Глава 2. СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Грозовые явления в умеренных широтах развиваются в основном в конвективных облаках, а именно в кучево-дождевых. Даже в тех случаях, когда эти явления наблюдаются летом на теплых фронтах, которым вообще свойственны облака слоистых форм, вследствие неоднородности условий происходит чаще всего развитие неустойчивости и образование кучево-дождевых облаков.

Для изучения природы грозы необходимо иметь достаточно полное представление об образовании, развитии и строении кучево-дождевых облаков. Уже исследования Бейерса и Брейема [255] позволили выделить три стадии развития конвективных облаков: 1) кучевых, 2) зрелости, 3) диссипации. Это представление о стадийности развития кучево-дождевых облаков в дальнейшем многократно уточнялось.

Так как основные процессы грозообразования протекают в зрелых кучево-дождевых облаках, ограничимся их рассмотрением, а также остановимся на вопросах перехода мощных кучевых облаков в кучево-дождевые.

2.1. КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА

Из самого названия вытекает основная характеристика кучево-дождевых облаков, отличающая их от мощных кучевых облаков. Она заключается в том, что из кучево-дождевых облаков выпадает обычно ливневый дождь. Наблюдения за ливневыми дождями привели к выводу, что они могут выпадать как из чисто капельножидких облаков, так и из облаков со смешанной фазой воды. В умеренных широтах ливневые дожди образуются наиболее часто в кучево-дождевых облаках со смешанной фазой. В тропических областях частота возникновения ливней в капельно-жидких облаках больше, чем в умеренных. Капельно-жидкие кучево-дождевые облака будем называть теплыми, хотя их вершина может находиться при отрицательных температурах. Однако когда идет речь о кучево-дождевых облаках и не делается каких-либо оговорок, всегда подразумеваются облака со смешанной структурой.

2.1.1. Ливневые дожди из теплых кучево-дождевых облаков

Длительное время предполагалось, что в умеренных широтах только слабая морось (радиус капель порядка 100 мкм) может образоваться в капельно-жидких облаках, что даже сравнительно слабый дождь может выпадать исключительно из облаков со смешанной фазой.

Вместе с данными, подтверждающими представление о том, что в умеренных широтах ливневые дожди образуются при кристаллизации переохлажденных вершин мощных кучевых облаков, появляется все больше материала, указывающего на возможность их возникновения в теплых облаках. Так, наземные радиолокационные наблюдения в разных географических районах умеренных широт позволили обнаружить в ряде случаев появление первого радиоэхо ниже уровня изотермы 0°С [225, 352 и др.]

Рассмотрим условия, необходимые для роста облачной капельки до размеров дождевой капли в мощных кучевых облаках. На основании многочисленных наблюдений за спектром дождевых капель можно считать, что их концентрация в среднем равна примерно Концентрация облачных капелек в мощных кучевых облаках составляет в среднем около Таким образом, шанс превратиться в дождевую каплю имеет небольшое число капелек. Остальные капельки являются материалом для образования дождевой капли. Естественно предположить, что наибольшие шансы превратиться в дождевые капли имеют капельки максимальных размеров. Наблюдения за спектром облачных капелек показали, что в мощных кучевых облаках имеются крупные капельки (радиусом 20-30 мкм), способные расти за счет коагуляции.

Финдайзен [296] вычислил скорость коагуляционного роста капли, падающей в монодисперсном облаке с постоянной водностью при отсутствии восходящих токов. Затем Я. И. Френкель и Н. С. Шишкин [187] произвели расчеты для случая с постоянными восходящими токами, а Н. С. Шишкин [198] — для случая, когда скорость восходящих токов убывает с высотой. Лэнгмюр [109] учел влияние коэффициента эффективности соударения капель на скорость их роста. Шишкин [199] рассчитал конденсационный и коагуляционный рост капель при постоянных восходящих токах и постоянной водности в облаках, и он же рассчитал случай с переменной водностью. Весьма обстоятельные расчеты были выполнены Ю. А. Баруковой и др. [11]. На рис. 31 приведена кривая зависимости радиуса капель (града) от средней скорости восходящих токов в начальный период в конвективных облаках. Из графика следует, что размер капель (градин) почти линейно зависит от средней скорости восходящих токов. В [11] предположено, что механизм роста града совершенно такой же, как и дождевых капель, и результаты их расчетов распространены на частицы, имеющие размеры градины.

На основании таких расчетов было получено, что в конвективных облаках с вертикальной мощностью 2-3 км может

образоваться дождь. В результате многие авторы пришли к выводу, что коагуляция капель является основным механизмом роста гидрометеоров и что появление твердой фазы только несколько ускоряет их рост, а не является необходимым условием образования ливневых дождей. Этот спор нельзя считать завершенным, так как отсутствуют достаточно убедительные наблюдения, которые позволили бы выяснить верность того или иного представления.

Но чем бы ни закончился этот спор, несомненно, что роль коагуляции капель весьма велика в приведении облака в состояние, при котором возможно разрешение осадков.

Рис. 31. Рост гидрометеоров с высотой в начальный период их выпадения при различных скоростях развития конвективной облачности. По Ю. А. Баруковой и др. [11].

Модели мощных кучевых облаков, которые используются для расчетов роста капель, весьма идеализированы и далеки от реальных облаков. В действительности рост капель происходит в неоднородных полях токов, водности, температуры, микроструктуры, электрических сил и т. д. Таким образом, рост капель зависит от многочисленных факторов, которые, кроме среднего распределения во времени и пространстве, претерпевают значительные случайные изменения, т. е. является стохастическим процессом. В последнее десятилетие предпринимаются попытки исследовать стохастический процесс формирования спектра капель в облаках (В. И. Беляев [13], И. П. Мазин [110], Л. М. Левин и Ю. С. Седунов [106] и др.) и отдельные попытки исследования стохастического процесса роста дождевых капель (И. П. Мазин [110]).

Электрические поля и заряды в капельно-жидких конвективных облаках сравнительно невелики, однако это касается только средних значений. В небольших объемах и за малое время электрические заряды и напряженность поля, а также водность могут значительно превышать свои средние значения. Это позволило И. М. Имянитову и др. [74] высказать предположение, что в таких объемах создаются особенно благоприятные условия для интенсивного роста капелек и такие объемы являются «питомниками» крупных капелек, которые вырастают до размера дождевых капель.