Град представляет собой разновидность твердых осадков . [1] Это отличается от ледяных крупинок (американский английский «мокрый снег»), хотя их часто путают. [2] Он состоит из шариков или кусков льда неправильной формы, каждый из которых называется градинкой . [3] Ледяные крупинки обычно падают в холодную погоду, тогда как рост града значительно замедляется при низких температурах поверхности.
В отличие от других форм осадков водяного льда , таких как крупа (которая состоит из известкового льда ), ледяная крупа (которая меньше и полупрозрачна ) и снег (который состоит из крошечных, нежно кристаллических хлопьев или иголок), размер градины обычно составляет от 5 мм (0,2 дюйма) и 15 см (6 дюймов) в диаметре. [1] Код сообщения METAR для града размером 5 мм (0,20 дюйма) или более — GR , а более мелкие градины и крупа имеют код GS .
Град возможен во время большинства гроз (поскольку он производится кучево-дождевыми облаками ), [4] , а также в пределах 2 морских миль (3,7 км) от родительского шторма. Для образования града требуется среда сильного восходящего движения воздуха внутри родительской грозы (аналогично торнадо ) и пониженная высота 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 изображений метеорологических радиолокаторов . Грады обычно падают с более высокой скоростью по мере увеличения размера, хотя осложняющие факторы, такие как таяние, трение с воздухом, ветер и взаимодействие с дождем и другими градинами, могут замедлить их падение через атмосферу Земли . Предупреждения о суровой погоде выдаются в случае града, когда камни достигают разрушительных размеров, поскольку он может нанести серьезный ущерб искусственным постройкам и, чаще всего, фермерским посевам.
Любая гроза, вызывающая град, достигающий земли, называется градом . [5] Кристаллы льда диаметром >5 мм (0,20 дюйма) считаются градинкой . [4] Грады могут вырасти до 15 см (6 дюймов) и весить более 0,5 кг (1,1 фунта). [6]
В отличие от ледяных крупинок, градины слоистые, могут иметь неправильную форму и слипаться вместе. [ нужна цитата ] Град состоит из прозрачного льда или чередующихся слоев прозрачного и полупрозрачного льда толщиной не менее 1 мм (0,039 дюйма), которые откладываются на градине, когда она проходит через облако, подвешиваясь на воздухе с сильным восходящим движением до тех пор, пока его вес преодолевает восходящий поток и падает на землю. Хотя диаметр града различен, в Соединенных Штатах средний размер разрушительного града составляет от 2,5 см (0,98 дюйма) до 4,4 см (1,75 дюйма) размером с мяч для гольфа . [7]
Камни размером более 2 см (0,79 дюйма) обычно считаются достаточно большими, чтобы нанести ущерб. Метеорологическая служба Канады предупреждает о сильной грозе, когда ожидается град такого размера или выше. [8] Национальная метеорологическая служба США установила порог диаметра града в 2,5 см (0,98 дюйма) с января 2010 года, что больше предыдущего порога в 0,75 дюйма (1,9 см) града. [9] В других странах пороговые значения различаются в зависимости от местной чувствительности к граду; например, небольшие градины могут отрицательно повлиять на районы выращивания винограда. Грады могут быть очень большими или очень маленькими, в зависимости от того, насколько силен восходящий поток: более слабые градины производят градины меньшего размера, чем более сильные градины (например, суперячейки ), поскольку более мощные восходящие потоки в более сильном шторме могут удерживать более крупные градины наверху.
