Connaissez-vous la définition d'une supercellule? Il m'a semblé que c'était quelque chose du domaine des mathématiques ou de la physique nucléaire. Peut-être qu'il existe une telle chose, mais nous allons maintenant parler de phénomènes naturels.
La cause de phénomènes tels que les orages, les fortes pluies et l'intensification des vents grinçants sont les cumulonimbus monocellulaires et multicellulaires, qui s'entassent assez souvent dans le ciel pendant la saison estivale. Une monocellule est un seul nuage cumulonimbus qui existe indépendamment des autres. Une multi-cellule est déjà un cluster (accumulation) de mono-cellules, qui sont unies par une enclume. Autrement dit, lorsqu'une cellule se désintègre, un autre noyau se trouve à proximité, ou la nucléation se produit simultanément. Ces complexes peuvent occuper une superficie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de milliers de km2.
Ces derniers sont appelés amas convectifs à méso-échelle (MCC). Ils sont capables de provoquer des grains puissants, de la grêle et de fortes pluies. Cependant, ils n'ont rien de spécial - juste une accumulation de puissants cumulonimbus. Mais il existe une formation atmosphérique qui produit des conditions météorologiques encore plus sévères, y compris une tornade et on l'appelle une supercellule. Leurs conditions de formation et leur structure sont fondamentalement différentes des nuages cumulonimbus ordinaires. Et cet article est juste à propos de ces objets étonnants, rares et passionnants de l'atmosphère.
Monocellules et multicellules
Pour commencer, considérons les processus de formation des monocellules conventionnelles. Par temps clair d'été, le soleil réchauffe la surface sous-jacente. En conséquence, la convection thermique se produit, ce qui conduit à l'émergence d '«embryons» d'un futur orage - cumulus plats (Cu hum.), Dont la hauteur ne dépasse pas 1 km. Ils sont généralement générés par des volumes d'air chauffé qui augmentent de manière chaotique - des thermiques sous forme de bulles. Dans ce cas, le nuage résultant durera un certain temps (des dizaines de minutes) et finira par se dissoudre sans passer à un autre stade de développement. Il en va différemment lorsque le thermique émergent ne prend pas la forme d'une bulle, mais d'un flux d'air continu. En même temps, dans les endroits d'où l'air est monté, une raréfaction se forme. Il est rempli d'air par les côtés. Au-dessus, au contraire, l'excès d'air a tendance à se répandre sur les côtés. À une certaine distance, le trafic aérien se ferme. En conséquence, une cellule convective est formée.
De plus, Cu hum. passe dans des cumulus moyens ou des cumulus puissants (Cu med., Cu cong.), dont la hauteur atteint déjà 4 km. Un nuage plat cumulus passera dans un nuage moyen, puis dans un nuage puissant, ou il terminera son évolution, restant au premier stade, ne dépendra que de l'état de l'atmosphère en un lieu et à un moment donnés. Les principaux facteurs contribuant à la croissance des nuages convectifs sont une forte baisse de température avec la hauteur de l'atmosphère de fond, ainsi que le dégagement de chaleur lors des transitions de phase d'humidité (condensation, congélation, sublimation), ce qui nécessite une teneur en vapeur d'eau suffisamment élevée dans l'air. Un facteur limitant est la présence de couches dans l'atmosphère dans lesquelles la température baisse légèrement avec la hauteur, jusqu'à isotherme (la température ne change pas avec la hauteur) ou l'inversion (réchauffement avec la hauteur). Dans des conditions favorables, Cu cong.se transforme en un cumulonimbus Cb, ce qui provoque des averses, des orages et de la grêle. Mais dans tous les cas, un nuage cumulonimbus apparaît initialement sous forme de Cu hum, et non spontanément.
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Une caractéristique distinctive de ce nuage est le sommet glacé, qui a atteint la couche d'inversion (la hauteur Cb est déterminée par le niveau de condensation et le niveau de convection - respectivement, les limites inférieures et supérieures du nuage. Sous les latitudes tropicales, la hauteur de ces nuages peut atteindre 20 km et traverser la tropopause). Elle s'appelle une enclume et est une couche de nuages de cirrus denses développés dans le plan horizontal. À ce moment, le cloud a atteint son maximum de développement. Dans le même temps, avec les ruisseaux ascendants dans les nuages, des ruisseaux descendants se forment à la suite des précipitations. La chute des précipitations refroidit l'air ambiant, il devient plus dense et commence à descendre à la surface (on observe ce processus sur terre comme une bourrasque) bloquant de plus en plus les courants ascendants, qui sont très nécessaires à l'existence du nuage. Et tout courant descendant a un effet néfaste sur la genèse des nuages.
Ainsi, un nuage qui est devenu le stade Cb signe immédiatement son propre arrêt de mort. Des études montrent que les courants descendants dans sa partie inférieure et dans la couche sous-nuageuse ont un effet particulièrement fort - sous le nuage, au sens figuré, la fondation est assommée. En conséquence, la dernière étape de l'existence de Cb commence - sa dissipation. A ce stade, seuls les courants descendants sont observés sous le nuage, remplaçant complètement les ascendants; les précipitations s'affaiblissent progressivement et s'arrêtent, le nuage devient moins dense, passant progressivement dans une couche de cirrus denses. C'est là que se termine son existence. Ainsi, le nuage passe par toutes les étapes d'évolution en une heure environ: le nuage se développe en 10 minutes, le stade de maturité dure environ 20 à 25 minutes et la dissipation se produit en 30 minutes environ.
Une monocellule est un nuage constitué d'une cellule convective, mais le plus souvent (dans environ 80% des cas) des cellules multiples sont observées - un groupe de cellules convectives à différents stades de développement, unies par une enclume. Pendant l'activité orageuse multicellulaire, les courants descendants d'air froid du nuage «parent» créent des courants ascendants qui forment les nuages orageux «filles». Cependant, il faut se rappeler que toutes les cellules ne peuvent jamais être simultanément au même stade de développement! La durée de vie des multi-cellules est beaucoup plus longue - de l'ordre de plusieurs heures.
Supercell. Concepts de base
Une supercellule est une monocellule convective très puissante. Le processus de sa formation et de sa structure est très différent des nuages cumulonimbus ordinaires. Par conséquent, ce phénomène est d'un grand intérêt pour les scientifiques. L'intérêt réside dans le fait qu'une monocellule ordinaire se transforme dans certaines conditions en une sorte de "monstre" qui peut exister pendant environ 4 à 5 heures pratiquement inchangé, étant quasi stationnaire et générer tous les phénomènes météorologiques dangereux. Le diamètre d'une supercellule peut atteindre 50 km ou plus et sa hauteur dépasse souvent 10 km. La vitesse ascendante à l'intérieur de la supercellule atteint 50 m / s et même plus. En conséquence, la grêle se forme souvent avec un diamètre de 10 cm ou plus. Ci-dessous, nous examinerons les conditions de formation, la dynamique et la structure de la supercellule.
Les principaux facteurs nécessaires à la formation d'une supercellule sont le cisaillement du vent (changement de la vitesse et de la direction du vent avec la hauteur dans la couche 0 à 6 km), la présence d'un courant-jet à de faibles niveaux et une forte instabilité de l'atmosphère en cas de «convection explosive». Au départ, le nuage a les caractéristiques d'une monocellule avec des flux ascendants directs d'air chaud et humide, mais ensuite à une certaine hauteur, on observe un cisaillement du vent et / ou un jet-stream, qui commence à faire tourner le flux ascendant et l'incline légèrement de l'axe vertical. Dans la première figure, une flèche mince rouge montre un cisaillement du vent (jet stream), une flèche large - un courant ascendant.
En raison de son contact avec le courant-jet, il commence à tourner dans un plan horizontal. Puis le courant ascendant, tournant en spirale, se transforme progressivement de l'horizontale au plus vertical. Ceci peut être vu dans la deuxième figure. Finalement, le courant ascendant prend un axe presque vertical. En même temps, la rotation se poursuit, et elle est si puissante qu'elle finit par percer l'enclume, formant un dôme au-dessus - une couronne imposante. L'apparence de ce dôme indique de puissants courants ascendants capables de percer la couche d'inversion. Cette colonne rotative est le «cœur» de la supercellule et s'appelle un mésocyclone. Son diamètre peut aller de 2 à 10 km. La couronne imposante indique juste la présence d'un mésocyclone.
La longue durée de vie et la stabilité de la supercellule sont associées aux éléments suivants. En raison du mésocyclone, les précipitations se produisent légèrement à l'écart du courant ascendant et, par conséquent, les courants descendants sont également observés sur le côté (principalement des deux côtés du mésocyclone). Dans ce cas, les deux flux (descendant et ascendant) coexistent - ils sont amis: en descendant, le premier déplace l'air chaud vers le haut et ne bloque pas son accès à la cellule, améliorant ainsi encore le flux ascendant. Et plus le courant ascendant est puissant, plus les précipitations sont fortes, ce qui provoque des courants descendants encore plus importants, qui poussent de plus en plus l'air de surface vers le haut. Et si la cellule est assimilée à une roue, il s'avère que la précipitation dans une telle situation, pour ainsi dire, fait tourner cette roue. C'est grâce à cela que la supercellule peut exister pendant de nombreuses heures,s'étendant pendant cette période de dizaines de kilomètres de largeur et de longueur, générant une forte grêle, de fortes pluies et souvent des tornades. A ce moment, 3 mini-fronts apparaissent à la surface de la terre: 2 froids dans la zone des courants descendants, et un chaud dans la zone des ascendants (voir Fig. 1). Autrement dit, un cyclone miniature apparaît, dont «l'embryon» est précisément le même mésocyclone.
Comme mentionné ci-dessus, les tornades surviennent non seulement dans les supercellules, mais également dans les cellules mono- et multi-cellules ordinaires. Cependant, il y a une différence majeure: dans une supercellule, des précipitations et des tornades sont observées simultanément, et dans des mono- et multi-cellules - d'abord une tornade, puis des précipitations, et dans la zone où la tornade a été observée. Ceci est dû à l'absence de déplacement évident dans l'espace de la partie "cristallogène" supérieure du nuage, et de la partie inférieure dans laquelle s'écoule l'air chaud. De plus, dans les supercellules, il y a généralement un courant-jet au-dessus de l'apex, qui transporte l'air déplacé loin du nuage, à la suite de quoi une enclume très allongée est observée (voir Fig.1), tandis que dans une cellule normale, l'air froid déplacé par le chaud, descend le long des bords et ainsi bloque en outre "puissance". Par conséquent, les tornades dans ces cellules sont de courte durée, faibles,et sont rarement à un stade supérieur à un nuage en entonnoir.
Il convient de noter que les supercellules sont à la fois grandes et petites, avec une couronne haute ou basse et peuvent se former n'importe où, mais principalement dans les États centraux des États-Unis - sur les grandes plaines. En Europe et en Russie, ils sont extrêmement rares et il n'y en a qu'un seul type - les supercellules HP. La classification sera discutée ci-dessous. Les supercellules sont toujours associées à un cisaillement du vent important et à des valeurs CAPE élevées - un indicateur d'instabilité. Pour les supercellules, la limite de cisaillement vertical commence à 20 m / s dans la couche 0-6 km.
Toutes les supercellules produisent des conditions météorologiques difficiles (grêle, grains, orages), mais seulement 30% ou moins d'entre elles génèrent des tornades, il faut donc essayer de distinguer les supercellules génératrices de tornades de celles plus «calmes».
