Град — это форма твердых осадков . [1] Он отличается от ледяной крупы (в американском английском «sleet»), хотя их часто путают. [2] Он состоит из шаров или неровных кусков льда, каждый из которых называется градиной . [ 3] Ледяная крупа обычно выпадает в холодную погоду, тогда как рост града значительно замедляется при низких температурах поверхности.
В отличие от других форм осадков из водяного льда , таких как снежная крупа (состоящая из инея ), ледяная крупа (которая меньше и полупрозрачна ) и снег (состоящий из крошечных, изящно кристаллических хлопьев или иголок), градины обычно имеют диаметр от 5 мм (0,2 дюйма) до 15 см (6 дюймов). [1] Код сообщения METAR для града размером 5 мм (0,20 дюйма) и более — GR , в то время как более мелкие градины и снежная крупа кодируются GS .
Град возможен во время большинства гроз (так как он производится кучево-дождевыми облаками ), [4] а также в пределах 2 морских миль (3,7 км) от родительского шторма. Для образования града требуются условия сильного восходящего движения воздуха внутри родительского шторма (похожего на торнадо ) и пониженные высоты уровня замерзания. В средних широтах град образуется вблизи внутренних частей континентов , тогда как в тропиках он, как правило, ограничивается высокими высотами .
Существуют методы обнаружения гроз, вызывающих град, с использованием метеорологических спутников и метеорологических радиолокационных изображений. Градины обычно падают с более высокой скоростью по мере увеличения их размера, хотя усложняющие факторы, такие как таяние, трение о воздух, ветер и взаимодействие с дождем и другими градинами, могут замедлить их падение через атмосферу Земли . Предупреждения о суровых погодных условиях выпускаются для града, когда камни достигают разрушительного размера, поскольку это может нанести серьезный ущерб искусственным сооружениям и, чаще всего, сельскохозяйственным культурам.
Любая гроза, которая производит град, достигающий земли, называется градом . [ 5] Кристалл льда диаметром >5 мм (0,20 дюйма) считается градиной . [ 4] Градины могут вырастать до 15 см (6 дюймов) и весить более 0,5 кг (1,1 фунта). [6]
В отличие от ледяной крупы, градины часто слоистые [7] и могут быть нерегулярными и слипшимися вместе. [ требуется ссылка ] Град состоит из прозрачного льда или чередующихся слоев прозрачного и полупрозрачного льда толщиной не менее 1 мм (0,039 дюйма), которые оседают на градине, когда она проходит через облако, подвешенная в воздухе с сильным восходящим движением, пока ее вес не преодолеет восходящий поток и не упадет на землю. Хотя диаметр града варьируется, в Соединенных Штатах средний наблюдаемый разрушительный град составляет от 2,5 см (1 дюйм) до 4,4 см (1,75 дюйма) размером с мяч для гольфа . [8]
Камни размером более 2 см (0,79 дюйма) обычно считаются достаточно большими, чтобы нанести ущерб. Метеорологическая служба Канады выпускает предупреждения о сильных грозах, когда ожидается град такого размера или больше. [9] Национальная метеорологическая служба США установила пороговое значение диаметра в 1 дюйм (2,5 см), вступившее в силу в январе 2010 года, что превышает предыдущий порог в 0,75 дюйма (1,9 см) для града. [10] В других странах установлены другие пороговые значения в зависимости от местной чувствительности к граду; например, районы выращивания винограда могут пострадать от более мелких градин. Градины могут быть очень большими или очень маленькими, в зависимости от силы восходящего потока воздуха: более слабые градины производят более мелкие градины, чем более сильные градины (например, суперячейки ), поскольку более мощные восходящие потоки воздуха в более сильном шторме могут удерживать более крупные градины в воздухе.
