Опасные природные процессы 1 Раздел 3

Опасные природные процессы 1

Раздел № 3. Стихийные явления в атмосфере и защита от них Лекция № 12. Грозы. Молнии и защита от них 1. Грозы, типы грозовых облаков. 2. Физические характеристики грозовых облаков 3. Электрическая структура грозового облака. Характеристика молний. Защита от них. 2

Гроза - атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с: q ливневым дождем, q градом, q шквальным усилением ветра. Гроза - одно из самых опасных для человека природных явлений, по количеству смертных случаев – 2 -е место после наводнений. 3

4

5

6

q q Одновременно на Земле: действует ~ 1500 гроз, средняя интенсивность разрядов - 46 молний в секунду. Распределяются неравномерно: над океаном гроз в 10 раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено 78 % молниевых разрядов. Максимум грозовой активности - Центральная Африка. q q В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум – летом, в дневные послеполуденные часы; минимум – перед восходом солнца. Сильные грозовые центры - в горных районах Гималаев и Кордильер 7

Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли 8

Условия возникновения грозового облака: q конвекция или иной механизм, создающий восходящие потоки; q запас влаги, достаточный для образования осадков; q наличие структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, часть — в ледяном. Случаи возникновения конвекции: qнеравномерное нагревание приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью (над водой и сушей - из -за различий в температуре воды и почвы; над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях); qпри подъеме (вытеснении) теплого воздуха холодным на атмосферных фронтах; qпри подъеме воздуха в районах горных массивов (возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков за счет вынужденной конвекции). 9

Все грозовые облака последовательно проходят стадии: q кучевого облака, q зрелого грозового облака, q распада. 10

Условие для образования грозовых облаков - неустойчивое состояние атмосферы, формирующее восходящие потоки, которые создают облака различных типов (1 -4). 1. Одноячейковые кучево-дождевые (Cb) облака (внутримассовые, или локальные грозы) - развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной части; достигая грозовой и градовой интенсивности, быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры: поперечный 5 -20 км, вертикальный — 8 -12 км, продолжительность жизни 30 мин - 1 час. Серьезных изменений погоды после грозы не происходит. 11

Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды, растущего вертикально и горизонтально. Восходящие потоки находятся по всему объему облака и увеличиваются от 5 м/с до 15 -20 м/с, нисходящие - очень слабы. Воздух активно проникает внутрь облака, конденсируемые водяные капли сливаются в более крупные, уносимые восходящими потоками вверх. В зоне отрицательных температур капли превращаются в кристаллы льда, облако переходит в стадию мощно-кучевого. Из-за смешанного состава облака создаются условия для выпадения осадков, облако - кучево-дождевое, с вертикальными потоками до 25 м/с и уровнем вершины - 7 -8 км. Испаряющиеся осадки охлаждают воздух, усиливая нисходящие потоки. На стадии зрелости - присутствуют и восходящие и нисходящие воздушные потоки. На стадии распада - преобладают нисходящие, постепенно охватывающие все облако. 12

Цикл жизни одноячейкового облака. 13

2. Многоячейковые кластерные грозы - наиболее распространенный тип гроз, имеющих масштаб 10 - 1000 км. Кластер состоит из группы грозовых ячеек в разных стадиях развития, но двигающихся как единое целое. Зрелые ячейки (стадия - около 20 мин) располагаются в центральной части, распадающиеся - с подветренной стороны кластера, который существует несколько часов. Поперечные размеры: 20— 40 км, вершины поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Могут давать: град, ливневые дожди, слабые шквальные ветра. Данный тип грозы более интенсивен, чем одноячейковая гроза. 14

3. Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов - ЛШ) - линии гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. ЛШ может быть сплошной или содержать бреши. Выглядит как темная стена облаков, покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии) с большим числом близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха. ЛШ дают: крупный град, интенсивные ливни, создают сильные нисходящие потоки. Близка по свойствам к холодному фронту, часто возникает впереди него. 15

Приближение грозы 11 августа 2003 г. в районе Коломны 16

4. Суперячейковые грозы - редки, но наиболее опасны. Как и одноячейковое, имеет одну зону восходящего потока. Диаметр ячейки - 50 км, высота 10 -15 км (верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость вращающегося восходящего потока - до 40 - 60 м/с. Создает экстремальные по силе погодные явления: q гигантский град (более 5 см в диаметре), q шквальный ветер до 40 м/с, q сильные разрушительные смерчи. q q Условия образования: очень сильная конвективная неустойчивость воздуха; температура воздуха у земли (до грозы) +27…+30 и выше; ветер переменного направления, вызывающий вращение; сдвиг ветра в средней тропосфере. 17

Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака в зону нисходящего потока. Разделение зон в пространстве обеспечивает жизнь облака длительное время. На передней кромке - слабый дождь; вблизи зоны восходящего потока - ливневые осадки, наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. 18

2. Физические характеристики грозовых облаков 19

Физические характеристики грозовых облаков Единичная грозовая ячейка достигает высоты 8 — 10 км и живет порядка 30 минут. Изолированная гроза состоит из нескольких ячеек находящихся в различных стадиях развития и длится около 1 часа. Крупные грозы м. б. в диаметре десятки километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов. Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах имеют диаметр 0. 5 - 2. 5 (до 4 -х) км и высоту 3 - 8 км. Скорость восходящего потока 5 -10 (до 20) м/с. 20

Шквалы - интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. Шквал диаметром более 4 км может создавать ветер до 60 м/с. Имеющие меньшие размеры микрошквалы создают ветер до 75 м/с. При наличии теплого и влажного воздуха, микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождем. Нисходящие воздушные потоки - серьезная опасностью для самолетов, особенно во время взлета или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления 21

Вертикальное развитие Грозовые облака достигают высоты 10 км, иногда - более 20 км. Если влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки, то при благоприятном ветре облако может вырасти до тропопаузы (8 - 18 км) - области высокой стабильности. С приближением восходящего потока к стратосфере, воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха и рост вершины останавливается. С достижением кучевого облака блокирующего слоя инверсии тропопаузы, оно начинает растекаться в стороны и образует «наковальню» . Ветер, дующий на высоте наковальни, сносит облачный материал по направлению ветра. 22

23

Движение гроз относительно земли определяется взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в средних слоях атмосферы, в которых развивается гроза. Скорость перемещения изолированной грозы - 20 км/час, в экстремальных ситуациях - до 65 — 80 км/час (во время прохождения активных холодных фронтов). 24

Нисходящие потоки возникают на высотах где температура воздуха ниже, чем температура в окружающем пространстве. С началом таяния ледяных частиц осадков и испарения облачных капель, поток становится еще холоднее. Воздух в потоке более плотный, чем окружающий, и несет горизонтальный момент количества движения. У земли этот воздух выносится вперед грозой со скоростью большей, чем скорость движения всего облака, образуя зону 500 м - 2 км (шквальный фронт). Шквал образует характерный шквальный ворот с горизонтальной осью, резким падением температуры и изменением направления ветра. В экстремальных случаях фронт шквала может достичь скорости превышающей 50 м/с, и приносит разрушения домам и посевам. Следом за холодным воздухом обычно начинается дождь. 25

Шквальный ворот крупной грозы. 26

3. Электрическая структура грозового облака. Характеристика молний. Защита от них 27

Электрическая структура грозового облака На стадии зрелости облака положительный заряд находится в верхней части облака, отрицательный заряд - под ним, внутри облака, в основании облака и под ним - наблюдается нижний положительный заряд. Основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой воздуха − 5 − 17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Существуют грозы с инверсной структурой зарядов: отрицательный - в верхней части облака, положительный - во внутренней части, а также - со сложной структурой с четырьмя и более зонами объемных зарядов разной полярности. 28

Структура зарядов в грозовх облаках в различных регионах 29

Более крупные и тяжелые облачные частицы заряжаются отрицательно, а более легкие мелкие частицы – положительно. Пространственное разделение объемных зарядов возникает за счет того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие. Когда величина накопившегося в облаке объемного электрического заряда становится достаточно большой, между областями заряженными противоположным знаком происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землей, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. Обычно от 2/3 до 100 % разрядов - внутриоблачные разряды, межоблачные разряды, разряды облако — воздух. Оставшаяся часть — разряды облако-земля. 30

Диаметр канала молнии - 1 см, ток в канале - десятки (до 100) килоампер, температура в канале - 25 000°С, продолжительность разряда - доли секунды. Прямой удар молнии (первичное воздействие атмосферного электричества) приводит к механическим разрушениям зданий, сооружений, скал, деревьев, вызывает пожары и взрывы, является причиной гибели людей. К вторичному воздействию Ат. Э относят: q электростатическую и электромагнитную индукции; q занос высоких потенциалов в здания и сооружения. 31

Для защиты объектов от прямых ударов молнии сооружаются молниеотводы, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю. Молниеотвод состоит из опоры 1 (отдельно стоящий - высотой до 25 м — из дерева, до 5 м — из металла или железобетона), молниеприемника 2 (стальной профиль сечением не менее 100 мм 2), токоотвода 3 (сечением ≥ 48 мм 2) и заземлителя 4 32

33

КОНЕЦ ЛЕКЦИИ 34

35 Вертикальная и горизонтальная структура суперячейкового облака.

Схема многоячейковой грозовой структуры. 36

Стадии развития грозового облака 37

38

Бразилия занимает первое место в мире по количеству молний. – в год более 60 миллионов. От поражения разрядами молний ежегодно: q гибнет около 100 человек, q 500 получают разного рода ожоги и увечья; q материальный ущерб - около $500 миллионов. Наиболее активными зонами являются города с населением более 500 тысяч человек, удаленные от морского побережья (изза повышенных выбросов промышленных газов и большого числа зданий, затрудняющих циркуляцию воздуха. Количество жертв поражения молниями в городах значительно меньше, чем в сельской местности. Материальный ущерб: 1) объекты энергетики - около 600 млн реалов; 2) телекоммуникационные предприятия - 150 млн реалов; 3) страховые компании. 39

ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ХОЛОД - температура воздуха, близкая к 00 С и ниже Степени поражения холодом: ОХЛАЖДЕНИЕ - длительное воздействие отрицательной температуры на человека. Разделяется на: q общее – следствие длительного воздействия холода на организм q локальное – кратковременное воздействие холода на отдельные (как правило, незащищенные) участки тела ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ - процесс постоянного снижения температуры тела под воздействием холода до опасных пределов. ОБМОРОЖЕНИЕ - некроз (омертвение) или воспаление тканей под воздействием холода. ЖАРА - повышенная температура окружающего воздуха. 40

гололед: Слой плотного льда, образующийся на земной поверхности и на предметах при намерзании переохлажденных капель дождя или тумана. туман: Скопление продуктов конденсации в виде капель или кристаллов, взвешенных в воздухе непосредственно над поверхностью земли, сопровождающееся значительным ухудшением видимости. 41

42