Un déplacement puissant de la couche de 0 à 6 km (long hodographe) et une flottabilité suffisante sont nécessaires pour la formation d'un mésocyclone puissant. La formation d'une supercellule sous la condition d'une courbure importante de l'hodographe dans la couche 0–2 km favorise le développement d'une tornade. Cependant, le développement d'une tornade dépend de la structure dynamique de la tempête. Il doit y avoir un fort courant ascendant et une rotation verticale pour un fort développement de mésocyclone et de tornade. Le tourbillon horizontal provoqué par le cisaillement vertical est déterminant dans la formation du mésocyclone.
Les supercellules sont généralement classées en 3 types. Mais toutes les supercellules ne correspondent pas clairement à une espèce spécifique et passent souvent d'une espèce à une autre au cours de leur évolution. Tous les types de cellules génèrent des conditions météorologiques difficiles.
Supercellule classique - C'est-à-dire que c'est une supercellule idéale qui contient presque tous les éléments ci-dessus, à la fois sur le radar et sur le visuel. Les indices d'instabilité pour ce type sont: CAPE: 1500 - 3500 J / kg, Li de -4 à -10. Mais dans la nature, ces cellules sont assez rares; les deux autres types sont plus souvent observés.
Supercellule de type LP (Low Precipitation). Cette classe de supercellules a une petite zone avec de faibles précipitations (pluie, grêle), séparée du courant ascendant. Ce type peut être facilement identifiable par les rainures de nuages sculptées à la base du courant ascendant et a parfois l'apparence d'avoir "faim" par rapport à la supercellule classique. C'est parce qu'ils se forment le long du soi-disant. lignes sèches (lorsque de l'air chaud et humide est observé près de la surface, qui se coince, comme un front froid, sous un air plus chaud et plus sec, puisque ce dernier est moins dense), ayant peu d'humidité disponible pour son développement, malgré un fort cisaillement du vent … Ces cellules s'effondrent généralement rapidement sans se transformer en d'autres types. Ils génèrent généralement des tornades faibles et grêlent moins de 1 pouce. En raison du manque de fortes précipitations,ce type de cellule a de faibles réflexions radar sans un écho en crochet clair, même si une tornade est effectivement observée à ce moment-là. L'activité orageuse d'une telle cellule est significativement inférieure par rapport aux autres types, et la foudre est principalement intracloud (IC), et non entre les nuages et le sol (CG). Ces supercellules sont formées à CAPE égal à 500 - 3500 J / kg et Li: -2 - (-8). Ces cellules se trouvent principalement dans les États centraux des États-Unis au printemps et en été. Ils ont également été observés en Australie. Ces cellules se trouvent principalement dans les États centraux des États-Unis au printemps et en été. Ils ont également été observés en Australie. Ces cellules se trouvent principalement dans les États centraux des États-Unis au printemps et en été. Ils ont également été observés en Australie.
Type supercellulaire HP (High Precipitation). Ce type de supercellule a des précipitations beaucoup plus élevées que les autres types qui peuvent entourer complètement le mésocyclone. Une telle cellule est particulièrement dangereuse, car elle peut contenir une puissante tornade, qui est visuellement cachée derrière un mur de précipitations. Les supercellules HP provoquent souvent des inondations et des barres descendantes sévères, mais sont moins susceptibles de former une grosse grêle que les autres types. Il a été noté que ces supercellules génèrent plus de décharges IC et CG que les autres types. L'indice CAPE pour ces supercellules est de 2000 à 7000 J / kg ou plus, et Li devrait être inférieur à -6. Ces cellules se déplacent relativement lentement.
Après 4 ans de recherches infructueuses, le photographe Mike Olbinski a trouvé ce qu'il cherchait. Le 3 juin, près de Booker, au Texas, il a vu cette très rare supercellule rotative.
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