Τρίτη, 22 Μαΐου 2012

Καταιγίδες - Μέρος Α

thunderstorm formation

Η καταιγίδα αποτελεί αναμφίβολα ένα από τα πλέον βίαια ατμοσφαιρικά φαινόμενα, μικρής κατά βάση κλίμακας, με κύρια χαρακτηριστικά τη ραγδαία βροχή, το χαλάζι, τους απότομους και θυελλώδεις ανέμους και συχνά τις αστραπές και τις βροντές. Οι άνεμοι που συνοδεύουν μια καταιγίδα μπορεί να αποδειχτούν εξαιρετικά επικίνδυνοι για τη ναυσιπλοϊα, ενώ οι ισχυρές ανοδικές κινήσεις που επικρατούν στο χώρο επίδρασης μιας καταιγίδας είναι επικίνδυνες για την αεροπλοϊα. Εν συντομία, θα μπορούσαμε να πούμε πως μία καταιγίδα αποτελεί, σχεδόν στο σύνολο της, το αποτελέσμα μιας γιγαντιαίας κατακόρυφης μεταφοράς αερίων μαζών στο κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Αδειάσειστοι μάρτυρες αυτής της κατακόρυφης μεταφοράς είναι οι γιγαντιαίοι σωρειτομελανίες (cumulonimbus, βλ. εδώ) που σχηματίζονται, είτε μεμονωμένοι είτε σε ομάδες, με την κορυφή τους να ξεπερνά σε αρκετές περιπτώσεις τα 15 km.

