Атмосферные явления град. О механизме образования града

Град – один из видов ливневых атмосферных осадков, который отличается следующими особенностями: твердое агрегатное состояние, сферическая, иногда не совсем правильная форма, диаметр от пары миллиметров до нескольких сотен, чередование слоев чистого и мутного льда в структуре градины.

Градовые осадки образуются в основном летом, реже весной и осенью, в мощных кучево-дождевых облаках, для которых характерна вертикальная протяженность и темно-серый цвет. Обычно этот вид осадков выпадает во время ливня или грозы.

Продолжительность падения града варьируется от нескольких минут до получаса. Наиболее часто этот процесс наблюдается в течении 5-10 минут, в отдельных случаях он может длится более часа. Иногда град ложится на землю, образуя слой в несколько сантиметров, но метеорологами неоднократно фиксировались случаи, когда этот показатель был значительно превышен.

Процесс формирования града начинается с образования туч. В теплый летний день хорошо прогретый воздух устремляется вверх в атмосферу, частички влаги в нем конденсируются, образуя облако. На определенной высоте оно преодолевает нулевую изотерму (условную линию в атмосфере, выше которой температура воздуха опускается ниже нуля), после чего капли влаги в нем становятся переохлажденными. Стоит отметить, что помимо влаги, в воздух подымаются частички пыли, мельчайшие песчинки, соли. Взаимодействуя с влагой, они становятся ядром градины, поскольку капли воды, обволакивая твердую частицу, начинают быстро замерзать.

На дальнейшее развитие событий значительным образом влияет скорость, с которой движутся восходящие потоки в кучево-дождевом облаке. Если она невысокая и не достигает 40 км/час, мощности потока не хватает, чтобы дальше подымать градины. Они падают и долетают до земли в виде дождя или очень мелкого и мягкого града. Более сильные потоки способны поднять зародившиеся градины на высоту до 9 км, где температура может достигать показателя -40°С. В таком случае град покрывается новыми слоями льда и вырастает в диаметре до нескольких сантиметров. Чем быстрее движется поток, тем крупнее будут частицы града.

Когда масса отдельных градин вырастает настолько, что поток восходящего воздуха не может ее удержать, начинается процесс выпадения града. Чем крупнее ледяные частицы, тем выше скорость их падения. Градина, диаметр которой составляет около 4 см, летит вниз со скоростью 100 км/час. Стоит отметить, что лишь 30-60% града достигает земли в целом состоянии, значительная часть его разрушается от столкновений и ударов при падении, при этом превращаясь в мелкие осколки, которые стремительно тают в воздухе.

Даже при таком невысоком показателе достижения градом земли он способен нанести значительный вред сельскому хозяйству. Наиболее серьезные последствия после градобития наблюдаются в предгорной и горной местности, где мощность восходящих потоков бывает достаточно высокой.

В XX веке метеорологами неоднократно наблюдались аномальные выпадения града. В 1965 году в районе Кисловодска зафиксировали толщину слоя выпавшего града в 75 см. В 1959 году в Ставропольском крае были зарегистрированы градины с самой большой массой. После взвешивания отдельных экземпляров в метеорологический журнал были внесены данные с показателями веса в 2,2 килограмма. В 1939 в Кабардино-Балкарии была зафиксирована самая большая площадь сельскохозяйственных угодий, пострадавших от града. Тогда данный вид осадков уничтожил 100 000 га посевов.

Для минимизации ущерба от выпадения града ведется борьба с градобитиями. Одним из самых популярных способов является обстрел кучево-дождевых облаков ракетами и снарядами, несущими в себе реагент, который препятствует образованию града.

Льдинки, просыпавшиеся из грозовой тучи в жаркий день, иногда - маленькие крупинки, иногда - увесистые глыбы, разбивающие в прах мечты о хорошем урожае, оставляющие вмятины на крышах автомобилей, а то и калечащие людей и животных. Откуда берется этот странный вид осадок?

В жаркий день теплый воздух, содержащий пары воды поднимается в верх, охлаждаясь с высотой, содержащаяся в нем влага конденсируется, образуя облако. Облако содержащее в себе мельчайшие капли воды, может пролиться в виде дождя. Но, иногда, и обычно день должен быть реально жарким, восходящий поток столь силен, что заносит капли воды на такую высоту, что те минуют нулевую изотерму, где мельчайшие капли воды становятся переохлажденными. В облаках переохлажденные капли могут встретиться вплоть до температур минус 40° (такая температура соответствует высоте примерно в 8 - 10 км). Капли эти весьма нестабильны. Мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии, увлеченные с поверхности тем же восходящим потоком при столкновении с переохлажденными каплями становятся центрами кристаллизации влаги, нарушая хрупкое равновесие - образуется микроскопическая льдинка - зародыш градины.