Град образуется в сильных грозовых облаках, особенно в тех, которые имеют интенсивные восходящие потоки , высокое содержание жидкой воды, большую вертикальную протяженность, большие капли воды, а также 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. [10] На скорость роста градины влияют такие факторы, как высота над уровнем моря, более низкие зоны замерзания и сдвиг ветра. [11]
Как и другие осадки в кучево-дождевых облаках, град начинается с капель воды. Когда капли поднимаются вверх и температура падает ниже точки замерзания, они превращаются в переохлажденную воду и замерзают при контакте с ядрами конденсации . На поперечном разрезе крупной градины видна структура, напоминающая луковицу. Это означает, что градина состоит из толстых и полупрозрачных слоев, чередующихся со слоями тонкими, белыми и непрозрачными. Предыдущая теория предполагала, что градины подвергались множественным спускам и подъемам, попадая в зону влажности и повторно замерзая по мере подъема. [ нужна цитата ] Считалось, что это движение вверх и вниз ответственно за появление последовательных слоев градины. Новое исследование, основанное как на теории, так и на полевых исследованиях, показало, что это не обязательно так. [ нужна цитата ]
Восходящий поток шторма с направленным вверх ветром со скоростью до 110 миль в час (180 км/ч) [12] поднимает образующиеся градины вверх по облаку. По мере подъема градина проходит в области облака, где меняется концентрация влаги и капель переохлажденной воды. Скорость роста градины меняется в зависимости от изменения влажности и капель переохлажденной воды, с которыми она сталкивается. Скорость нарастания этих капель воды является еще одним фактором роста градины. Когда градина перемещается на участок с высокой концентрацией капель воды, она захватывает последнюю и приобретает полупрозрачный слой. Если градина попадает в область, где присутствует преимущественно водяной пар, она покрывается слоем непрозрачного белого льда. [13]
Кроме того, скорость градины зависит от ее положения в восходящем потоке облака и ее массы. Это определяет разную толщину слоев градины. Скорость нарастания капель переохлажденной воды на градину зависит от относительных скоростей между этими каплями воды и самой градинкой. Это означает, что, как правило, более крупные градины формируются на некотором расстоянии от более сильного восходящего потока, где они могут расти дольше. [13] По мере роста градина выделяет скрытое тепло , которое сохраняет ее внешнюю часть в жидкой фазе. Поскольку он подвергается «влажному росту», внешний слой становится липким (т.е. более липким), поэтому одна градина может расти при столкновении с другими более мелкими градинами, образуя более крупный объект неправильной формы. [15]
Град также может подвергаться «сухому росту», при котором скрытого выделения тепла при замерзании недостаточно для поддержания внешнего слоя в жидком состоянии. Град, образующийся таким образом, кажется непрозрачным из-за мелких пузырьков воздуха, которые попадают в камень во время быстрого замерзания. Эти пузырьки сливаются и выходят во время режима «влажного роста», и градина становится более прозрачной. Способ роста градины может меняться на протяжении всего ее развития, и это может привести к образованию отдельных слоев в поперечном сечении градины. [16]
Града будет продолжать подниматься во время грозы до тех пор, пока ее масса не перестанет поддерживаться восходящим потоком. Это может занять не менее 30 минут, в зависимости от силы восходящих потоков во время грозы, вызывающей град, высота вершины которой обычно превышает 10 км. Затем он падает на землю, продолжая расти, основываясь на тех же процессах, пока не покинет облако. Позже он начнет таять, когда попадет в воздух при температуре выше нуля. [17]
Таким образом, уникальной траектории грозы достаточно, чтобы объяснить слоистую структуру градины. Единственный случай, когда можно обсуждать множественные траектории, - это многоклеточная гроза, когда градина может быть выброшена из вершины «материнской» ячейки и захвачена восходящим потоком более интенсивной «дочерней» ячейки. Однако это исключительный случай. [13]
Град наиболее распространен во внутренних районах континента в средних широтах, поскольку образование града значительно более вероятно, когда уровень замерзания находится ниже высоты 11 000 футов (3 400 м). [18] Перемещение сухого воздуха в сильные грозы над континентами может увеличить частоту града, способствуя испарительному охлаждению, что снижает уровень замерзания грозовых облаков, увеличивая объем града для роста. Соответственно, в тропиках град встречается реже. несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в средних широтах, потому что атмосфера над тропиками имеет тенденцию быть теплее на гораздо большей высоте. Град в тропиках возникает преимущественно на возвышенностях. [19]
Рост града становится исчезающе малым, когда температура воздуха падает ниже -30 ° C (-22 ° F), поскольку при таких температурах переохлажденные капли воды становятся редкими. [18] Во время грозы град наиболее вероятен в пределах облака на высоте более 20 000 футов (6 100 м). На высоте от 10 000 футов (3 000 м) до 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 распределяется внутри и вокруг грозы на расстояние 2 морских миль (3,7 км). [20]
Град чаще всего возникает во внутренних районах материков в средних широтах и реже в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в средних широтах. [21] Град также гораздо чаще встречается вдоль горных хребтов, потому что горы заставляют горизонтальные ветры подниматься вверх (известный как орографический подъем ), тем самым усиливая восходящие потоки во время гроз и повышая вероятность града. [22] Более высокая высота также приводит к тому, что граду остается меньше времени для таяния, прежде чем он достигнет земли. Одним из наиболее распространенных регионов, где выпадает крупный град, является гористая северная Индия , где в 1888 году зарегистрировано одно из самых высоких показателей смертности от града за всю историю наблюдений . [23] В Китае также случаются сильные ливни с градом. [24] Центральная Европа и южная Австралия также испытывают много града. Регионы, где часто случаются ливни с градом, — это южная и западная Германия , северная и восточная Франция , южный и восточный Бенилюкс и северная Италия . [25] В Юго-Восточной Европе в Хорватии и Сербии часто выпадает град. [26] В некоторых средиземноморских странах максимальная частота града регистрируется в осенний сезон. [25]
В Северной Америке град чаще всего встречается в районе, где встречаются Колорадо , Небраска и Вайоминг , известном как «Аллея града». [27] Град в этом регионе выпадает в период с марта по октябрь в дневные и вечерние часы, причем основная часть выпадает с мая по сентябрь. Шайенн, штат Вайоминг, — самый подверженный граду город Северной Америки, где в среднем выпадает от девяти до десяти градов за сезон. [28] К северу от этой области, а также с подветренной стороны от Скалистых гор находится район Аллеи с градом в Альберте , где также наблюдается повышенное количество случаев значительного града.
Метеорологический радар — очень полезный инструмент для обнаружения гроз, вызывающих град. Однако радиолокационные данные должны быть дополнены знаниями о текущих атмосферных условиях, которые могут позволить определить, способствует ли текущая атмосфера развитию града.
Современный радар сканирует территорию под разными углами. Значения отражательной способности под разными углами над уровнем земли во время шторма пропорциональны интенсивности осадков на этих уровнях. Суммирование коэффициентов отражения в вертикально интегрированной жидкости или VIL дает содержание жидкой воды в облаке. Исследования показывают, что развитие града на верхних уровнях урагана связано с развитием VIL. VIL, деленная на вертикальную протяженность шторма, называемая плотностью VIL, связана с размером града, хотя она зависит от атмосферных условий и, следовательно, не очень точна. [29] Традиционно размер и вероятность града можно оценить по радиолокационным данным с помощью компьютера с использованием алгоритмов, основанных на этом исследовании. Некоторые алгоритмы включают высоту уровня замерзания, чтобы оценить таяние градины и то, что останется на земле.
Определенные закономерности отражательной способности также являются важными подсказками для метеоролога. Примером может служить всплеск разброса трех тел . Это результат того, что энергия радара, попадающая в град, отклоняется к земле, где она отклоняется обратно в град, а затем в радар. Энергии потребовалось больше времени, чтобы пройти от града до земли и обратно, в отличие от энергии, которая шла непосредственно от града к радару, а эхо находится дальше от радара, чем фактическое местоположение града на том же самом месте. радиальный путь, образующий конус с более слабой отражательной способностью.
Совсем недавно были проанализированы поляризационные свойства сигналов метеорологических радиолокаторов, чтобы отличить град от сильного дождя. [30] [31] Использование дифференциальной отражательной способности ( ) в сочетании с горизонтальной отражательной способностью ( ) привело к появлению множества алгоритмов классификации града. [32] Для обнаружения града начинают использоваться видимые спутниковые изображения, но при использовании этого метода уровень ложных тревог остается высоким. [33]
Размер градин лучше всего определять, измеряя их диаметр линейкой. При отсутствии линейки размер градины часто оценивают визуально, сравнивая ее с размером известных предметов, например монет. [34] Использование таких объектов, как куриные яйца, горох и шарики, для сравнения размеров градин является неточным из-за их разных размеров. Британская организация TORRO также производит измерения как для града, так и для ливней с градом. [35]
При наблюдении в аэропорту код METAR используется при наблюдении за приземной погодой , которая зависит от размера 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 имеют кодировку GS, которая является сокращением от французского слова grésil . [36]
Конечная скорость града, или скорость, с которой град падает при ударе о землю, различается. Подсчитано, что градина диаметром 1 см (0,39 дюйма) падает со скоростью 9 м/с (20 миль в час), а камни диаметром 8 см (3,1 дюйма) падают со скоростью 48 м/с. 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, а также таяния камней при падении в более теплую атмосферу . Поскольку градины не являются идеальными сферами, сложно точно рассчитать их коэффициент сопротивления и, следовательно, их скорость. [37]
В Соединенных Штатах Национальная метеорологическая служба сообщает о размере града в сравнении с размерами повседневных объектов. Градины диаметром более 1 дюйма обозначаются как «серьезные». [38]
Мегакриометеоры , большие ледяные глыбы, не связанные с грозами, официально не признаны Всемирной метеорологической организацией «градом», представляющим собой скопления льда, связанные с грозами, и поэтому записи экстремальных характеристик мегакриометеоров не приводятся в качестве записей о граде. .
Град может нанести серьезный ущерб, особенно автомобилям, самолетам, световым люкам, конструкциям со стеклянной крышей, домашнему скоту и, чаще всего, сельскохозяйственным культурам . [28] Повреждения крыш градом часто остаются незамеченными до тех пор, пока не будут замечены 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 проблемы с обнаружением повреждений от града. [45] Металлические крыши довольно устойчивы к граду, но могут накапливать косметические повреждения в виде вмятин и поврежденных покрытий.
Град является одной из наиболее серьезных грозовых опасностей для самолетов. [46] Когда градина превышает 0,5 дюйма (13 мм) в диаметре, самолеты могут быть серьезно повреждены в течение нескольких секунд. [47] Град, скапливающийся на земле, также может быть опасен для приземляющихся самолетов. Град является обычной неприятностью для водителей автомобилей, вызывая серьезные вмятины на транспортном средстве и треская или даже разбивая лобовые стекла и окна , если они не припаркованы в гараже или не покрыты защитным материалом. Пшеница, кукуруза, соевые бобы и табак являются наиболее чувствительными к граду культурами. [23] Град является одним из самых дорогостоящих опасностей в Канаде. [48]
В редких случаях массивные градины приводили к сотрясению мозга или смертельной травме головы . На протяжении всей истории ливни с градом были причиной дорогостоящих и смертоносных событий. Один из самых ранних известных инцидентов произошел примерно в 9 веке в Рупкунде , Уттаракханд , Индия , где от 200 до 600 кочевников, по-видимому, умерли от травм, вызванных градом размером с мяч для крикета . [49]
Узкие зоны, где град скапливается на земле в связи с грозовой активностью, известны как полосы града или полосы града, [50] которые можно обнаружить с помощью спутника после прохождения грозы. [51] Град обычно длится от нескольких минут до 15 минут. [28] Накопляющиеся ливни с градом могут покрыть землю градом толщиной более 2 дюймов (5,1 см), привести к отключению электроэнергии тысячами людей и повалению многих деревьев. Внезапные наводнения и оползни на участках с крутым рельефом могут стать причиной накопления града. [52]
Сообщалось о глубине до 18 дюймов (0,46 м). Ландшафт, покрытый скопившимся градом, обычно напоминает ландшафт, покрытый скопившимся снегом, и любое значительное скопление града оказывает такое же ограничительное воздействие, как и накопление снега, хотя и на меньшей площади, на транспорт и инфраструктуру. [53] Накопленный град также может вызвать наводнение, блокируя дренажные системы, и град может переноситься паводковыми водами, превращаясь в снежную слякоть, которая откладывается на более низких отметках.
В несколько редких случаях гроза может стать стационарной или почти стационарной, хотя при этом действительно происходит обильный град и его скопление на значительной глубине; это, как правило, происходит в горных районах, как, например, случай 29 июля 2010 года [54] с скоплением града на фут в округе Боулдер , штат Колорадо. 5 июня 2015 года град глубиной до четырех футов выпал на один городской квартал в Денвере, штат Колорадо . Град размером с шмеля и мячик для пинг-понга сопровождался дождем и сильным ветром. Град выпал только на один участок, оставив нетронутой окружающую территорию. Падение продолжалось полтора часа с 22:00 до 23:30. Метеоролог Национальной метеорологической службы в Боулдере сказал: «Это очень интересное явление. Мы видели ураган. Он вызвал обильное количество града на одном небольшом участке. Это метеорологическая вещь». Тракторы, которые использовались для расчистки территории, заполнили градом более 30 самосвалов. [55]
Исследования, сосредоточенные на четырех отдельных днях, когда за 30 минут накопилось более 5,9 дюймов (15 см) града на переднем крае Колорадо, показали, что эти события имеют схожие закономерности в наблюдаемых синоптических метеорологических, радиолокационных характеристиках и характеристиках молний, [56] предполагая , что возможность предсказать эти события до их возникновения. Фундаментальная проблема в продолжении исследований в этой области заключается в том, что, в отличие от диаметра града, его глубина обычно не сообщается. Отсутствие данных оставляет исследователей и прогнозистов в неведении при попытке проверить оперативные методы. В настоящее время ведется совместная работа Университета Колорадо и Национальной метеорологической службы. Цель совместного проекта — заручиться помощью общественности для создания базы данных по глубине скопления града. [57]
В средние века люди в Европе звонили в церковные колокола и стреляли из пушек , чтобы предотвратить град и последующий ущерб посевам. Обновленные версии этого подхода доступны в виде современных градовых пушек . Засев облаков после Второй мировой войны проводился для устранения угрозы града, [12] особенно по всему Советскому Союзу , где утверждалось, что сокращение ущерба урожаям от града на 70–98% было достигнуто за счет размещения йодида серебра в облаках с помощью ракет и артиллерийские снаряды . [58] [59] Но эти эффекты не были воспроизведены в рандомизированных исследованиях, проведенных на Западе. [60] В период с 1965 по 2005 год программы борьбы с градом осуществлялись в 15 странах. [12] [23]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )