Гектор — вектор и конвектор

На прошлой неделе почти все СМИ обошел короткий видеоролик, снятый из космоса, — на нем видно, как над островом возникает огромное облако, которое затем так же быстро рассеивается. Видео сопровождалось пояснением, что это — «вечный шторм Гектор», запечатленный японским метеоспутником Himawari-8. Редакция N + 1 попросила Александра Чернокульского, научного сотрудника Института физики атмосферы имени Обухова РАН, рассказать, что это за «вечный шторм» и чем он интересен.

На этом снимке — архипелаг Тиви, состоящий из двух островов: меньшего острова Батерст, и большего — острова Мелвилл. Они находятся у северного побережья Австралии, менее чем в 100 километрах от города Дарвин.

Весной и осенью, точнее с ноября по декабрь и с февраля по март, над этими двумя островами каждый день, примерно после полудня (в среднем с 12:30 по 15:30), формируется кучевое грозовое облако (Cumulonimbus, если быть точным), достигающее высоты около 18–20 километров, — это практически рекорд для грозовых облаков.

Примечательно это явление своей регулярностью — наблюдения, проведенные в 1990-2000 годы, показали, что облако возникало примерно в 65-70 процентах дней, за исключением случаев, когда его появлению мешали крупномасштабные муссоны и штормы в океане.

Легенда, растиражированная на множестве интернет-сайтов, гласит, что собственное имя «Гектор» (или «Гектор Вектор») дали этому явлению во время Второй мировой войны пилоты, перегонявшие самолеты между Дарвином и Папуа-Новой Гвинеей. Гигантское облако служило для них отличным ориентиром — отсюда и «вектор».

Физика этого процесса достаточно проста: днем, под действием солнечного излучения, возникает сильный перепад температур между поверхностью и нижними слоями атмосферы. Нагревается поле, или пашня, или лес, или поверхность океана, в результате теплый влажный воздух благодаря конвекции поднимается вверх.

На определенной высоте влага, которая в содержится в теплом воздухе, начинает конденсироваться, формируется кучевое облако. Когда капли воды в нем достигают определенной массы, выпадает дождь, что может сопровождаться (а может и не сопровождаться — все зависит от конкретных условий) грозой, сильным ветром.

В тропиках и даже в средних широтах во время летнего сезона можно заметить, что дождь идет регулярно во второй половине дня — срабатывает именно этот механизм: нагретый и насыщенный влагой воздух поднимается наверх, проливается дождем, поверхность остывает. На следующий день цикл повторяется.

Обычное кучево-дождевое облако, формирующееся над нагретым полем на Русской равнине, само себя «убивает» за час, поскольку дождь ослабляет конвекцию. Однако в других условиях эта картина может усложняться за счет возникновения значительно более впечатляющих явлений, особенно если в дело вмешиваются ветер, значительные перепады температуры, рельеф местности.

На архипелаге Тиви наблюдается устойчивый ветер (бризовая циркуляция), при этом в определенном направлении воздух поднимается вверх — просто механически, за счет движения вдоль склона горы. Поскольку он идет с моря, он насыщен влагой. Воздух охлаждается, формируется облачность.

Кроме того, за счет так называемого сдвига ветра, то есть изменения скорости и направления ветра внизу и наверху, там происходит дополнительное усиление, или кластеризация — расширение облака и его возможное слияние с соседними облаками (если такие вдруг появляются).

По-английски это называют “severe convective storms” или просто “severe storms”. В русском языке подобные мезомасштабные конвективные шторма не получили специального обозначения в языке. В нашей терминологии «шторм» означает скорее явление на море, сопровождаемое сильным ветром и волнением на морской поверхности. Но в английском языке имеется в виду не только ветер, но и долгоживущее кучево-дождевое облако.

Долгоживущие конвективные облака часто объединяются друг с другом, возникают кластеры, комплексы. Иногда в отдельных облаках формируется собственная циркуляция — облако превращается в суперячейку. С подобными конвективными комплексами, мультиячейковыми облаками, суперячейками (их и имеет в виду собирательный английский термин “severe convective storms”) связаны сильные дожди, крупный град, шквалы, иногда торнадо.

Для их появления необходимы четыре главных ингредиента:

Первое — внизу должно быть очень много влаги, воздух должен быть влажный.

Второе — должна быть неустойчивость атмосферы. То есть сильное изменение температуры с высотой, способствующее подъему воздуха.

Третье — должна быть первичная «затравка» для подъема. Например, это может быть холодный фронт: плотный холодный воздух наступает на теплый, и тот просто выталкивается вверх, поскольку ему некуда деваться. Или орография, когда воздух поднимается по склонам гор.

И четвертый ингредиент — сдвиг ветра, то есть существенная разница в скорости и направлении ветра на разной высоте.

В случае «Гектора» все эти четыре ингредиента регулярно воспроизводятся.

Здесь есть неустойчивость атмосферы — она максимальна как раз днем, когда хорошо прогрета поверхность и наблюдается большой вертикальный градиент температуры. Кстати, именно от знака градиента зависит высота, на которой могут существовать кучевые облака.

Иногда эти облака «дорастают» до тропопаузы, где наблюдается инверсия — температура с высотой начинает расти, «запирая» поднимающийся воздух — он перестает быть легче своего окружения и не поднимается выше.

Наглядная иллюстрация этого — так называемые наковальни, кучевые облака с плоской вершиной, которые уже «уперлись» в тропопаузу и расползаются вбок, потому что не могут пробить инверсию.

Здесь есть и «затравка» — первоначальный подъем воздуха, связанный со взаимодействием бризовой циркуляции и орографии. Конечно же, есть и влажность — море под боком никто никуда не убирал.

Есть, вероятно, и сдвиг ветра — от него зависит, какого рода сюрпризы может преподнести грозовое кучевое облако. Если налицо сильные различия в направлении ветра в зависимости от высоты, выше вероятность появления крупного града, шквалов. Если нет поворота вектора — может обойтись сильным дождем или мелким градом.

Надо сказать, что «Гектор» сам по себе интересен метеорологам как удобный объект для наблюдения. Если вас интересует физика конвективных ячеек, гроз, природа молний — хорошо иметь «подопытного», который регулярно приходит на обследование.

Александр Чернокульский