Τυπική καταιγίδα (Ordinary cell thunderstorm)
Οι τυπικές καταιγίδες δημιουργούνται συνήθως σε περιοχές όπου δεν παρατηρείται σημαντική διάτμηση του ανέμου, σε περιοχές δηλαδή όπου τόσο η ταχύτητα όσο και η κατεύθυνση του ανέμου δεν παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές καθ' ύψος. Η εξέλιξη μιας τυπικής καταιγίδας μπορεί να διαχωριστεί σε τρία κύρια στάδια: το στάδιο της ανάπτυξης ή στάδιο του σωρείτη (cumulus, βλ. εδώ), το στάδιο της ωρίμανσης ή στάδιο του σωρειτομελανία (cumulonimbus, βλ. εδώ) και το στάδιο της διάλυσης.
Το στάδιο της ανάπτυξης ξεκινά όταν εξαιτίας κάποιου αιτίου, μία αέρια μάζα αναγκάζεται να κινηθεί κατακόρυφα σε μία περιοχή όπου επικρατεί έντονη αστάθεια. Καθώς η θερμή και υγρή αέρια μάζα ανέρχεται, παρατηρείται συμπύκνωση και τελικά σχηματισμός ενός ή περισσότερων νεφών τύπου cumulus (βλ. εδώ). Τα νέφη αυτά δημιουργούνται με τη βοήθεια ενός ισχυρού ανοδικού ρεύματος που δημιουργείται στο στάδιο αυτό.
Καθώς το νεφικό σύστημα αναπτύσσεται, η μετατροπή των υδρατμών σε υγρά ή στέρεα νεφοσταγονίδια απελευθερώνει μεγάλες ποσότητεςλανθάνουσας θερμότητας που διατηρούν τον ανερχόμενο αέρα θερμότερο (λιγότερο πυκνό) από τον περιβάλλοντα ατμοσφαιρικό αέρα. Ο σχηματισμός του νεφικού συστήματος συνεχίζεται για όσο διαρκεί η τροφοδότηση του με θερμότερο αέρα από τα κατώτερα στρώματα. Κατά τον τρόπο αυτό, τα σχηματιζόμενα νέφη cumulus είναι δυνατόν να αποκτήσουν εκτεταμένη κατακόρυφη ανάπτυξη και να μετατραπούν σε νέφη τύπου cumulus congestus μέσα σε λίγα λεπτά της ώρας. Στο στάδιο αυτό ο διαθέσιμος χρόνος για τον σχηματισμό υετού είναι μικρός, και το ανοδικό ρεύμα που επικρατεί διατηρεί τα υδροσταγονίδια και τα παγοσταγονίδια αιωρούμενα μέσα στο νεφικό σχηματισμό. Επιπρόσθετα, στο στάδιο της ανάπτυξης δεν παρατηρείται ηλεκτρική δραστηριότητα (κεραυνοί, αστραπές).
Με την πάροδο του χρόνου, η κορυφή του νεφικού συστήματος ξεπερνά το επίπεδο της παγοποίησης (freezing level) και τα νεφοσταγονίδια αυξάνουν και άλλο σε μέγεθος, γεγονός που τα καθιστά επίσης βαρύτερα. Τελικά, το ανοδικό ρεύμα αδυνατεί να διατηρήσει την αιώρηση τους μέσα στο νεφικό σχηματισμό, με αποτέλεσμα να ξεκινά η κατακρήμνιση τους. Καθώς αυτό συμβαίνει, ξηρότερος ατμοσφαιρικός αέρας αρχίζει να εισέρχεται στο νεφικό σχηματισμό στα πλαίσια μιας διεργασίας που είναι περισσότερο γνωστή με τον όρο διείσδυση (entrainment). Η διείσδυση του ξηρότερου περιβάλλοντα αέρα προκαλεί την εξάτμιση ορισμένων υδροσταγονιδίων, οδηγώντας στη ψύξη του αέρα μέσα στο νεφικό σχηματισμό. Έτσι, ο αέρας του νεφικού σχηματισμού καθιστάται ψυχρότερος και βαρύτερος του περιβάλλοντα ατμοσφαιρικού αέρα και αρχίζει να κατέρχεται, δημιουργώντας τώρα ένα καθοδικό ρεύμα. Το καθοδικό αυτό ρεύμα είναι δυνατόν να ενισχυθεί καθώς τα κατακρημνίσματα "τραβούν" το αέρα του νεφικού σχηματισμού προς τα κάτω.
Η εμφάνιση του καθοδικού ρεύματος σηματοδοτεί την έναρξη του σταδίου της ωρίμανσης. Το ανοδικό και το καθοδικό ρεύμα μίας ώριμης καταιγίδας συνιστούν αυτό που χαρακτηρίζεται ως κύτταρο της καταιγίδας. Κατά το στάδιο της ωρίμανσης η καταιγίδα χαρακτηρίζεται από μέγιστη ένταση. Καθώς η κορυφή του νεφικού σχηματισμού έχει φτάσει πλέον σε μεγάλο ύψος (12-15 km) όπου επικρατούν ευσταθείς ατμοσφαιρικές συνθήκες, αρχίζει να παίρνει το γνωστό σχήμα του άκμωνα (anvil). Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της παρουσίας του ανέμου στα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα που διασκορπίζει οριζόντια τους παγοκρυστάλλους του νεφικού σχηματισμού. Ο ίδιος ο νεφικός σχηματισμός μπορεί σε αυτό το στάδιο να εκτείνεται κατακόρυφα έως τα 12-15 km, ενώ η βάση του μπορεί να είναι της τάξης των κάποιων χιλιομέτρων.