Град образуется в сильных грозовых облаках, особенно с интенсивными восходящими потоками , высоким содержанием жидкой воды, большой вертикальной протяженностью, крупными каплями воды и там, где значительная часть облачного слоя находится ниже точки замерзания (0 °C; 32 °F). [4] Эти типы сильных восходящих потоков также могут указывать на присутствие торнадо. [11] Скорость роста градин зависит от таких факторов, как большая высота, более низкие зоны замерзания и сдвиг ветра. [12]
Как и другие осадки в кучево-дождевых облаках, град начинается с капель воды. По мере того, как капли поднимаются и температура опускается ниже нуля, они становятся переохлажденной водой и замерзают при контакте с ядрами конденсации . Поперечное сечение большой градины показывает луковичную структуру. Это означает, что градина состоит из толстых и полупрозрачных слоев, чередующихся с тонкими, белыми и непрозрачными слоями. Прежняя теория предполагала, что градины подвергались многократным падениям и подъемам, попадая в зону влажности и снова замерзая по мере подъема. [ необходима цитата ] Считалось, что это движение вверх и вниз ответственно за последовательные слои градины. Новые исследования, основанные как на теории, так и на полевых исследованиях, показали, что это не обязательно так. [ необходима цитата ]
Восходящий поток шторма , с направленной вверх скоростью ветра до 110 миль в час (180 км/ч), [13] сдувает формирующиеся градины вверх по облаку. По мере того, как градина поднимается, она попадает в области облака, где концентрация влажности и переохлажденных капель воды меняется. Скорость роста градины меняется в зависимости от изменения влажности и переохлажденных капель воды, с которыми она сталкивается. Скорость аккреции этих капель воды является еще одним фактором роста градины. Когда градина движется в область с высокой концентрацией капель воды, она захватывает последние и приобретает полупрозрачный слой. Если градина движется в область, где в основном доступен водяной пар, она приобретает слой непрозрачного белого льда. [14]
Кроме того, скорость градины зависит от ее положения в восходящем потоке облака и ее массы. Это определяет различную толщину слоев градины. Скорость аккреции переохлажденных капель воды на градину зависит от относительных скоростей между этими каплями воды и самой градиной. Это означает, что, как правило, более крупные градины будут образовываться на некотором расстоянии от более сильного восходящего потока, где они могут провести больше времени, растя. [14] По мере роста градины она выделяет скрытое тепло , которое удерживает ее внешнюю часть в жидкой фазе. Поскольку она подвергается «влажному росту», внешний слой липкий ( т. е. более клейкий), поэтому одна градина может расти, сталкиваясь с другими более мелкими градинами, образуя более крупное образование неправильной формы. [16]
Град также может подвергаться «сухому росту», при котором скрытое тепловыделение через замерзание недостаточно для поддержания внешнего слоя в жидком состоянии. Град, образующийся таким образом, кажется непрозрачным из-за небольших пузырьков воздуха, которые попадают в камень во время быстрого замерзания. Эти пузырьки объединяются и высвобождаются в режиме «мокрого роста», и градина становится более прозрачной. Режим роста градины может меняться в ходе ее развития, и это может привести к появлению отдельных слоев в поперечном сечении градины. [17]
Градины будут продолжать подниматься в грозе до тех пор, пока их масса не сможет больше поддерживаться восходящим потоком воздуха. Это может занять не менее 30 минут, исходя из силы восходящих потоков воздуха в грозе, вызывающей град, высота вершины которой обычно превышает 10 км. Затем они падают на землю, продолжая расти, основываясь на тех же процессах, пока не покинут облако. Позже они начнут таять, попадая в воздух с температурой выше точки замерзания. [18]
Таким образом, уникальная траектория в грозе достаточна для объяснения слоистой структуры градины. Единственный случай, в котором можно обсуждать множественные траектории, — это многоклеточная гроза, где градина может быть выброшена из верхней части «материнской» ячейки и захвачена восходящим потоком более интенсивной «дочерней» ячейки. Однако это исключительный случай. [14]
Град чаще всего встречается в континентальных внутренних районах средних широт, поскольку образование града значительно более вероятно, когда уровень замерзания находится ниже высоты 11 000 футов (3 400 м). [19] Движение сухого воздуха в сильные грозы над континентами может увеличить частоту града, способствуя испарительному охлаждению, которое снижает уровень замерзания грозовых облаков, давая граду больший объем для роста. Соответственно, град реже встречается в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в средних широтах, поскольку атмосфера над тропиками, как правило, теплее на гораздо большей высоте. Град в тропиках происходит в основном на больших высотах. [20]
Рост града становится исчезающе малым, когда температура воздуха опускается ниже −30 °C (−22 °F), поскольку переохлажденные капли воды становятся редкими при этих температурах. [19] Вокруг гроз град, скорее всего, находится внутри облака на высоте более 20 000 футов (6 100 м). Между 10 000 футов (3 000 м) и 20 000 футов (6 100 м) 60% града все еще находится внутри грозы, хотя 40% теперь находится в чистом воздухе под наковальней. Ниже 10 000 футов (3 000 м) град равномерно распределен внутри и вокруг грозы на расстоянии 2 морских миль (3,7 км). [21]
Град чаще всего выпадает в континентальных внутренних районах в средних широтах и реже в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в средних широтах. [22] Град также гораздо чаще встречается вдоль горных хребтов, поскольку горы заставляют горизонтальные ветры подниматься вверх (известный как орографический подъем ), тем самым усиливая восходящие потоки воздуха во время гроз и делая град более вероятным. [23] Более высокие высоты также приводят к тому, что у града остается меньше времени для таяния до того, как он достигнет земли. Одним из наиболее распространенных регионов для крупного града является горная северная Индия , где в 1888 году было зарегистрировано одно из самых высоких показателей смертности от града. [24] В Китае также наблюдаются значительные градовые ливни. [25] В Центральной Европе и на юге Австралии также наблюдается много градовых ливней. Регионы, где часто случаются градовые ливни, — это южная и западная Германия , северная и восточная Франция , южный и восточный Бенилюкс и северная Италия . [26] В юго-восточной Европе, Хорватии и Сербии часто выпадает град. [27] В некоторых средиземноморских странах максимальная частота града регистрируется осенью. [26]
В Северной Америке град чаще всего встречается в районе, где встречаются Колорадо , Небраска и Вайоминг , известном как «Аллея града». [28] Град в этом регионе выпадает в период с марта по октябрь в дневные и вечерние часы, причем большая часть случаев приходится на период с мая по сентябрь. Шайенн, штат Вайоминг, является самым подверженным граду городом в Северной Америке, где в среднем за сезон выпадает от девяти до десяти градин. [29] К северу от этой области, а также с подветренной стороны Скалистых гор находится регион Аллея града в Альберте , где также наблюдается повышенная частота значительных градовых событий.
Град также распространен в нескольких регионах Южной Америки , особенно в умеренных широтах . Центральный регион Аргентины , простирающийся от региона Мендоса на восток до Кордовы , переживает некоторые из самых частых градов в мире, в среднем 10-30 градов в год. [30] В регионе Патагония на юге Аргентины также часто случаются грады, хотя это может быть частично связано с тем, что в этом более холодном регионе градом считается крупа (мелкий град). [30] Тройной пограничный регион между бразильскими штатами Парана , Санта-Катарина и Аргентина на юге Бразилии является еще одним районом, известным разрушительными градами. [31] Град также распространен в некоторых частях Парагвая , Уругвая и Боливии , которые граничат с регионами северной Аргентины с высокой частотой града. [32] Высокая частота града в этих районах Южной Америки объясняется орографическим воздействием конвекции в регионе в сочетании с переносом влаги из Амазонки и нестабильностью, создаваемой температурными контрастами между поверхностью и верхними слоями атмосферы. [30] В Колумбии города Богота и Медельин также часто сталкиваются с градом из-за их большой высоты. На юге Чили также наблюдается постоянный град с середины апреля по октябрь.
Метеорологический радар является очень полезным инструментом для обнаружения гроз, вызывающих град. Однако данные радара должны быть дополнены знанием текущих атмосферных условий, что может позволить определить, способствует ли текущая атмосфера образованию града.
Современный радар сканирует множество углов вокруг участка. Значения отражательной способности под несколькими углами над уровнем земли во время шторма пропорциональны интенсивности осадков на этих уровнях. Суммирование отражательной способности в вертикально интегрированной жидкости или VIL дает содержание жидкой воды в облаке. Исследования показывают, что развитие града на верхних уровнях шторма связано с эволюцией VIL. VIL, деленная на вертикальную протяженность шторма, называемая плотностью VIL, имеет связь с размером града, хотя это зависит от атмосферных условий и, следовательно, не является высокоточным. [33] Традиционно размер и вероятность града можно оценить по данным радара с помощью компьютера, используя алгоритмы, основанные на этом исследовании. Некоторые алгоритмы включают высоту уровня замерзания для оценки таяния градины и того, что останется на земле.
Определенные закономерности отражательной способности также являются важными подсказками для метеоролога. Примером является пик рассеивания трех тел . Это результат того, что энергия от радара попадает в град и отражается на землю, где она отражается обратно в град, а затем на радар. Энергии потребовалось больше времени, чтобы пройти от града до земли и обратно, в отличие от энергии, которая шла напрямую от града к радару, и эхо находится дальше от радара, чем фактическое местоположение града на том же радиальном пути, образуя конус более слабых отражательных способностей.
Совсем недавно поляризационные свойства отраженных метеорологических радаров были проанализированы для различения града и сильного дождя. [34] [35] Использование дифференциальной отражательной способности ( ) в сочетании с горизонтальной отражательной способностью ( ) привело к появлению различных алгоритмов классификации града. [36] Видимые спутниковые изображения начинают использоваться для обнаружения града, но при использовании этого метода уровень ложных срабатываний остается высоким. [37]
Размер градин лучше всего определить, измерив их диаметр линейкой. При отсутствии линейки размер градин часто оценивают визуально, сравнивая их размер с размером известных объектов, таких как монеты. [38] Использование таких объектов, как куриные яйца, горох и шарики, для сравнения размеров градин неточно из-за их различных размеров. Британская организация TORRO также проводит шкалу как для градин, так и для градовых гроз. [39]
При наблюдении в аэропорту код METAR используется в наземном погодном наблюдении , которое относится к размеру градины. В коде METAR GR используется для обозначения более крупного града, диаметром не менее 0,25 дюйма (6,4 мм). GR происходит от французского слова grêle . Град меньшего размера, а также снежная крупа используют кодировку GS, которая является сокращением от французского слова grésil . [40]
Конечная скорость града, или скорость, с которой град падает, когда он ударяется о землю, варьируется. Подсчитано, что градина диаметром 1 см (0,39 дюйма) падает со скоростью 9 м/с (20 миль в час), в то время как камни диаметром 8 см (3,1 дюйма) падают со скоростью 48 м/с (110 миль в час). Скорость градины зависит от размера камня, его коэффициента сопротивления , движения ветра, через который он падает, столкновений с каплями дождя или другими градинами и таяния при падении камней через более теплую атмосферу . Поскольку градины не являются идеальными сферами, трудно точно рассчитать их коэффициент сопротивления - и, следовательно, их скорость. [41]
В Соединенных Штатах Национальная метеорологическая служба сообщает о размере града в сравнении с повседневными предметами. Градины диаметром более 1 дюйма считаются «сильными». [42]
Мегакриометеоры , крупные ледяные глыбы, не связанные с грозами, официально не признаны Всемирной метеорологической организацией «градом», представляющим собой скопления льда, связанные с грозами, и поэтому записи об экстремальных характеристиках мегакриометеоров не приводятся как записи о граде.
Град может нанести серьезный ущерб, особенно автомобилям, самолетам, световым люкам, стеклянным крышам, домашнему скоту и, чаще всего, урожаю . [29] Повреждения крыш от града часто остаются незамеченными, пока не будут обнаружены дальнейшие структурные повреждения, такие как протечки или трещины. Труднее всего распознать повреждения от града на черепичных и плоских крышах, но у всех крыш есть свои собственные проблемы обнаружения повреждений от града. [49] Металлические крыши довольно устойчивы к повреждениям от града, но могут накапливать косметические повреждения в виде вмятин и поврежденных покрытий.
Град является одной из самых значительных грозовых опасностей для самолетов. [50] Когда градины превышают 0,5 дюйма (13 мм) в диаметре, самолеты могут быть серьезно повреждены в течение нескольких секунд. [51] Градины, скапливающиеся на земле, также могут быть опасны для приземляющихся самолетов. Град является обычной неприятностью для водителей автомобилей, сильно деформируя транспортное средство и растрескивая или даже разбивая лобовые стекла и окна, если они не припаркованы в гараже или не покрыты защитным материалом. Пшеница, кукуруза, соя и табак являются наиболее чувствительными к граду культурами. [24] Град является одной из самых дорогостоящих опасностей в Канаде. [52]
Редко, когда крупные градины вызывали сотрясения мозга или смертельные травмы головы . Грады были причиной дорогостоящих и смертельных событий на протяжении всей истории. Один из самых ранних известных инцидентов произошел около 9-го века в Рупкунде , Уттаракханд , Индия , где от 200 до 600 кочевников, по-видимому, умерли от травм, полученных от града размером с крикетный мяч . [53]
Узкие зоны, где град скапливается на земле в связи с грозовой активностью, известны как полосы града или полосы града, [54] которые можно обнаружить с помощью спутника после того, как штормы пройдут. [55] Град обычно длится от нескольких минут до 15 минут. [29] Накапливающиеся градовые бури могут покрыть землю более чем 2 дюймами (5,1 см) града, привести к отключению электроэнергии у тысяч людей и повалить множество деревьев. Внезапные наводнения и оползни в районах с крутыми склонами могут стать проблемой из-за накапливающегося града. [56]
Сообщалось о глубине до 18 дюймов (0,46 м). Ландшафт, покрытый накопленным градом, в целом напоминает ландшафт, покрытый накопленным снегом, и любое значительное накопление града имеет те же ограничительные эффекты, что и накопление снега, хотя и на меньшей площади, для транспорта и инфраструктуры. [57] Накопленный град также может вызвать наводнение, блокируя стоки, и град может переноситься паводковой водой, превращаясь в снежную кашу, которая откладывается на более низких высотах.
В довольно редких случаях гроза может стать стационарной или почти стационарной, в то время как обильно выпадает град, и действительно происходит накопление значительных глубин; это, как правило, происходит в горных районах, как, например, случай 29 июля 2010 года [58] накопления града в фут в округе Боулдер , штат Колорадо. 5 июня 2015 года град глубиной до четырех футов выпал на один городской квартал в Денвере, штат Колорадо . Градины, описанные как размером от шмеля до шариков для пинг-понга, сопровождались дождем и сильным ветром. Град выпал только в одном районе, оставив окружающую территорию нетронутой. Он падал в течение полутора часов между 10:00 вечера и 11:30 вечера. Метеоролог Национальной метеорологической службы в Боулдере сказал: «Это очень интересное явление. Мы видели, как шторм остановился. Он произвел обильное количество града в одном небольшом районе. Это метеорологическое явление». Тракторы, использовавшиеся для расчистки территории, заполнили более 30 самосвалов градом. [59]
Исследования, сосредоточенные на четырех отдельных днях, в течение которых на фронте Колорадо выпало более 5,9 дюймов (15 см) града за 30 минут, показали, что эти события имеют схожие закономерности в наблюдаемых синоптических погодных, радиолокационных и молниеносных характеристиках, [60] что предполагает возможность прогнозирования этих событий до их возникновения. Основная проблема в продолжении исследований в этой области заключается в том, что, в отличие от диаметра града, глубина града обычно не сообщается. Отсутствие данных оставляет исследователей и прогнозистов в неведении при попытке проверить оперативные методы. Совместные усилия Университета Колорадо и Национальной метеорологической службы находятся в процессе реализации. Цель совместного проекта — привлечь помощь широкой общественности для разработки базы данных глубин накопления града. [61]
В средние века люди в Европе звонили в церковные колокола и стреляли из пушек , чтобы попытаться предотвратить град и последующий ущерб посевам. Обновленные версии этого подхода доступны как современные градовые пушки . Засев облаков после Второй мировой войны проводился для устранения угрозы града, [13] особенно по всему Советскому Союзу , где, как утверждалось, было достигнуто 70–98% снижение ущерба урожаю от градовых бурь путем размещения йодистого серебра в облаках с помощью ракет и артиллерийских снарядов . [62] [63] Но эти эффекты не были воспроизведены в рандомизированных испытаниях, проведенных на Западе. [64] Программы по борьбе с градом были реализованы в 15 странах в период с 1965 по 2005 год. [13] [24]
Градины могут иметь слои прозрачного и мутного льда, если градина сталкивается с различными условиями температуры и содержания жидкой воды во время грозы. Условия, в которых находится градина, могут меняться по мере ее горизонтального прохождения через восходящий поток или вблизи него.
