¿Está familiarizado con la definición de supercélula? Me pareció que esto es algo del campo de las matemáticas o la física nuclear. Quizás exista tal cosa, pero ahora hablaremos de fenómenos naturales.
La causa de fenómenos como las tormentas eléctricas, las fuertes lluvias y la intensificación del viento fuerte son las nubes cumulonimbus monocelulares y multicelulares, que con frecuencia se acumulan en el cielo en verano. Una monocelda es una sola nube de cumulonimbus que existe independientemente de las demás. Una multicelda ya es un grupo (acumulación) de monoceldas, que están unidas por un yunque. Es decir, cuando una célula se desintegra, entonces otro núcleo cerca de ella o la nucleación ocurre simultáneamente. Estos complejos pueden ocupar un área de varias decenas a varios cientos de miles de km2.
Estos últimos se denominan clústeres convectivos de mesoescala (MCC). Son capaces de provocar fuertes chubascos, granizo y lluvias intensas. Sin embargo, no son nada especial, solo una acumulación de poderosas nubes cumulonimbus. Pero hay una formación atmosférica que produce condiciones climáticas aún más severas, incluido un tornado y se llama supercélula. Sus condiciones de formación y estructura son fundamentalmente diferentes de las nubes cumulonimbus ordinarias. Y este artículo trata solo de estos asombrosos, raros y emocionantes objetos de la atmósfera.
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Monoceldas y multiceldas
Para empezar, considere los procesos de formación de monoceldas convencionales. En un día despejado de verano, el sol calienta la superficie subyacente. Como resultado, se produce la convección térmica, que conduce a la aparición de "embriones" de una futura tormenta: cúmulos planos (Cu hum.), Cuya altura no supera 1 km. Por lo general, se generan por volúmenes de aire calentado que aumentan caóticamente: térmicas en forma de burbujas. En este caso, la nube resultante durará algún tiempo (decenas de minutos) y eventualmente se disolverá sin pasar a otra etapa de desarrollo. Es diferente cuando la térmica emergente no toma la forma de una burbuja, sino de una corriente continua de aire. Al mismo tiempo, en los lugares desde los que se ha elevado el aire, se forma una rarefacción. Está lleno de aire por los lados. Arriba, por el contrario, el exceso de aire tiende a extenderse hacia los lados. A cierta distancia, el tráfico aéreo se cierra. Como resultado, se forma una celda convectiva.
Además, Cu hum. pasa a cúmulos medianos o cúmulos poderosos (Cu med., Cu cong.), cuya altura ya alcanza los 4 km. Una nube plana cúmulos pasará a una nube media, y luego a una poderosa, o terminará su evolución, quedando en la primera etapa, depende solo del estado de la atmósfera en un lugar y en un momento determinados. Los principales factores que contribuyen al crecimiento de las nubes convectivas son una fuerte caída de temperatura con la altura en la atmósfera de fondo, así como la liberación de calor durante las transiciones de fase de la humedad (condensación, congelación, sublimación), lo que requiere un contenido suficientemente alto de vapor de agua en el aire. Un factor limitante es la presencia de capas en la atmósfera en las que la temperatura desciende levemente con la altura, hasta isoterma (la temperatura no cambia con la altura) o inversión (calentamiento con la altura). En condiciones favorables, Cu cong.se convierte en una nube cumulonimbus Cb, que provoca chubascos, tormentas y granizo. Pero en cualquier caso, una nube de cumulonimbus aparece inicialmente como Cu hum, y no de forma espontánea.
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Una característica distintiva de esta nube es la cumbre helada, que ha alcanzado la capa de inversión (la altura Cb está determinada por el nivel de condensación y el nivel de convección, respectivamente, los límites inferior y superior de la nube. En latitudes tropicales, la altura de estas nubes puede alcanzar los 20 km y atravesar la tropopausa). Se llama yunque y es una capa de densos cirros desarrollados en el plano horizontal. En este momento, la nube alcanzó su máximo desarrollo. Al mismo tiempo, junto con los arroyos ascendentes en la nube, se forman arroyos descendentes como resultado de la precipitación. La precipitación que cae enfría el aire circundante, se vuelve más denso y comienza a descender a la superficie (observamos este proceso en la tierra como una ráfaga) bloqueando cada vez más las corrientes ascendentes, que son muy necesarias para la existencia de la nube. Y cualquier corriente descendente tiene un efecto perjudicial sobre la génesis de las nubes.
Por lo tanto, una nube que ha crecido hasta la etapa Cb firma inmediatamente su propia sentencia de muerte. Los estudios muestran que las corrientes descendentes en su parte inferior y en la capa de subnube tienen un efecto particularmente fuerte: desde debajo de la nube, en sentido figurado, la base se derriba. Como resultado, comienza la etapa final de la existencia de Cb: su disipación. En esta etapa, solo se observan corrientes descendentes bajo la nube, reemplazando por completo a las ascendentes; la precipitación se debilita gradualmente y se detiene, la nube se vuelve menos densa, pasando gradualmente a una capa de densos cirros. Aquí es donde termina su existencia. Por lo tanto, la nube pasa por todas las etapas de evolución en aproximadamente una hora: la nube crece en 10 minutos, la etapa de madurez dura entre 20 y 25 minutos y la disipación ocurre en aproximadamente 30 minutos.
Una monocelda es una nube que consta de una celda convectiva, pero la mayoría de las veces (en aproximadamente el 80% de los casos) se observan múltiples celdas, un grupo de celdas convectivas en diferentes etapas de desarrollo, unidas por un yunque. Durante la actividad de tormentas multicelulares, las corrientes descendentes de aire frío de la nube "madre" crean corrientes ascendentes que forman las nubes de tormenta "hijas". Sin embargo, debe recordarse que todas las células nunca pueden estar simultáneamente en la misma etapa de desarrollo. La vida útil de las celdas múltiples es mucho mayor, del orden de varias horas.
Supercell. Conceptos básicos
Una supercélula es una monocelda convectiva muy potente. El proceso de su formación y estructura es muy diferente al de las nubes cumulonimbus ordinarias. Por tanto, este fenómeno es de gran interés para los científicos. El interés radica en el hecho de que una monocelda ordinaria en determinadas condiciones se convierte en una especie de "monstruo" que puede existir durante unas 4 - 5 horas prácticamente sin cambios, siendo cuasi-estacionaria y generar todos los fenómenos meteorológicos peligrosos. El diámetro de una supercélula puede alcanzar los 50 km o más, y su altura a menudo supera los 10 km. La velocidad ascendente dentro de la supercélula alcanza los 50 m / sy aún más. Como resultado, a menudo se forma granizo con un diámetro de 10 cm o más. A continuación, consideraremos las condiciones de formación, la dinámica y la estructura de la supercélula.
Los principales factores necesarios para la formación de una supercélula son la cizalladura del viento (cambio en la velocidad y dirección del viento con la altura en la capa 0 - 6 km), la presencia de una corriente en chorro a niveles bajos y una fuerte inestabilidad en la atmósfera cuando se observa "convección explosiva". Inicialmente, la nube tiene las características de una monocelda con corrientes ascendentes directas de aire cálido y húmedo, pero luego a cierta altura se observa cizalladura del viento y / o una corriente en chorro, que comienza a girar en espiral la corriente ascendente y la inclina levemente desde el eje vertical. En la primera figura, una flecha roja delgada muestra una cizalladura del viento (corriente en chorro), una flecha ancha, una corriente ascendente.
Como resultado de su contacto con la corriente en chorro, comienza a girar en espiral en un plano horizontal. Luego, la corriente ascendente, que gira en espiral, se transforma gradualmente de horizontal a más vertical. Esto se puede ver en la segunda figura. En última instancia, la corriente ascendente adquiere un eje casi vertical. Al mismo tiempo, la rotación continúa, y es tan poderosa que eventualmente rompe el yunque, formando una cúpula sobre él, una corona imponente. La aparición de esta cúpula indica poderosas corrientes ascendentes que son capaces de atravesar la capa de inversión. Esta columna giratoria es el "corazón" de la supercélula y se llama mesociclón. Su diámetro puede oscilar entre 2 y 10 km. La corona imponente solo indica la presencia de un mesociclón.
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La larga vida útil y la estabilidad de la supercélula están asociadas con lo siguiente. Debido al mesociclón, la precipitación ocurre ligeramente alejada del flujo ascendente y, por lo tanto, las corrientes descendentes también se observan hacia los lados (principalmente a ambos lados del mesociclón). En este caso, ambas corrientes (descendente y ascendente) coexisten entre sí, son amigas: al bajar, la primera desplaza el aire caliente hacia arriba y no bloquea su acceso a la celda, lo que mejora aún más el flujo ascendente. Y cuanto más poderosa es la corriente ascendente, más fuerte es la precipitación, lo que provoca corrientes descendentes aún mayores, que fuerzan cada vez más el aire de la superficie hacia arriba. Y si la celda se compara con una rueda, resulta que la precipitación en tal situación, por así decirlo, hace girar esta rueda. Es como resultado de esto que la supercélula puede existir durante muchas horas,expandiéndose durante este tiempo en decenas de kilómetros de ancho y largo, generando granizo, fuertes lluvias y, a menudo, tornados. En este momento, aparecen 3 minifrontes en la superficie de la tierra: 2 fríos en el área de flujos descendentes y uno cálido en el área de ascendentes (ver Fig. 1). Es decir, aparece un ciclón en miniatura, cuyo "embrión" es precisamente el mismo mesociclón.
Como se mencionó anteriormente, los tornados surgen no solo en supercélulas, sino también en mono y multiceldas ordinarias. Sin embargo, hay una gran diferencia: en una supercélula se observan simultáneamente precipitaciones y tornados, y en mono y multiceldas, primero un tornado, luego precipitación, y en el área donde se observó el tornado. Esto se debe a la ausencia de un cambio obvio en el espacio de la parte superior "cristalogénica" de la nube y la parte inferior hacia la que fluye el aire caliente. Además, en las supercélulas suele haber una corriente en chorro por encima del ápice, que arrastra el aire desplazado lejos de la nube, como resultado de lo cual se observa un yunque muy alargado (ver Fig.1), mientras que en una celda normal, el aire frío desplazado por el cálido, desciende por los bordes y por lo tanto además bloquea la "potencia". Por lo tanto, los tornados en tales células son de corta duración, débiles,y rara vez se encuentran en una etapa mayor que una nube de embudo.
Cabe señalar que las supercélulas son grandes y pequeñas, con una corona alta o baja, y pueden formarse en cualquier lugar, pero principalmente en los estados centrales de los Estados Unidos, en las Grandes Llanuras. En Europa y Rusia, son extremadamente raras y solo hay un tipo: las supercélulas HP. La clasificación se discutirá a continuación. Las supercélulas siempre están asociadas con una cizalladura del viento significativa y altos valores de CAPE, un indicador de inestabilidad. Para las supercélulas, el límite de cizallamiento vertical comienza en 20 m / s en la capa de 0 a 6 km.
Todas las supercélulas producen condiciones climáticas adversas (granizo, ráfagas, tormentas de lluvia), pero solo el 30% o menos de ellas generan tornados, por lo que debe intentar distinguir las supercélulas generadoras de tornados de las más "tranquilas".
Para la formación de un poderoso mesociclón es necesario un cambio poderoso en la capa de 0-6 km (hodógrafa larga) y suficiente flotabilidad. La formación de una supercélula bajo la condición de una curvatura significativa de la hodógrafa en la capa de 0 a 2 km promueve el desarrollo de un tornado. Sin embargo, el desarrollo de un tornado depende de la estructura dinámica de la tormenta. Debe haber una fuerte corriente ascendente y rotación vertical para un fuerte desarrollo de mesociclones y tornados. El remolino horizontal causado por el cizallamiento vertical es decisivo en la formación del mesociclón.
Las supercélulas se clasifican generalmente en 3 tipos. Pero no todas las supercélulas corresponden claramente a una especie específica y, a menudo, pasan de una especie a otra en el curso de su evolución. Todos los tipos de células generan condiciones climáticas adversas.
Supercélula clásica: es decir, es la supercélula ideal, que contiene casi todos los elementos anteriores, tanto en el radar como en el visual. Los índices de inestabilidad para este tipo son: CAPE: 1500 - 3500 J / kg, Li de -4 a -10. Pero en la naturaleza, tales células son bastante raras; los otros dos tipos se observan con mayor frecuencia.
Supercélula tipo LP (baja precipitación). Esta clase de supercélulas tiene un área pequeña con poca precipitación (lluvia, granizo), separada de la corriente ascendente. Este tipo puede ser fácilmente identificable por los surcos de nubes esculpidos en la base de la corriente ascendente y, a veces, tiene la apariencia de tener "hambre" en comparación con la supercélula clásica. Esto se debe a que se forman a lo largo de los llamados. líneas secas (cuando se observa aire cálido y húmedo cerca de la superficie, que se acuña, como un frente frío, bajo aire más caliente y seco, ya que este último es menos denso), teniendo poca humedad disponible para su desarrollo, a pesar de una fuerte cizalladura del viento … Estas células suelen colapsar rápidamente sin cambiar a otros tipos. Por lo general, generan tornados débiles y granizo de menos de 1 pulgada de tamaño. Debido a la falta de fuertes lluvias,este tipo de celda tiene reflejos de radar débiles sin un eco de gancho claro, a pesar de que en ese momento se está observando un tornado. La actividad de tormenta de una celda de este tipo es significativamente menor en comparación con otros tipos, y los rayos son predominantemente dentro de las nubes (IC), y no entre las nubes y el suelo (CG). Estas supercélulas se forman en CAPE igual a 500 - 3500 J / kg y Li: -2 - (-8). Estas células se encuentran principalmente en los estados centrales de los Estados Unidos durante los meses de primavera y verano. También se han observado en Australia. Estas células se encuentran principalmente en los estados centrales de los Estados Unidos durante los meses de primavera y verano. También se han observado en Australia. Estas células se encuentran principalmente en los estados centrales de los Estados Unidos durante los meses de primavera y verano. También se han observado en Australia.
Tipo de supercélula HP (alta precipitación). Este tipo de supercélula tiene una precipitación mucho más alta que otros tipos, que pueden rodear completamente al mesociclón. Tal celda es especialmente peligrosa, ya que puede contener un poderoso tornado, que se oculta visualmente detrás de una pared de precipitación. Las supercélulas HP a menudo causan inundaciones y barras descendentes graves, pero es menos probable que formen granizo grande que otros tipos. Se observó que estas supercélulas generan más descargas de IC y CG que otros tipos. El índice CAPE para estas supercélulas es 2000 - 7000 J / kg o más, y Li debe estar por debajo de -6. Estas células se mueven con relativa lentitud.
Después de 4 años de búsquedas infructuosas, el fotógrafo Mike Olbinski encontró lo que estaba buscando. El 3 de junio, cerca de Booker, Texas, vio esa rara supercélula giratoria.
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