0-6 km-Schicht (langer Hodograph) und ein ausreichender Auftrieb sind für die Bildung eines starken Mesozyklons erforderlich. Die Bildung einer Superzelle unter der Bedingung einer signifikanten Krümmung des Hodographen in der 0–2 km-Schicht trägt zur Entwicklung eines Tornados bei. Die Entwicklung eines Tornados hängt jedoch von der dynamischen Struktur des Sturms ab. Für eine starke Mesozyklon- und Tornadoentwicklung muss es einen starken Aufwind und eine vertikale Rotation geben. Der durch vertikale Scherung verursachte horizontale Wirbel ist entscheidend für die Bildung des Mesozyklons.
Superzellen werden im Allgemeinen in 3 Typen eingeteilt. Aber nicht alle Superzellen entsprechen eindeutig einer bestimmten Art und gehen im Laufe ihrer Entwicklung häufig von einer Art zur anderen über. Alle Zelltypen erzeugen raue Wetterbedingungen.
Klassische Superzelle - Das heißt, es ist die ideale Superzelle, die fast alle oben genannten Elemente enthält, sowohl auf dem Radar als auch visuell. Instabilitätsindizes für diesen Typ sind: CAPE: 1500 - 3500 J / kg, Li von -4 bis -10. In der Natur sind solche Zellen jedoch ziemlich selten, die beiden anderen Typen werden häufiger beobachtet.
Superzelle vom Typ LP (Low Precipitation). Diese Klasse von Superzellen hat ein kleines Gebiet mit geringem Niederschlag (Regen, Hagel), das vom Aufwind getrennt ist. Dieser Typ ist leicht an den geformten Wolkenrillen an der Basis des Aufwinds zu erkennen und wirkt im Vergleich zur klassischen Superzelle manchmal "hungrig". Dies liegt daran, dass sie sich entlang der sogenannten bilden. trockene Linien (wenn warme und feuchte Luft in der Nähe der Oberfläche beobachtet wird, die sich wie eine Kaltfront unter der heißeren und trockeneren Luft verkeilt, da diese weniger dicht ist), die trotz starker Windscherung nur wenig Feuchtigkeit für ihre Entwicklung zur Verfügung hat … Solche Zellen kollabieren normalerweise schnell, ohne sich in andere Typen zu verwandeln. Sie erzeugen normalerweise schwache Tornados und sind weniger als 1 Zoll groß. Aufgrund des Mangels an starken RegenfällenDieser Zelltyp weist schwache Radarreflexionen ohne klares Hakenecho auf, obwohl zu diesem Zeitpunkt tatsächlich ein Tornado beobachtet wird. Die Gewitteraktivität einer solchen Zelle ist im Vergleich zu anderen Typen signifikant geringer, und der Blitz ist überwiegend innerhalb der Wolke (IC) und nicht zwischen Wolke und Boden (CG). Diese Superzellen werden bei CAPE gleich 500 - 3500 J / kg und Li: -2 - (-8) gebildet. Solche Zellen kommen hauptsächlich in den Zentralstaaten der Vereinigten Staaten während der Frühlings- und Sommermonate vor. Sie wurden auch in Australien beobachtet. Solche Zellen kommen hauptsächlich in den Zentralstaaten der Vereinigten Staaten während der Frühlings- und Sommermonate vor. Sie wurden auch in Australien beobachtet. Solche Zellen kommen hauptsächlich in den Zentralstaaten der Vereinigten Staaten während der Frühlings- und Sommermonate vor. Sie wurden auch in Australien beobachtet.
Superzelltyp HP (High Precipitation). Diese Art von Superzelle hat eine viel höhere Ausfällung als andere Arten, die den Mesozyklon vollständig umgeben können. Eine solche Zelle ist besonders gefährlich, da sie einen starken Tornado enthalten kann, der visuell hinter einer Niederschlagswand verborgen ist. HP-Superzellen verursachen häufig Überschwemmungen und schwere Downbarsts, bilden jedoch weniger großen Hagel als andere Typen. Es wurde festgestellt, dass diese Superzellen mehr IC- und CG-Entladungen erzeugen als andere Typen. Der CAPE-Index für diese Superzellen beträgt 2000 - 7000 J / kg oder mehr, und Li sollte unter -6 liegen. Solche Zellen bewegen sich relativ langsam.
Nach 4 Jahren erfolgloser Suche fand der Fotograf Mike Olbinski, wonach er suchte. Am 3. Juni sah er in der Nähe von Booker, Texas, diese sehr seltene rotierende Superzelle.
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