Στην περιοχή όπου το καθοδικό ρεύμα φτάνει στην επιφάνεια παρατηρείται απόκλιση του αέρα προς όλες τις διευθύνσεις. Το επιφανειακό όριο που χωρίζει τον προπορευόμενο (κατερχόμενο) ψυχρό αέρα από τον θερμότερο περιβάλλοντα ατμοσφαιρικό αέρα ονομάζεται μέτωπο των ριπών (gust front). Κατά μήκος του μετώπου των ριπών παρατηρούνται γρήγορες και βίαιες μεταβολές τόσο της ταχύτητας όσο και της διεύθυνσης του ανέμου. Ο σχηματισμός του μετώπου αυτού έχει ως αποτέλεσμα την τροφοδότηση της καταιγίδας με θερμό και υγρό αέρα από τα κατώτερα στρώματα της, ώστε ενισχύεται η ανάπτυξη του νεφικού σχηματισμού. Σε ό,τι αφορά στην εκδήλωση του υετού, αυτή εξαρτάται από τη σχετική υγρασία του υποκείμενου του νεφικού σχηματισμού ατμοσφαιρικού στρώματος. Για παράδειγμα, εάν μια τυπική καταιγίδα σχηματιζόταν στην έρημο, θα είχε όλα τα βασικά χαρακτηριστικά μιας καταιγίδας αλλά οι σταγόνες της βροχής θα εξατμίζονταν προτού προλάβουν να φτάσουν στο έδαφος. Παρόλα αυτά, τα ισχυρά καθοδικά ρεύματα θα μπορούσαν να φτάσουν στο έδαφος, οδηγώντας στη δημιουργία του μετώπου των ριπών και την εκδήλωση ισχυρών ανέμων.
Από τη στιγμή που μια τυπική καταιγίδα εισέλθει στο στάδιο της ωρίμανσης, ξεκινάει η διάλυση της μέσα σε 15 με 30 min. Το στάδιο της διάλυσης ξεκινά όταν το ανοδικό ρεύμα εξασθενεί και καθώς το μέτωπο των ριπών απομακρύνεται από τη βάση του νεφικού σχηματισμού, περιορίζοντας έτσι την ενίσχυση του ανοδικού ρεύματος. Σε αυτό το στάδιο, μέσα στο νεφικό σχηματισμό κυριαρχεί το καθοδικό ρεύμα, οπότε σταματά σταδιακά η τροφοδότηση της καταιγίδας με θερμό και υγρό αέρα μέσω του ανοδικού ρεύματος. Με τον τρόπο αυτό, εξασθενεί σταδιακά και ο σχηματισμός νέων νεφοσταγονιδίων. Σε αυτή τη φάση εκδηλώνεται συνήθως ασθενής βροχή, συνοδευόμενη από ασθενή καθοδικά ρεύματα. Καθώς η καταιγίδα «πεθαίνει», τα νεφοσταγονίδια στα κατώτερα στρώματα του νεφικού σχηματισμού αρχίζουν να εξατμίζονταιγρήγορα, παραχωρώντας τη θέση τους σε έναν άκμωνα τύπου cirrus για να θυμίζει την πρότερη ισχυρή καταιγίδα.
Μία τυπική καταιγίδα περνάει από τα προαναφερθέντα τρία στάδια σε χρονικό διάστημα μικρότερο ή ίση της μίας ώρας. Σε αυτό το διάστημα παράγει αξιοσημείωτα ποσά υετού, ενώ οδηγεί και σε πρόσκαιρη πτώση της θερμοκρασίας. Η ψύξη που προκαλεί μια καλοκαιρινή καταιγίδα μπορεί να φτάσει μέχρι και τους 10 oC μέσα σε λιγότερο από 10 min. Η επίδραση αυτή ωστόσο είναι πρόσκαιρη και μετά το τέλος της καταιγίδας η θερμοκρασία σημειώνει άνοδο. Σε αρκετές περιπτώσεις επίσης, παρατηρείται αύξηση και της υγρασίας με αποτέλεσμα το αίσθημα της θερμικής δυσφορίας να είναι μεγαλύτερο μετά το τέλος της καταιγίδας παρά πριν από την εκδήλωση της.
Σε αυτό το πρώτο μέρος του αφιερώματος στο εντυπωσιακό φαινόμενο των καταιγίδων, ασχοληθήκαμε με τη δομή και την εξέλιξη μιαςτυπικής καταιγίδας. Οι καταιγίδες αυτής της κατηγορίας είναι σύντομες και σπάνια αποκτούν πολύ μεγάλη και επικίνδυνη ένταση. Τα στάδια από τα οποία διέρχεται μία τυπική καταιγίδα και τα οποία περιγράφηκαν παραπάνω, παρουσιάζονται με συνοπτικό τρόπο στο επόμενο σχήμα. Καθώς μια τυπική καταιγίδα αναπτύσσεται, τα ανοδικά ρεύματα δίνουν τη θέση τους στα καθοδικά, και τελικά η καταιγίδα καταρρέει «από μέσα της». Τέτοιες καταιγίδες αναπτύσσονται σε περιοχές με ασθενή κατά βάση κατακόρυφη διάτμηση του ανέμου. Ωστόσο, σε περιοχές όπου επικρατούν συνθήκες ισχυρής διάτμησης του ανέμου, μία τυπική καταιγίδα μπορεί να λάβει πολυπλοκότερη μορφή. Συγκεκριμένα, η ισχυρή καθ’ ύψος διάτμηση του ανέμου είναι δυνατόν να μετατρέψει μια τυπική καταιγίδα σε πολυκύτταρη, δηλαδή σε καταιγίδα αποτελούμενη από πολλαπλά κύτταρα. Οι καταιγίδες αυτού του τύπου θα αποτελέσουν το αντικείμενο του δεύτερου μέρους του αφιερώματος στις καταιγίδες.

thunderstorm structure
Απλοποιημένο μοντέλο απεικόνισης του κύκλου ζωής μιας τυπικής καταιγίδας (ordinary cell thunderstorm) που είναι σχεδόν στάσιμη πάνω από μία περιοχή με ασθενή κατακόρυφη διάτμηση του ανέμου. Τα βέλη υποδεικνύουν τα ανοδικά και καθοδικά ρεύματα, ενώ η διακεκομένη γραμμή αντιστοιχεί στην ισόθερμη του επίπεδου παγοποίησης (freezing level). (a) Στάδιο ανάπτυξης, (b) Στάδιο ωρίμανσης, (c) Στάδιο διάλυσης. (Πηγή: Meteorology Today, D. Ahrens, 2009).

Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)
Πηγή:
http://www.meteoclub.gr

Δεν υπάρχουν σχόλια: