2.1.6. Токи и турбулентность в кучево-дождевых облаках

Условия образования и разделения электрических зарядов в конвективных облаках в значительной степени определяются токами, в первую очередь вертикальными, и турбулентностью. Но измерение этих параметров в кучево-дождевых облаках является весьма сложной задачей, и поэтому сейчас сведения о них ограниченны.

Из табл. 18 следует, что скорость восходящих токов в кучево-дождевых облаках превышает, как правило, 10 м/с и может достигать 60 м/с. Нисходящие токи имеют меньшие скорости, чем восходящие. Обычно их скорость не превышает 10 м/с, а ее максимум достигает 20-25 м/с.

Бейерс и Брейем [257] обнаружили связь температуры со скоростью восходящих и нисходящих токов:

где разность температур внутри и вне кучево-дождевого облака (табл. 19).

В. А. Зайцев и А. А. Ледохович [52] считают, что внутри облака может достигать 10° С. Согласно С. М. Шметеру [205], внутри растущих облаков горизонтальная протяженность «теплых» участков была равнав среднем тогда как в зрелых облаках она составляла протяженность «холодных» участков соответственно равна

В кучево-дождевых облаках начальной стадии развития наблюдаются только восходящие токи воздуха.

Таблица 18 (см. скан) Скорости восходящих и нисходящих токов в конвективных облаках

По расчетам [500], для проникновения грозового облака через тропопаузу требуется увеличение скорости восходящих токов на 20 м/с на каждый километр подъема выше уровня тропопаузы, где максимальные скорости могут превышать 100 м/с. Но в зрелой стадии восходящие токи уже не охватывают всего облака, в нем появляются нисходящие токи. По данным работы [257], нисходящие токи в грозовых облаках в Огайо (США) зарождались на высотах около 4500 м одновременно с появлением осадков у поверхности земли.

Таблица 19 (см. скан) Разность температур внутри и вне кучево-дождевых облаков, по данным самолетных измерений.

Наибольшие скорости восходящих и нисходящих токов наблюдались в облаках с градом. Нисходящие токи полностью отсутствовали в градовых ячейках на уровне 6000 м, редко встречались на уровне 4500 м; ниже уровня изотермы 0°С (3000 м) восходящие и нисходящие токи встречались примерно с одинаковой частотой, а на нижней границе наблюдались только нисходящие токи. Диаметр областей восходящих и нисходящих токов в среднем составлял около 1500 м с максимумом для восходящих токов около 12 км.

Нисходящие токи наблюдаются в кучево-дождевых облаках и на больших высотах, обычно по их периферии [529]. При полете в районе Киева 24 июля 1964 г. Шметер [205] в кучево-дож-девом облаке на ниже вершины в области выпадения града обнаружил нисходящие токи со скоростью до В районе Воронежа 14 августа 1961 г. в сильно развитом кучево-дождевом облаке высотой около в котором также отмечался град, были зафиксированы нисходящие токи со скоростью до

Наблюдения за поведением частиц в кучево-дождевых облаках, осуществленные 9 апреля 1959 г. в Англии с помощью локаторов, использующих эффект Допплера, показали, что нисходящие токи развиваются в пределах уровней изотерм —5, —10° С (Проберт-Джонс и Харпер [473]). Баттан [227] 17 августа 1962 г. в Аризоне (США) обнаружил в кучево-дождевом облаке, верхняя граница радиоэхо которого располагалась несколько выше 6 км, возникновение нисходящих токов на высоте около 4 км, при этом основное их развитие наблюдалось ниже основания облака, находившегося на высоте около 3 км. Исследования Дональдсона и Чмелы [283] 19 августа 1965 г. в Новой Англии (США) в грозовых облаках высотой до 15 км показали, что нисходящие токи обнаруживались на высотах до 5-6 км в областях с отражаемостью порядка и выше.

Когда твердые гидрометеоры (градины и ледяная крупа) опускаются ниже уровня изотермы 0° С, происходит их таяние и вследствие этого охлаждение воздуха. При испарении капель, срывающихся с тающих градин, воздух также охлаждается. Таким образом, первоначально возникшие нисходящие токи, обусловленные охлаждением при таянии градин и их гидродинамическим напором,

должны получить тенденцию к развитию благодаря испарению капель ниже основания облака. В дальнейшем должно произойти распространение нисходящих токов на более высокие уровни в первую очередь за счет вовлечения воздуха, вторгающегося через боковые поверхности облака.

Значительное влияние на распределение воздушных токов в гигантских градовых кучево-дождевых облаках оказывает вертикальный градиент ветра. Вследствие увеличения скорости ветра с высотой происходит некоторое отклонение вершины от вертикальной оси, что подтверждается радиолокационными наблюдениями за высокими кучево-дождевыми облаками.

Рис. 33. Контуры на индикаторе кругового обзора нзоэхо интенсивной грозы вблизи Гири (Оклахома, США) на высоте около 15 км. Точечные линии показывают положение «занавеса», который располагается под наиболее высокой частью грозы. По Браунингу и Дональдсону [249].

1 — направление на радиолокатор, 2— направление движения грозы.

В результате восходящие токи более длительно удерживаются в передней части облака, а нисходящие токи должны развиваться в тыловой части, где образуются осадки (Ньютон [458], С. М. Шметер [205] и др.). Так как с высотой осуществляется поворот ветра вправо от направления движения самого облака, то должно происходить некоторое смещение зоны осадков и нисходящих токов влево.

Как видно на вертикальном радиолокационном разрезе гигантского кучево-дождевого облака, наблюдавшегося 4 мая 1961 г. вблизи Гири (Оклахома, США) [249], рядом с осадками, доходившими до поверхности земли, существовали осадки («занавес»), которые земли не достигали. Под «занавесом» в области слабой радиолокационной отражаемости наблюдались в градовом облаке в Альберте (США) упорядоченные восходящие токи со скоростью до 18 м/с [427]. Расположение «занавеса» относительно облака представлено на рис. 33. Подобная картина была получена Браунингом и Ладлемом [250] при наблюдениях за грозовыми облаками в Уокингеме (Англия). Такие же данные приведены Г. К. Сулак-велидзе [175] на основании вертикального радиолокационного

разреза через градовое облако 18 мая 1966 г. на Северном Кавказе. Он считает, что область, соответствующая «занавесу», является зоной аккумуляции осадков.

Нисходящие Токи, более холодные, чем окружающий воздух, создают в приземцых слоях холодный мезофронт, перемещающийся вместе с облаками. Вследствие поворота ветра с высотой вправо этот холодный мезофронт также имеет тенденцию отклоняться вправо, как это отчетливо видно на рис. 33. В передней части холодного мезофронта происходит подъем теплого воздуха, что увеличивает вероятность образования новых кучево-дождевых облаков преимущественно справа от первоначально сильно развитого куче-во-дождевого облака.

Большие градиенты скорости в кучево-дождевых облаках вызывают появление в них значительной турбулентности. Еще Бейерс и Брейем [257] обнаружили, что на границе восходящих и нисходящих токов, где существуют большие градиенты скорости вертикальных токов, скорости порывов превышают 10 м/с. При полетах в кучево-дождевых облаках Стейнер и Райн [533] и др. установили, что скорости вертикальных турбулентных порывов лежат в основном в пределах 10-15 м/с. В тех же пределах находятся скорости горизонтальных турбулентных порывов.

Н. 3. Пинус и В. Д. Литвинова [156] рассчитали коэффициент турбулентности по данным о перегрузках, испытываемых самолетами при полетах в верхней части кучево-дождевых облаков. Они получили, что на границе облака коэффициент турбулентности находится в пределах На уровнях, расположенных на 1 км ниже верхней границы облака, значение коэффициента увеличивается до Шметер [205] приводит данные расчетов коэффициента турбулентности в разных частях кучево-дождевых облаков на основании самолетных наблюдений (табл. 20).

Таблица 20 (см. скан) Коэффициент турбулентности в разных частях кучево-дождевых облаков. По С. М. Шметеру [205]

Максимальное значение, полученное Шметером, было больше . М. А. Герман [34] в полетах под кучево-дождевыми облаками получил значения коэффициента турбулентности, превышающие С.Б. Гашина и др. [28] определили значение коэффициента турбулентности в грозовых облаках на основании данных о скорости восстановления электрического поля после ударов молнии, характеризующих турбулентность в активной части грозовых облаков. Среднее значение оказалось равным