Καταιγίδες - Μέρος Δ

Υπερκύτταρες καταιγίδες (Supercell thunderstorms)
Σε περιοχές όπου επικρατεί ισχυρή διάτμηση του ανέμου (τόσο της ταχύτητας όσο και της διεύθυνσης του), μία καταιγίδα είναι δυνατόν να αναπτυχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε η εκροή ψυχρού αέρα από το καθοδικό ρεύμα να μην υποσκελίζει το ανοδικό ρεύμα. Η ισχυρή διάτμηση του ανέμου μπορεί επίσης να οδηγήσει στη δημιουργία οριζόντιου στροβιλισμού, ώστε τελικά το ανοδικό ρεύμα εξαναγκάζεται σε περιστροφήγύρω από τον άξονα του. Αυτού του τύπου η καταιγίδα, με το βίαια περιστρεφόμενο ανοδικό ρεύμα, χαρακτηρίζεται ως υπερκύτταρη (supercell thunderstorm). Αυτή ακριβώς η περιστροφή του ανοδικού ρεύματος θεωρείται υπεύθυνη για το σχηματισμό ανεμοστρόβιλων σε αρκετές περιπτώσεις.
Η εσωτερική δομή μιας υπερκύτταρης καταιγίδας είναι τέτοια που μπορεί να διατηρεί την καταιγίδα «ζωντανή» για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι καταιγίδες αυτής της κατηγορίας είναι ικανές να δημιουργούν ανοδικά ρεύματα με ταχύτητες που ξεπερνούν τους 90 knots, καταστροφικούςεπιφανειακούς ανέμους και μεγάλους ανεμοστρόβιλους. Τα βίαια ανοδικά ρεύματα μπορούν επίσης να διατηρήσουν το χαλάζι αιωρούμενο μέσα στο νέφος για μεγάλο χρονικό διάστημα, διευκολύνοντας με τον τρόπο αυτό τη σημαντική και επικίνδυνη αύξηση του μεγέθους του.
Παρόλο που ποτέ δύο υπερκύτταρες καταιγίδες δεν είναι ίδιες, για ευκολία κατηγοριοποιούνται σε τρεις τύπους: (α) τις κλασσικές υπερκύτταρες (classic supercells – CLS), (β) τις υψηλού υετού υπερκύτταρες (high precipitation supercells – HPS), και (γ) τις χαμηλού υετού υπερκύτταρες (low precipitation supercells – LPS). Οι CLS είναι καλά οργανωμένες καταιγίδες που παράγουν έντονη βροχόπτωση, μεγάλου μεγέθους χαλάζι, ισχυρούς επιφανειακούς ανέμους, και ανεμοστρόβιλους. Οι υπερκύτταρες καταιγίδες αυτού του τύπου θεωρούνται το τέλειο μοντέλο για όλες τις υπερκύτταρες καταιγίδες. Οι HPS παράγουν έντονη βροχόπτωση και χαλάζι στο κέντρο της καταιγίδας. Τέτοιες καταιγίδες προκαλούν ακραία καθοδικά ρεύματα και πλημμύρες, ενώ η αναγνώριση ανεμοστρόβιλων είναι δύσκολη αφού εκδηλώνονται συνηθέστερα στην περιοχή της έντονης βροχόπτωσης. Οι LPS χαρακτηρίζονται από ασθενή κατά βάση βροχόπτωση, παρά το ότι είναι ικανές να δημιουργήσουν ανεμοστρόβιλους και χαλαζόπτωση. Αυτές οι καταιγίδες δημιουργούν συνήθως ένα μεγάλο πυργοειδές νέφος, το οποίο εξαιτίας της περιστροφής της καταιγίδας μοιάζει πολλές φορές με ανοιχτήρι φελλών.
Στο Σχ. 1 παρουσιάζεται το μοντέλο της κλασσικής υπερκύτταρης καταιγίδας. Στο Σχ.1 παρουσιάζεται η καταιγίδα όπως είναι ορατή από τα ΝΑ, κινούμενη από ΝΔ προς ΝΑ. Η περιστρεφόμενη στήλη αέρα στη νότια πλευρά της καταιγίδας ονομάζεται μεσοκυκλώνας (μέσης κλίμακας κυκλώνας, mesocyclone). Το περιστρεφόμενο ανοδικό ρεύμα που συνδέεται με τον μεσοκυκλώνα είναι τόσο ισχυρό που η κατακρήμνισηυετού μέσα από αυτό είναι αδύνατη. Αυτή η δομή δημιουργεί μία περιοχή όπου δε σημειώνεται βροχή, ακριβώς κάτω από το ανοδικό ρεύμα. Οι ισχυροί ΝΔ άνεμοι που πνέουν ψηλά διασκορπίζουν συνήθως τη βροχή προς τα ΝΑ. Το χαλάζι που τυχόν αιωρείται μέσα στο νέφοςκατακρημνίζεται συνήθως στα Β του ανοδικού ρεύματος, ενώ η εντονότερη βροχή σημειώνεται ακριβώς Β της περιοχής όπου πέφτει το χαλάζι. Η ασθενέστερη βροχή σημειώνεται στο ΒΑ τεταρτημόριο της καταιγίδας. Στην περίπτωση που σχετικά ξηρός αέρας εισέλθει στοανοδικό ρεύμα, σχηματίζεται ένα περιστρεφόμενο νέφος που φαίνεται να κατεβαίνει από τη βάση της καταιγίδας. Το νέφος αυτό ονομάζεταιwall cloud.

Σχήμα 1. Απλοποιημένη απεικόνιση των κυριότερων χαρακτηριστικών μιας κλασσικής υπερκύτταρης καταιγίδας (classic supercell thunderstorm) που συνοδεύεται από ανεμοστρόβιλους. Η καταιγίδα παρατηρείται από τα ΝΑ και κινείται προς ΒΑ.

Για να σχηματίσουμε μία καλύτερη εικόνα για τον τρόπο με τον οποίο η διάτμηση του ανέμου παίζει ρόλο στη ανάπτυξη των υπερκύτταρων καταιγίδων, αρκεί να κοιτάξουμε το Σχ. 2. Στην επιφάνεια εντοπίζεται ένας ανοιχτού κυματισμού κυκλώνας των μέσων πλατών με ψυχρό καιξηρό αέρα να κινείται πίσω από το ψυχρό μέτωπο, ενώ θερμός και υγρός αέρας «σπρώχνει» το θερμό μέτωπο. Πάνω από τη θερμή επιφάνεια, μία σφήνα θερμού και υγρού αέρα προσανατολίζεται κατά τον άξονα Ν-Β. Σε αυτή την περιοχή εντοπίζεται επίσης μία στενή ζώνη ισχυρώνανέμων (>50 knots), η οποία ονομάζεται πολλές φορές αεροχείμαρρος των κατώτερων επιπέδων (low-level jet stream). Ακριβώς πάνω από το υγρό αυτό στρώμα, εντοπίζεται μία σφήνα ψυχρότερου και ξηρότερου αέρα που ρέει από τα ΝΔ. Ακόμα ψηλότερα, στην ισοβαρική επιφάνεια των 500 hPa, εντοπίζεται αυλώνας χαμηλών πιέσεων στα δυτικά του επιφανειακού χαμηλού. Στην ισοβαρική επιφάνεια των 300 hPa ο αεροχείμαρρος του πολικού μετώπου εμφανίζεται να στρίβει πάνω από την εξεταζόμενη περιοχή, δημιουργώντας συχνά μία περιοχήμέγιστης ταχύτητας πάνω από το επιφανειακό χαμηλό. Σε αυτό το επίπεδο, ο αεροχείμαρρος ευνοεί τη δημιουργία μιας περιοχής απόκλισης, η οποία με τη σειρά της εντείνει την επιφανειακή σύγκλιση και την ανοδική κίνηση του αέρα. Με αυτό τον τρόπο τίθενται οι βάσεις για τη δημιουργία μιας υπερκύτταρης καταιγίδας.

Σχήμα 2. Σχηματική απεικόνιση των συνθηκών της ανώτερης ατμόσφαιρας που ευνοούν το σχηματισμό υπερκύτταρων καταιγίδων. Η περιοχή που επισημαίνεται με κίτρινο χρώμα αντιστοιχεί σε εκείνη την περιοχή όπου είναι πιθανότερο να σχηματιστεί μια υπερκύτταρη καταιγίδα. (Πηγή: Meteorology Today, D. Ahrens, 2009).