Мелкие частички льда присутствуют в верхней части практически каждого кучево-дождевого облака. Однако при падении к земной поверхности такие градины успевают растаять. При скорости восходящего потока в кучево-дождевом облаке порядка 40 км/час, он не удержит зародившиеся градины. Падая вниз с высоты 2,4 - 3,6 км (это высота нулевой изотермы) они успевают растаять, приземляясь в виде дождя.

Однако, при некоторых условиях, скорость восходящего потока в облаке может достичь 300 км/час! Такой поток может закинуть зародыш градины на высоту в десяток километров. По дороге туда и обратно - до отметки нулевой температуры - градина успеет обрасти. Чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее образующиеся градины. Таким образом образуются градины, чей диаметр доходит до 8-10 см, а вес - до 450 г. Иногда в холодных районах планеты на градины намерзают не только дождинки, но и снежинки. Поэтому градины имеют часто на поверхности слой снега, а под ним - льда. На формирование одной капли дождя необходим примерно миллион мелких переохлажденных капель. Градины диаметром более 5 см встречаются в супер-ячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно супер-ячейковые грозы порождают смерчи (торнадо), сильные ливни и интенсивные шквалы.

При формировании градины, она может успеть несколько раз подняться на восходящем потоке и упасть вниз. Аккуратно разрезав градину острым ножом, можно увидеть, что матовые слои льда в ней чередуются в виде сфер со слоями прозрачного льда. По количеству таких колец можно сосчитать сколько раз градина успела подняться к верхним слоям атмосферы и упасть снова в облако.

Люди освоили способы борьбы с градом. Замечено, что резкий звук не дает градинам образовываться. Еще индейцы сохраняли таким способом урожай, непрерывно молотя в большие барабаны при приближении грозового облака. Наши предки для этой же цели использовали колокола. Цивилизация предоставила метеорологам более эффективные инструменты. Стреляя из зенитного орудия по облакам, метеорологи звуком разрыва и разлетающимися частицами порохового заряда провоцируют формирование капель на небольшой высоте, и влага, содержащаяся в воздухе проливается дождем. Другой способ вызвать такой же эффект - распыление мелкой пыли с самолета, пролетающего над грозовым облаком.

Если говорить просто, то град - это разновидность атмосферных осадков, выпадающих в виде частиц льда. Обычно град идет летом во время грозы и ливня из довольно крупных кучево-дождевых облаков.

Тучу, которая несет град, можно распознать еще при ее приближении. Она, как правило, «сидит верхом» на черной и широкой грозовой туче. Обычно градовое облако похоже на высокую скалу с несколькими острыми вершинами. Если на тучу посмотреть через небольшой телескоп или очень мощный бинокль, то можно наблюдать, как в ней пульсируют сильные вертикальные потоки.

«Биография» града отражена в его строении. Крупная градина, разрезанная пополам, состоит подобно луковице из нескольких слоев льда. Иногда градины напоминают слоеный пирог, где чередуются лед и снег. По таким слоям можно вычислить, сколько раз кусочек льда совершал странствие из дождевых облаков в переохлажденные слои атмосферы.

Зарождается град на высоте более 5 км, где летом температура не поднимается выше 15°С. Причиной появления града являются капельки дождя, которые, проходя через слои холодного воздуха, поднимаются, а затем опускаются, все сильнее замерзая и превращаясь в твердые ледяные шарики. Иногда они довольно долго колеблются вверх-вниз, покрываясь все более толстым слоем льда и снега и увеличиваясь в объеме. Когда на градине нарастает достаточное количество льда, ее масса становится столь большой, что с ней уже не справляется сила восходящих воздушных потоков. Тогда «растолстевшие» градины обрушиваются на землю.

Град - одно из самых необыкновенных и загадочных атмосферных явлений. Природа его возникновения до конца не выяснена и остается предметом ожесточенных научных споров. Бывает ли град ночью - ответ на этот вопрос интересует всех, кто никогда не заставал это редкое явление в темное время суток.

Краткие сведения о граде

Градом называются атмосферные ливневые осадки в виде кусочков льда. Форма и размер этих осадков может серьезно варьировать:

• Диаметр от 0,5 до 15 см;
• Вес от нескольких граммов до полукилограмма;
• Состав также может быть весьма различным: как несколько слоев прозрачного льда, так и чередующиеся прозрачные и непрозрачные слои;
• Форма самая разнообразная - вплоть до причудливых образований в виде «цветочных бутонов» и т. д.

Градины легко слипаются между собой, образуя крупные частицы размером с кулак. Осадков диаметром более 2 см в диаметре уже достаточно для нанесения крупного ущерба хозяйству. Как только ожидается выпадение града такого размера, объявляется штормовое предупреждение.

В различных государствах могут быть и иные пороговые значения размера: все зависит от конкретной сельскохозяйственной территории. Например, для виноградных насаждений даже небольших градин будет достаточно, чтобы уничтожить весь урожай.

Необходимые условия

Согласно современным представлениям о природе града, для его возникновения необходимо:

• Капли воды;
• Ярда конденсации;
• Восходящие потоки воздуха;
• Низкая температура.

Подобное атмосферное явление образуется в 99% случаев в умеренных широтах над большими континентальными пространствами. Большинство исследователей полагает, что обязательным условием является грозовая деятельность.

В тропических и экваториальных зонах град - довольно редкое явление, несмотря на то, что грозы там случаются довольно часто. Происходит это потому, что для образования ледышек также нужно, чтобы на высоте приблизительно в 11 км была достаточно низкая температура, что далеко не всегда случается в теплых местах земного шара. Град там бывает только в гористых местностях.

Кроме того, вероятность града становится исчезающе малой, как только температура воздуха опускается ниже -30 °С. Переохлажденные капли воды в этом случае располагаются вблизи и внутри снежных облаков.

Как возникает град?

Механизм образования данного вида осадков можно описать следующим образом:

1. Восходящий поток воздуха, содержащий значительное число водяных капель, встречает на своем пути облачный слой низкой температуры. Часто бывает, что в качестве такого воздушного потока выступает сильнейший смерч. Значительная часть облака должна находиться ниже точки замерзания (0 °С). Вероятность образования града стократ повышается, когда температура воздуха на высоте 10 км составляет около -13 °.
2. При соприкосновении с ядрами конденсации образуются кусочки льда. В результате чередующихся процессов поднятия-опускания градинки приобретают слоистую структуру (прозрачные и белые уровни). Если ветер дует в направлении, где много водяных капель, получается прозрачный слой. Если дует в область водяного пара, градинки покрываются коркой белого льда.
3. При столкновениях между собой ледышки могут слипаться и серьезно вырасти в размерах, образуя фигуры неправильной формы.
4. Образование града может длиться на протяжении по крайней мере получаса. Как только ветер перестанет поддерживать все более тяжелое грозовое облако, град начнет падать на земную поверхность.
5. После того как ледышки минуют область с температурой выше 0 °С, начнется медленный процесс их таяния.

Почему ночью не бывает града?

Для того чтобы в небе образовались частицы льда такого размера, чтобы при падении на землю они не успевали растаять, необходимы достаточно сильные вертикальные воздушные потоки. В свою очередь, чтобы восходящий поток был достаточно мощным, необходим сильный нагрев земной поверхности. Вот почему в абсолютном большинстве случаев град выпадает в вечерние и послеобеденные часы.

Однако ничто не мешает ему выпасть в темное время суток, если не небе есть грозовое облако достаточной величины. Правда, ночью люди в основной своей массе спят, и мелкий град может остаться вовсе незамеченным. Вот почему создается иллюзия того, что «ледяной дождь» бывает только днем.

Что касается статистических данных, то в большинстве случаев град происходит в летнее время приблизительно в 15:00. Достаточно высока возможность его выпадения вплоть до 22:00, после чего вероятность такого вида осадков стремится к нулю.

Данные наблюдений метеорологов

Среди наиболее известных случаев выпадения «ледяного дождя» в темное время суток:

• Один из самых мощных ночных градов выпал 26 июня 1998 года в иллинойской деревне Хейзел-Крест. Тогда местное сельское хозяйство серьезно пострадало от градин размером в 5 см в диаметре, выпавших в районе 4 часов утра;
• 5 сентября 2016 года в окрестностях Екатеринбурга выпал град, побивший местные посевы;
• В белорусском городе Добруша в ночь на 26 августа 2016 льдины размером с кулак побили стекла автомобилей;
• В ночь на 9 сентября 2007 года на Ставрополье прошелся град, который повредил 15 тысяч частных домов;
• Ночью на 1 июля 1991 года на Минеральные воды обрушился целый ледяной ливень, который не только нанес ущерб местным домохозяйствам, но и повредил даже 18 самолетов. Средний размер ледышек составил около 2,5 см, но встречались и гигантские шары размером с куриное яйцо.

Многие люди до сих пор не знают, бывает ли град ночью. Вероятность возникновения данного явления в ночное время исчезающе мала, но все же есть. Причем на эти редкие случаи приходятся многие сильнейшие аномалии, наносящие серьезный вред хозяйству.

Очень часто в летнюю пору наблюдается необычный вид осадков в виде небольших, а иногда и крупных льдинок. Их форма может быть разной: от мелких крупинок до больших градин размером с куриное яйцо. Такой град может вызвать катастрофические последствия - насести материальный ущерб и вред здоровью, а также урон сельскому хозяйству. Но где и как образуется град? Этому есть научное объяснение.

Образованию града способствуют сильные восходящие потоки воздуха внутри большого кучевого облака. Этот вид атмосферных осадков состоит из кусочков льда разного размера. Структура градины может состоять из нескольких чередующихся слоев льда - прозрачных и полупрозрачных.

Как образуются льдинки

Образование града - сложный атмосферный процесс, основанный на круговороте воды в природе. Теплый воздух, который содержит пары влаги, в жаркий летний день поднимается вверх. По мере увеличения высоты эти пары охлаждаются, а вода конденсируется - так образуется облако. Оно, в свою очередь становится источником дождя.

Но бывает и так, что днем слишком жарко, а восходящий поток воздуха настолько сильный, что капли воды поднимаются на очень большую высоту, минуя область нулевой изотермы, и становятся переохлажденными. В таком состоянии капли могут встречаться даже при температуре в -400С на высоте более 8-ми километров.

Переохлажденные капли сталкиваются в воздушном потоке с мельчайшими частицами песка, продуктами сгорания, бактериями и пылью, которые становятся центрами кристаллизации влаги. Так зарождается льдинка - к этим маленьким частичкам прилипают все новые капельки влаги и при изотермической температуре превращаются в настоящий град. Структура градины может поведать историю ее зарождения посредством слоев и своеобразных колец. Их количество свидетельствует о том, сколько раз градинка поднималась в верхние слои атмосферы и спускалась обратно в облако.

От чего зависит размер градин

Скорость восходящих потоков внутри кучевых облаков может варьировать от 80 до 300 км/час. Поэтому сформированные только что льдинки могут непрестанно перемещаться также на большой скорости вместе с потоками воздуха. И чем больше будет скорость их перемещения, тем больше будет размер градин. Проходя многократно через слои атмосферы, где температура изменяется, поначалу маленькие градинки обрастают новыми слоями воды и пыли, формируя порой градины внушительных размеров - диаметром в 8-10 см и весом до 500 грамм.

Одна капля дождя формируется примерно из миллиона переохлажденных частиц воды. Градины, диаметр которых превышает 50 мм, обычно формируются в ячейковых кучевых облаках, где наблюдается сверхмощные восходящие потоки воздуха. Гроза с участием таких дождевых облаков может породить интенсивные шквалы ветра, сильные ливни и смерчи.

Как бороться с градом?

За многолетнюю историю метеонаблюдений люди обнаружили, что градины не образуются при резких звуках. Поэтому наиболее современными средствами борьбы с градом, которые доказали свою эффективность, являются специальные зенитные орудия. При выпуске зарядов из таких орудий по черным, густым облакам достигается сильный звук от их разрыва. Разлетающиеся частицы порохового заряда способствуют формированию капель на сравнительно небольшой высоте. Так, содержащаяся в воздухе влага не формирует град, а проливается на землю дождем.

Еще один популярный способ предотвращения выпадения осадков в виде града - искусственное распыление мелкой пыли. Для этого обычно используются самолеты, которые пролетают непосредственно над грозовым облаком. При распылении микроскопических частиц пыли создается огромное количество градовых зародышей. Эти мельчайшие частички льда перехватывают капли переохлажденной воды. Суть метода состоит в том, что в грозовом облаке запасы переохлажденной воды невелики, а каждый зародыш града препятствует росту других. Поэтому выпадающие на землю градинки имеют небольшой размер и не наносят серьезного урона. Также существует большая вероятность, что вместо града пойдет обычный ливень.

Такой же принцип используется и в третьем способе предотвращения града. Искусственные градовые зародыши могут быть созданы, если внести в переохлажденную часть кучевого облака йодистое серебро, сухую углекислоту или свинец. Из одного грамма этих веществ может быть создано 1012 (триллион) кристалликов льда.

Все эти способы борьбы с градом зависят от метеорологических прогнозов. Важно вовремя укрыть молодые посевы, вовремя собрать урожай, спрятать ценные вещи и предметы, автомобили. Также не следует оставлять на открытой местности домашний скот.

Такие простые меры помогут минимизировать ущерб, причиненный вследствие выпадения града. Их лучше предпринимать незамедлительно, как только передали прогноз по граду или же на горизонте появились угрожающие тучи характерного облика.