Μονοκυτταρικές καταιγίδες: Πώς δημιουργούνται και τι προκαλούν

Μονοκυτταρικές καταιγίδες: Πώς δημιουργούνται και τι προκαλούν

Η καταιγίδα, σαν γενικότερη έννοια, είναι ένα από τα πιο έντονα και βίαια ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Χαρακτηρίζεται από τις έντονες βροχές, το χαλάζι, τους ριπαίους ανέμους και τις ηλεκτρικές εκκενώσεις/κεραυνούς, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να συνοδεύεται και από σίφωνες/ανεμοστρόβιλους. Όλες οι καταιγίδες έχουν να κάνουν με την τεράστια, κατακόρυφη μεταφορά αέριων μαζών μέσα στο κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Kάτι τέτοιο είναι χαρακτηριστικό του σωρειτομελανία (cumulonimbus), του οποίου οι κορυφές μπορούν να φτάσουν σε τεράστια ύψη (άνω των 13km).

Οι καταιγίδες, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους, μπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες όπως:

  1. Mονοκυτταρική καταιγίδα (single cell thunderstorm)
  2. Πολυκυτταρική καταιγίδα (multicell thunderstorm)
  3. Υπερκυτταρική καταιγίδα (supercell thunderstorm)

Σε αυτό το άρθρο θα ασχοληθούμε με τις μονοκυτταρικές καταιγίδες. Πριν αναλυθούν τα στάδια μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας, πρέπει να αναλύσουμε το τί χρειάζεται για να έχουμε τη δημιουργία ενός σωρειτομελανία, καθώς και κάποια βασικά επίπεδα στην ατμόσφαιρα.

Για τη δημιουργία ενός σωρειτομελανία, χρειαζόμαστε τις πιο κάτω συνθήκες:

  1. Επικράτηση αστάθειας στην ατμόσφαιρα.
  2. Κάτι που θα επιτρέψει σε μία αέρια μάζα να ανυψωθεί (ένας μηχανισμός ανύψωσης δηλαδή), όπως είναι μία ορεινή περιοχή (ορογραφική ανύψωση), η διαφορική θέρμανση του εδάφους από την ακτινοβολία του ήλιου κυρίως κατά το καλοκαίρι ή ένα δυναμικό αίτιο (θερμό, ψυχρό, συνεσφιγμένο μέτωπο ή μία σκάφη).
  3. Να υπάρχει η απαιτούμενη σχετική υγρασία στην ατμόσφαιρα.

3 βασικά επίπεδα στην ατμόσφαιρα για την ανάπτυξη ενός σωρειτομελανία είναι:

  1. Το επίπεδο συμπύκνωσης (Lifting Condensation Level ή LCL): ορίζεται ως το ύψος στο οποίο μία ακόρεστη αέρια μάζα που ανέρχεται στην ατμόσφαιρα, καθίσταται κορεσμένη από υδρατμούς. Η θερμοκρασία της ακόρεστης αέριας μάζας μειώνεται βάσει της ξηρής αδιαβατικής θερμοβαθμίδας (Dry Adiabatic Lapse Rate = σταθερή τιμή οι 0.98 βαθμοί Κελσίου ανά 100 μέτρα) καθώς αυτή ανέρχεται στην ατμόσφαιρα, μέχρι η θερμοκρασία να γίνει ίση με το σημείο δρόσου (Dew Point). Μόλις φτάσουμε αυτό το σημείο, τότε έχουμε φτάσει στη στάθμη συμπύκνωσης και σε αυτό το επίπεδο θα έχουμε τη δημιουργία της βάσης του νέφους. Εν συνεχεία, η ίδια αέρια μάζα θα συνεχίσει να ανυψώνεται με την παρουσία ανυψωτικού αιτίου (πχ ένα βουνό), ακολουθώντας όμως την υγρή αδιαβατική θερμοβαθμίδα (Saturated Adiabatic Lapse Rate), η τιμή της οποίας είναι μικρότερη από την ξηρή και δεν είναι σταθερή (συνήθως κυμαίνεται από 0.5 – 0.9 βαθμούς Κελσίου ανά 100 μέτρα).
  2. Το επίπεδο ελεύθερης ανωμεταφοράς (Level of Free Convection ή LFC): ορίζεται ως το ύψος στο οποίο η αέρια μάζα φτάνει στην ίδια θερμοκρασία με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Πέραν αυτού του ύψους, η αέρια μάζα θα είναι θερμότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και άρα δεν θα χρειάζεται πλέον τη βοήθεια του ανυψωτικού αιτίου για να συνεχίσει την άνοδό της, αλλά θα ανυψώνεται ελεύθερα.
  3. Το επίπεδο ισορροπίας (Level of Neutral Buoyancy (LNB) ή Equilibrium Level (EL)): ορίζεται ως το ύψος στο οποίο η θερμοκρασία της αέριας μάζας φτάνει και πάλι στην ίδια θερμοκρασία με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και σταματάει να ανυψώνεται περαιτέρω. Το επίπεδο αυτό φτάνει μέχρι και την τροπόπαυση, με τα ανοδικά ρεύματα (updrafts) να σταματούν σε αυτό το σημείο. Το επίπεδο αυτό γίνεται εμφανές από το αμόνι που σχηματίζει ένα σύννεφο σωρειτομελανία στην κορυφή του.
Τα 3 βασικά επίπεδα της ατμόσφαιρας για την ανάπτυξη ενός σωρειτομελανία