Η περιοχή που επισημαίνεται στο Σχ. 2 με το κίτρινο χρώμα αντιστοιχεί σε εκείνη την περιοχή όπου είναι περισσότερο πιθανό να σχηματιστεί μια υπερκύτταρη καταιγίδα. Σε αυτή την περιοχή οι συνθήκες σχηματισμού υπερκύτταρων καταιγίδων είναι ευνοϊκότερες για δύο βασικούς λόγους: (α) διότι η παρουσία ψυχρού αέρα στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και θερμού στα κατώτερα δημιουργεί συνθήκες αστάθειας, και (β) διότι η ισχυρή κατακόρυφη διάτμηση του ανέμου εντείνει το στροβιλισμό.
Η ταχύτατη αύξηση της ταχύτητας του ανέμου από την επιφάνεια έως το επίπεδο όπου εντοπίζεται ο αεροχείμαρρος δημιουργεί συνθήκες ισχυρής διάτμησης. Σε αυτή την περιοχή, η διάτμηση του ανέμου εξαναγκάζει τον αέρα σε περιστροφή γύρω από έναν οριζόντιο άξονα. Καθώς ο αέρας περιστρέφεται αντίθετα από τους δείκτες του ρολογιού, το ανοδικό ρεύμα μιας αναπτυσσόμενης καταιγίδας μπορεί να «σπρώξει» τον περιστρεφόμενο αέρα μέσα στο νέφος, γεγονός που τελικά οδηγεί στην περιστροφή του ανοδικού ρεύματος. Αυτή ακριβώς ηπεριστροφή του ανοδικού ρεύματος είναι το βασικό γνώρισμα όλων των υπερκύτταρων καταιγίδων. Η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου με το ύψος, έως το ισοβαρικό επίπεδο των 300 hPa, σε συνδυασμό με την μεταβολή της διεύθυνσης του ανέμου από περισσότερο νότιες σε περισσότερο δυτικές διευθύνσεις, ενισχύει περισσότερο το στροβιλισμό της καταιγίδας.
Μπροστά από ένα προπορευόμενο ψυχρό μέτωπο, θα περιμένανε θεωρητικά να παρατηρήσουμε το σχηματισμό αρκετών υπερκύτταρων καταιγίδων, καθώς ο θερμός και δυναμικά ασταθής ατμοσφαιρικός αέρας ανέρχεται κατακόρυφα. Παρόλα αυτά, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες που ευνοούν το σχηματισμό μεγάλων υπερκύτταρων καταιγίδων αποτρέπουν συνήθως το σχηματισμό πολλών μικρότερων. Η κατανόηση των λόγων για τους οποίους αυτό συμβαίνει, προϋποθέτει την εξέταση του κατακόρυφου προφίλ της θερμοκρασίας και της υγρασίας στην περιοχή του θερμού αέρα που προπορεύεται του ψυχρού μετώπου.
Στο Σχ. 3 παρουσιάζεται το τυπικό κατακόρυφο προφίλ της θερμοκρασίας και του σημείου δρόσου στην περιοχή του θερμού αέρα, προτούσχηματιστεί η υπερκύτταρη καταιγίδα. Παρατηρούμε πως από την επιφάνεια έως το ισοβαρικό επίπεδο των 800 hPa ο ατμοσφαιρικός αέρας εμφανίζεται ασταθής, θερμός και υγρός. Στα 800 hPa εντοπίζεται μία ρηχή επιστεγάζουσα αναστροφή (ένα ρηχό στρώμα πολύ ευσταθούς αέρα) η οποία περιορίζει των υποκείμενο υγρό αέρα. Πάνω από την αναστροφή, ο αέρας είναι ψυχρότερος και αρκετά ξηρότερος, ενώ χαρακτηρίζεται από αστάθεια καθώς η θερμοκρασία ελαττώνεται με ρυθμό που προσεγγίζει την υγρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα (~10 ^oC/km). Η ψύξη του ατμοσφαιρικού αυτού στρώματος προέρχεται κύρια από την εισροή ψυχρού αέρα από τα δυτικά. Ο ψυχρός, ξηρός και ασταθήςαέρας που «κάθεται» πάνω από το θερμό και υγρό αέρα δημιουργεί ιδανικές συνθήκες για την εμφάνιση θερμικής αστάθειας, γεγονός που συνεπάγεται την περαιτέρω αποσταθεροποίηση της ατμόσφαιρας στην περίπτωση που κάποια μάζα αέρα αναγκαστεί να κινηθεί κατακόρυφα προς τα πάνω.

