Отчетливый узор из мешочков на нижней стороне некоторых облаков.
Образование облаков Мамматуса в Коимбатуре, Индия.Облака Мамматуса над непальскими Гималаями
Mammatus (также называемый mamma [1] или mammatocumulus , что означает «молочное облако») представляет собой клеточную структуру из мешочков, висящих под основанием облака , обычно кучево - дождевого облака, хотя они могут быть прикреплены к другим классам родительских облаков. Название mammatus происходит от латинского mamma (что означает « вымя » или « грудь »).
Согласно Международному атласу облаков ВМО , мама — это дополнительная особенность облака, а не род, вид или разновидность облаков. Отчетливая «комковатая» нижняя сторона образуется за счет опускания холодного воздуха и образования карманов, в отличие от клубов облаков, поднимающихся за счет конвекции теплого воздуха. Эти образования были впервые описаны в 1894 году Уильямом Клементом Леем . [1] [2] [3]
Mammatus чаще всего ассоциируется с наковальнями, а также с сильными грозами. Они часто простираются от основания кучево -дождевых облаков , но также могут быть найдены под высокослоистыми и перистыми облаками, а также облаками вулканического пепла. [4] Появление кучево-дождевых облаков часто свидетельствует об особенно сильном шторме. Из-за интенсивного сдвига среды, в которой формируются молочные железы, авиаторам настоятельно рекомендуется избегать кучево-дождевых облаков с молочными железами, поскольку они указывают на турбулентность, вызванную конвекцией. [5] Инверсионные следы также могут образовывать доли, но их неправильно называют мамматусами. [1]
Mammatus может иметь вид гладких, рваных или комковатых долей, быть непрозрачным или полупрозрачным. Поскольку молочные железы представляют собой группу долей, способ их слипания может варьироваться от изолированного скопления до поля молочных желез, которое распространяется на сотни километров, до организованных вдоль линии и может состоять из долей неравного или одинакового размера. . Средний диаметр отдельной доли молочной железы составляет 1–3 километра (0,6–1,9 мили), а длина - в среднем 1 ⁄ километра (0,3 мили). Доля может существовать в среднем 10 минут, но целое скопление молочной железы может длиться от 15 минут до нескольких часов. Обычно они состоят из льда, но также могут представлять собой смесь льда и жидкой воды или почти полностью состоять из жидкой воды.
Верные своему зловещему виду, облака мамматуса часто являются предвестниками приближающегося шторма или другой экстремальной погоды. Обычно состоящие в основном из льда, они могут простираться на сотни миль в каждом направлении, а отдельные образования могут оставаться визуально статичными в течение десяти-пятнадцати минут за раз. Обычно они появляются вокруг, до или даже после суровой погоды.
Существование множества различных типов облаков мамматуса, каждый из которых имеет свои собственные свойства и встречается в разных средах, породило множество гипотез об их формировании, которые также имеют отношение к другим формам облаков. [4] [6]
Одна экологическая тенденция присуща всем механизмам формирования, предполагаемым для облаков мамматуса: резкие градиенты температуры, влажности и импульса ( сдвиг ветра ) на границе облака-наковальни/подоблачного воздуха, которые сильно влияют на взаимодействия внутри них. Ниже приведены предлагаемые механизмы, каждый из которых имеет свои недостатки:
Наковальня кучево-дождевого облака постепенно опускается по мере распространения от исходного облака. Когда воздух опускается, он нагревается. Однако облачный воздух будет нагреваться медленнее (при влажно-адиабатическом градиенте ), чем подоблачный сухой воздух (при сухоадиабатическом градиенте ). Из-за дифференциального потепления слой облаков/подоблачных облаков дестабилизируется и может произойти конвективное переворачивание, создавая комковатую нижнюю часть облаков. Проблемы с этой теорией заключаются в том, что существуют наблюдения за долями млекопитающих, которые не подтверждают наличие сильного опускания в долях, и что трудно разделить процессы выпадения гидрометеоров и опускания нижней границы облаков, что делает неясным вопрос о том, происходит ли тот или иной процесс.
Охлаждение из-за выпадения гидрометеоров является вторым предполагаемым механизмом образования. По мере падения гидрометеоров в сухой подоблачный воздух воздух, содержащий осадки, охлаждается за счет испарения или сублимации . Будучи теперь более прохладными, чем окружающий воздух, и нестабильными, они опускаются до статического равновесия, после чего восстанавливающая сила изгибает края осадков обратно вверх, создавая вид лопастей. Одна из проблем этой теории заключается в том, что наблюдения показывают, что испарение у основания облаков не всегда приводит к образованию молочных желез. Этот механизм может быть ответственным за самую раннюю стадию развития, но по мере формирования и созревания долей могут вступать в действие и другие процессы (а именно процесс 1 выше).
Также может возникнуть дестабилизация у основания облаков из-за таяния. Если нижняя граница облака существует вблизи линии замерзания, то охлаждение непосредственного воздуха, вызванное таянием, может привести к конвективному перевороту, как и в описанных выше процессах. Однако такая строгая температурная среда присутствует не всегда.
Вышеупомянутые процессы, в частности, основывались на дестабилизации подоблачного слоя за счет адиабатических или скрытых эффектов нагрева . Если не учитывать термодинамические эффекты выпадения гидрометеоров, другой механизм предполагает, что одной только динамики выпадений достаточно для образования лепестков. Неоднородности масс гидрометеоров вдоль подножия облака могут вызвать неоднородный спуск вдоль подножия. Фрикционное сопротивление и связанные с ним вихревые структуры создают лопастный вид осадков. Главный недостаток этой теории состоит в том, что вертикальные скорости в лепестках превышают скорости падения гидрометеоров внутри них; таким образом, должно также иметь место динамическое понижательное воздействие.
Другой метод, впервые предложенный Керри Эмануэлем , называется нестабильностью выноса у основания облаков (CDI), который действует очень похоже на конвективный унос верхней границы облаков . При CDI облачный воздух смешивается с сухим субоблачным воздухом, а не выпадает в него в виде осадков. Облачный слой дестабилизируется из-за испарительного охлаждения и образуются молочные железы.
Облака претерпевают термическую реорганизацию из-за радиационных эффектов по мере своего развития. Есть несколько идей относительно того, как радиация может вызвать образование молочной железы. Во-первых, поскольку облака очень эффективно радиационно охлаждаются ( закон Стефана-Больцмана ) на своих вершинах, целые карманы холодных облаков с отрицательной плавучестью могут проникать вниз через весь слой и появляться в виде мамматов у основания облаков. Другая идея состоит в том, что по мере того, как нижняя часть облаков нагревается из-за радиационного нагрева от длинноволнового излучения земной поверхности, основание дестабилизируется и переворачивается. Этот метод справедлив только для оптически толстых облаков. Однако природа облаков-наковальни такова, что они в основном состоят из льда и поэтому относительно оптически тонкие.
Предполагается, что гравитационные волны являются механизмом формирования линейно организованных облаков млекопитающих. Действительно, волновые структуры наблюдались в среде млекопитающих, но это в основном связано с созданием гравитационных волн в ответ на конвективный восходящий поток , воздействующий на тропопаузу и распространяющийся в форме волны по всей наковальне. Следовательно, этот метод не объясняет преобладание облаков мамматуса в одной части наковальни по сравнению с другой. Более того, масштабы времени и размеров гравитационных волн и молочных желез не полностью совпадают. Последовательности гравитационных волн могут быть ответственны за организацию грудных желез, а не за их формирование. [7]
Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (K-H) преобладает вдоль границ облаков и приводит к образованию волнообразных выступов (так называемых валов Кельвина-Гельмгольца) от границы облака. Mammatus не имеют формы волн KH, поэтому предполагается, что нестабильность может спровоцировать образование выпячиваний, но что другой процесс должен формировать выпячивания в доли. Тем не менее, основным недостатком этой теории является то, что нестабильность KH возникает в стабильно стратифицированной среде, а среда молочной железы обычно, по крайней мере, несколько турбулентна .
Нестабильность Рэлея-Тейлора — это название нестабильности, которая существует между двумя жидкостями разной плотности, когда более плотная из двух находится поверх менее плотной жидкости. Вдоль границы облаков-подоблачных облаков более плотный воздух, насыщенный гидрометеорами, может вызвать смешивание с менее плотным воздухом подоблачных облаков. Это смешивание приняло бы форму облаков мамматуса. Физическая проблема предлагаемого метода заключается в том, что нестабильность, существующая вдоль статической границы раздела, не обязательно может быть применена к границе раздела двух поперечных атмосферных потоков.
Последний предложенный механизм образования заключается в том, что молочные железы возникают в результате конвекции Рэлея-Бенара , когда дифференциальный нагрев (охлаждение вверху и нагрев внизу) слоя вызывает конвективное переворачивание. Однако в случае с мамматусом основание охлаждается за счет упомянутых выше термодинамических механизмов. Опускание основания облака происходит в масштабах долей сосцевидных желез, при этом вблизи долей происходит компенсирующий подъем. Этот метод не оказался надежным с точки зрения наблюдений и в целом считается необоснованным.
Такое изобилие предполагаемых механизмов формирования показывает, по крайней мере, что облако мамматуса в целом плохо изучено. [1] [8]
Рекомендации
^ abcd Шульц, Дэвид М.; Хэнкок, Ю. (2016). «Следовые доли или молочные железы? Важность правильной терминологии» (PDF) . Погода . 71 (8): 203. Бибкод : 2016Wthr...71..203S. дои : 10.1002/wea.2765 .
^ Аноним (1975). Международный атлас облаков. Том I. Руководство по наблюдению облаков и других метеоров (PDF) . Всемирная метеорологическая организация. Архивировано из оригинала (PDF) 8 июля 2017 г. Проверено 13 мая 2017 г.
^ Лей, Уильям Клемент (1894). Cloudland: исследование структуры и характера облаков. Лондон, Англия: Эдвард Стэнфорд. стр. 104–105.
^ Аб Шульц, Дэвид М.; Канак, Кэтрин М.; Страка, Джерри М.; Трапп, Роберт Дж.; Гордон, Брент А.; Зрнич, Душан С .; Брайан, Джордж Х.; Дюрант, Адам Дж.; Гарретт, Тимоти Дж.; Кляйн, Петра М.; Лилли, Дуглас К. (2006). «Тайны облаков Мамматуса: наблюдения и механизмы формирования». Журнал атмосферных наук . 63 (10): 2409. Бибкод : 2006JAtS...63.2409S. дои : 10.1175/JAS3758.1 . S2CID 53128552.
^ Лейн, Тодд П.; Шарман, Роберт Д.; Трир, Стэнли Б.; Фовелл, Роберт Г.; Уильямс, Джон К. (2012). «Последние достижения в понимании околооблачной турбулентности». Бюллетень Американского метеорологического общества . 93 (4): 499. Бибкод : 2012BAMS...93..499L. дои : 10.1175/BAMS-D-11-00062.1 .
^ Гарретт, Тимоти Дж.; Шмидт, Клинтон Т.; Кильгрен, Стина; Корне, Селин (2010). «Облака Мамматуса как ответ на радиационное нагревание нижней части облаков». Журнал атмосферных наук . 67 (12): 3891. Бибкод : 2010JAtS...67.3891G. дои : 10.1175/2010JAS3513.1 . S2CID 54938314.
^ Уинстед, Натаниэль С.; Верлинде, Дж.; Артур, С. Трейси; Яскевич, Франсин; Дженсен, Майкл; Майлз, Наташа; Никосия, Дэвид (2001). «Аэрорадиолокационные наблюдения Мамматуса с высоким разрешением». Ежемесячный обзор погоды . 129 (1): 159–166. Бибкод : 2001MWRv..129..159W. doi : 10.1175/1520-0493(2001)129<0159:HRAROO>2.0.CO;2 .
^ Канак, Кэтрин М.; Страка, Джерри М.; Шульц, Дэвид М. (2008). «Численное моделирование Мамматуса». Журнал атмосферных наук . 65 (5): 1606. Бибкод : 2008JAtS...65.1606K. CiteSeerX 10.1.1.720.2477 . дои : 10.1175/2007JAS2469.1.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы по теме облаков Мамматуса .
Замедленное видео формирования облаков Mammatus
Облака Мамматуса над Гастингсом, Небраска.
Облака Mammatus, провисающие мешкообразные структуры
Астрономический снимок НАСА дня: облака Мамматуса над Мексикой (30 декабря 2007 г.)
Облака Мамматуса над Сент-Олбансом, Хартфордшир, Великобритания, 12 августа 2008 года, на веб-сайте BBC News. 21 августа 2008 г.