Σχήμα 3. Τυπική καθ' ύψος μεταβολή της θερμοκρασίας και του σημείου δρόσου, παρατηρούμενη συχνά πριν από την ανάπτυξη υπερκύτταρων καταιγίδων. (Πηγή: Meteorology Today, D. Ahrens, 2009).

Η ανοδική κίνηση επιφανειακού θερμού αέρα μπορεί να σημειωθεί κατά μήκος της μετωπικής επιφάνειας, αλλά και οπουδήποτε αλλού στην περιοχή του θερμού αέρα, καθώς η επιφάνεια θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Παρόλα αυτά, κατά τη διάρκεια των πρωινών ωρών, η επιστεγάζουσα αναστροφή λειτουργεί ως ανάχωμα στα ανερχόμενα θερμικά και ως εκ τούτου παρατηρείται συχνότερα ο σχηματισμόςορισμένων μεμονωμένων νεφών τύπου cumulus. Καθώς η ημέρα περνά και η επιφάνεια θερμαίνεται περισσότερο, ο ανερχόμενος αέρας καταφέρνει να διασπάσει την επιστεγάζουσα αναστροφή σε μεμονωμένα σημεία, οπότε και ακολουθεί η ταχύτατη και πολλές φορέςεκρηκτική κατακόρυφη ανάπτυξη των νεφών. Με τον τρόπο αυτό λοιπόν, η επιστεγάζουσα αναστροφή λειτουργεί ως ανασταλτικός παράγοντας για την ανάπτυξη πολλών μεμονωμένων καταιγίδων. Όταν ο επιφανειακός αέρας είναι πλέον ικανός να προκαλέσει τη διάτρησητης αναστροφής, ο ισχυρός άνεμος που συνδέονται με την παρουσία του αεροχειμάρρου στα 300 hPa εξωθεί βίαια τον υγρό αέρα προς τονψυχρό, ασταθή αέρα, οπότε και ξεκινάει η ανάπτυξη μιας μεγάλης υπερκύτταρης καταιγίδας.
Οι περισσότερες καταιγίδες κινούνται κατά την κατεύθυνση που ορίζει ο άνεμος στην μέση τροπόσφαιρα. Παρόλα αυτά, οι περισσότερεςυπερκύτταρες καταιγίδες κινούνται προς τα δεξιά της διεύθυνσης που ορίζει ο «πηδαλιούχος» άνεμος στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Για την ακρίβεια, οι υπερκύτταρες καταιγίδες έχουν την τάση να κινούνται κατά περίπου 30^ο προς τα δεξιά της κατεύθυνσης που ορίζει ο μέσος άνεμος στην μέση τροπόσφαιρα. Η ταχύτατη άνοδος του αέρα μέσω του ανοδικού ρεύματος της καταιγίδας αλληλεπιδρά με τον καθ’ ύψος αυξανόμενο οριζόντιο άνεμο, ώστε τελικά δημιουργούνται κατακόρυφες βαροβαθμίδες ικανές να προκαλέσουν την γένεση νέωνανοδικών ρευμάτων στην δεξιά πλευρά της καταιγίδας. Με τον τρόπο αυτό, καθώς η καταιγίδα προχωρά, νέα κύτταρα δημιουργούνται σταδεξιά της διεύθυνσης που ορίζει ο άνεμος στα ανώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα.

Με το τέταρτο και τελευταίο μέρος, ολοκληρώθηκε το αφιέρωμα στο εντυπωσιακό και αρκετές φορές επικίνδυνο φαινόμενο των καταιγίδων. Θέλω να πιστεύω πως το συγκεκρίμενο αφιέρωμα κατάφερε να πετύχει το στόχο του, ο οποίος δεν ήταν άλλος από το να μας ταξιδέψει στο μαγικό κόσμο των καταιγίδων. Ένα ταξίδι που πραγματοποιείται πάντα υπό το πρίσμα της επιστημονικής τεκμηρίωσης, πλην όμως δεν στερείται της μαγείας που αποπνέει ο καιρός!

Επιμέλεια - Σύνταξη: Θοδωρής Μ. Γιάνναρος (thgian82)

Πηγή:http://www.meteoclub.gr/