Τα 3 στάδια για την ανάπτυξη και εξέλιξη μίας καταιγίδας θα επεξηγηθούν πιο κάτω, ξεκινώντας από το 1ο στάδιο.

  • Η φάση ανάπτυξης:

H πρώτη φάση αρχίζει όταν μία αέρια μάζα αναγκαστεί σε κατακόρυφη κίνηση σε μία περιοχή όπου υπάρχει έντονη αστάθεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, καθώς η αέρια μάζα ανεβαίνει, να παρατηρείται συμπύκνωση των υδρατμών της και αρχίζει ο νεφικός σχηματισμός τύπου σωρείτη (cumulus), με κύριο χαρακτηριστικό τα έντονα ανοδικά ρεύματα. Όπως προαναφέραμε, η δημιουργία της βάσης του νέφους γίνεται στο επίπεδο συμπύκνωσης (LCL). Αυτή η διαδικασία συμβαίνει συνήθως αργά το πρωί προς νωρίς το μεσημέρι/απόγευμα. Με την αύξηση του ύψους, η ταχύτητα του ανοδικού ρεύματος αυξάνει, η οποία μπορεί να φτάσει ή και να ξεπεράσει τα 20m/s στην κορυφή του νέφους. Λόγω της επιταχυνόμενης αυτής κίνησης, παρατηρείται έντονη ψύξη αλλά και ταυτόχρονη διείσδυση (entrainment) ξηρού και ψυχρού ατμοσφαιρικού αέρα από το περιβάλλον προς το εσωτερικό του νέφους. Η διαδικασία της διείσδυσης πολλές φορές οδηγεί στο σταματημό της κατακόρυφης ανάπτυξης του νέφους, για το λόγο ότι, καθώς η κατακόρυφη ανάπτυξη του σωρείτη συνεχίζει πέραν του επιπέδου συμπύκνωσης, η διείσδυση ξηρότερου αέρα προκαλεί εξάτμιση κάποιων υδροσταγόνων μέσα στο νέφος. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη διαδικασία είναι σημαντική, καθώς, όλως παραδόξως, ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία καταιγίδων. Αυτό συμβαίνει επειδή, καθώς οι αρχικοί σωρείτες «πεθαίνουν», παρατηρείται μία καταβύθιση ρευμάτων αέρα, η οποία ενθαρρύνει νέα σύννεφα να σχηματιστούν στην ίδια κατακόρυφη στήλη, όπως και το προηγούμενο νέφος. Οι νέοι σωρείτες που δημιουργούνται, «τρέφονται» από τους υδρατμούς των υδροσταγόνων που εξατμίστηκαν νωρίτερα και, παρόλο που η διαδικασία της διείσδυσης συνεχίζει να υφίσταται και στους νέους σωρείτες, αυτή τη φορά ο αέρας που διεισδύει, έχει μεγαλύτερη σχετική υγρασία σε σχέση με πριν. Αυτό αφήνει μικρότερα περιθώρια για εξάτμιση, με αποτέλεσμα το νέφος να συνεχίζει να αναπτύσσεται σε πυργοσωρείτη (towering cumulus ή cumulus congestus). Το τέλος της φάσης ανάπτυξης παρατηρείται περίπου 15-20 λεπτά μετά την έναρξή της.

Σχηματική παρουσίαση της φάσης ανάπτυξης μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας
Μονοκυτταρική καταιγίδα στο στάσιο ανάπτυξης από το Πραστιό Κελλακίου. Φωτογραφία από την ομάδα του Kitasweather.
  • Η φάση ωρίμανσης:

H φάση ωρίμανσης αρχίζει μόλις παρουσιαστεί βροχή στην επιφάνεια, κάτι που σημαίνει πως οι υδροσταγόνες έχουν μεγεθυνθεί αρκετά, με αποτέλεσμα το ανοδικό ρεύμα αέρα να μην μπορεί να τις κρατήσει εντός του νέφους. Επίσης, ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό της φάσης ωρίμανσης, είναι η εμφάνιση και συνύπαρξη ενός καθοδικού ρεύματος (downdraft) δίπλα από το ανοδικό ρεύμα. Το ανοδικό ρεύμα κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα σε αυτή τη φάση (φτάνοντας ή και ξεπερνώντας μέχρι και τα 30 m/s), ενώ η ταχύτητα του καθοδικού ρεύματος είναι πολύ μικρότερη και υπολογίζεται ότι είναι η μισή της ταχύτητας του ανοδικού ρεύματος. Εκτός από τις υδροσταγόνες, πέφτουν και παγοκρύσταλλοι χιονιού ταυτόχρονα, οι οποίοι προέρχονται από πιο ψυχρές περιοχές του νέφους. Λόγω όμως της υψηλής θερμοκρασίας που επικρατεί κοντά στο έδαφος, οι παγοκρύσταλλοι αυτοί δεν μπορούν να φτάσουν στην επιφάνεια και έτσι το καθοδικό ρεύμα φτάνει στην επιφάνεια σαν μία ψυχρή και υγρή αέρια μάζα, με τη μορφή ισχυρής και απότομης ριπής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το διασκορπισμό των βροχοσταγόνων κάτω από το νέφος με αρκετή σφοδρότητα, αλλά και την έντονη πτώση της θερμοκρασίας και της ατμοσφαιρικής πίεσης. Η περιοχή όπου συμβαίνουν τα παραπάνω, ονομάζεται ψυχρή λίμνη (cold pool). Να σημειώσουμε ότι τέτοιες ριπές, που έχουν να κάνουν με μονοκυτταρικές καταιγίδες, μπορούν σε ορισμένες περιπτώσεις να ευνοήσουν τη δημιουργία νέων καταιγίδων, εάν καταφέρουν να ανυψώσουν και πάλι μια αέρια μάζα στο επίπεδο ελεύθερης ανωμεταφοράς (LFC). Αυτό εξαρτάται από το βάθος και την ένταση της ψυχρής λίμνης, αλλά και από τη διαθέσιμη δυναμική ενέργεια για ανωμεταφορά (CAPE). Συνήθως όμως, οι ψυχρές λίμνες που παρατηρούνται λόγω των ριπών αυτών σε μονοκυτταρικές καταιγίδες, είναι αρκετά αδύναμες και αβαθείς για να καταφέρουν να δημιουργήσουν νέες καταιγίδες. Να σημειώσουμε επίσης ότι ο υετός που παρατηρείται, δεν πέφτει κατευθείαν κάτω στον πυρήνα του ανοδικού ρεύματος, αλλά μετακινείται λίγο οριζόντια, λόγω των ανέμων που επικρατούν σε υψηλότερα στρώματα. Κάποιες φορές, οι βροχοσταγόνες ίσως να συνοδεύονται και από μικρού διαμετρήματος χαλάζι (< 2cm).

Σχηματική παρουσίαση της φάσης ωρίμανσης μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας. Παρατηρούμε τη συνύπαρξη του ανοδικού και καθοδικού ρεύματος αέρα, καθώς και την περιοχή όπου σημειώνεται ο υετός (όπου παρατηρείται και η ψυχρή λίμνη) και η οποία έχει μετακινηθεί οριζοντίως, λόγω των ανέμων που πνέουν σε υψηλότερα στρώματα της τροπόσφαιρας.

Γενικότερα, η φάση ωρίμανσης μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας είναι και η φάση κατά την οποία η καταιγίδα είναι εντονότερη. Τα ανοδικά ρεύματα έχουν τις μεγαλύτερες τους ταχύτητες, παρατηρούνται πιο συχνά αστραπές/βροντές καθώς και πιο έντονη βροχή, η αντανακλαστικότητα σε μία εικόνα ραντάρ φτάνει στο μεγαλύτερο επίπεδό της, όπως και η κορυφή του νέφους (το επίπεδο ισορροπίας δηλαδή, για το οποίο κάναμε αναφορά πιο πάνω έχει επιτευχθεί). Όλα αυτά παρατηρούνται σε ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα (μέσα σε 30 λεπτά περίπου).

Σχηματική παρουσίαση μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας. Οι χρωματισμοί παρουσιάζουν την αντανακλαστικότητα που θα βλέπαμε από μία εικόνα ραντάρ.
Μονοκυτταρική καταιγίδα στην φάση ωρίμανσης στην Λευκωσία, όταν επηρεαζόμασταν από το σύστημα Γαία στις 5 Δεκεμβρίου 2018. Φωτογραφία από τον Ραφαήλ Μιχαηλίδη.
Μονοκυτταρική καταιγίδα στην φάση ωρίμανσης στην Λευκωσία, στις 29 Μαίου 2018. Φωτογραφία από τον Στέφανο Μιστρελλίδη.
Μονοκυτταρική καταιγίδα στην φάση ωρίμανσης στην Λευκωσία, στις 22 Νοεμβρίου 2018. Φωτογραφία από τον Γιώργο Παρασκευαίδη.
  • H φάση διάλυσης:

Τα ανοδικά ρεύματα εξασθενούν σε αυτή τη φάση, λόγω του ότι τα καθοδικά ρεύματα απλώνουν σε ολόκληρη την έκταση του νέφους και άρα επικρατούν έναντι των ανοδικών. Λόγω της εξασθένησης των ανοδικών ρευμάτων, η κορυφή του καταιγιδοφόρου νέφους αρχίζει και διαλύεται, αφού παρασύρεται από την κυκλοφορία της ανώτερης τροπόσφαιρας. Η βροχή που πέφτει εξασθενεί και εν συνεχεία σταματά, ενώ κάτω από το νέφος επικρατεί άπνοια και η ατμοσφαιρική πίεση αρχίζει να ξανανεβαίνει. Το νέφος αρχίζει και διαλύεται ή σπάει σε μικρότερα νέφη. Η ολική διάρκεια μιας μονοκυτταρικής καταιγίδας λοιπόν, βάσει και των προηγούμενων σταδίων ζωής της (από την ανάπτυξη μέχρι και την διάλυση), είναι γύρω στα 45 λεπτά.

Σχηματική παρουσίαση της φάσης διάλυσης μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας
Τα 3 στάδια ζωής μίας μονοκυτταρικής καταιγίδας
Μονοκυτταρική καταιγίδα στην φάση διάλυσης από το Πραστιό Κελλακίου, κοιτάζοντας προς δυτικά. Φωτογραφία από την ομάδα του Kitasweather.

Καταιγίδες τύπου Pulse (Pulse Storms):

Όπως αναφέραμε νωρίτερα, οι μονοκυτταρικές καταιγίδες έχουν διάρκεια ζωής περίπου γύρω στα 45 λεπτά. Σημαντικό ρόλο στο μικρό χρόνο ζωής αυτών των καταιγίδων, παίζει η αδύναμη κατακόρυφη διάτμηση ανέμου (vertical wind shear) από την επιφάνεια έως το ύψος των 6 χιλιομέτρων (μικρότερη των 20 κόμβων (knots)). Ένα περιβάλλον με αδύναμη κατακόρυφη διάτμηση ανέμου, από 0 – 6 χιλιόμετρα, συνήθως χαρακτηρίζεται από αδύναμους ανέμους στα χαμηλά και μεσαία επίπεδα της τροπόσφαιρας. Σε ένα τόσο αδύναμο περιβάλλον διάτμησης, η ψυχρή λίμνη μετακινείται σχετικά γρήγορα, μακριά από το σημείο στο οποίο παρατηρούνται τα καθοδικά ρεύματα, αποκόπτοντας τα ανοδικά. Παρόλα αυτά, υπάρχει ακόμα μία κατηγορία μονοκυτταρικών καταιγίδων, οι λεγόμενες καταιγίδες τύπου Pulse (Pulse Storms), oι οποίες μπορούν να είναι λίγο πιο έντονες από μία συνηθισμένη μονοκυτταρική καταιγίδα, με διάρκεια μικρότερη των 60 λεπτών περίπου. Συνήθως δημιουργούνται κατά τη διάρκεια ενός ζεστού και αυξημένης υγρασίας απογεύματος, όταν η κατακόρυφη διάτμηση ανέμου είναι αδύναμη (μικρότερη των 20 κόμβων περίπου) και όταν το CAPE είναι μεγάλο (μεγαλύτερο από 1000 J/Kg).

Όπως και σε μία συνηθισμένη μονοκυτταρική καταιγίδα, στις καταιγίδες τύπου Pulse δημιουργείται ένα ισχυρό ανοδικό ρεύμα αέρα, το οποίο ακολουθείται από το καθοδικό ρεύμα, μόνο που σε αυτή την περίπτωση τα καθοδικά ρεύματα τείνουν να είναι εντονότερα, κάτι που αυξάνει την πιθανότητα για πολύ ισχυρούς ανέμους που μπορούν να προκαλέσουν ζημιές. Χαλαζόπτωση είναι επίσης πιθανή σε αυτού του είδους καταιγίδα (με διάμετρο κυρίως μικρότερη από 2 cm). Επίσης, όταν οι καταιγίδες τύπου Pulse έχουν αργή κίνηση, ισχυρή βροχόπτωση και πλημμύρες μπορούν να προκληθούν (σε μικρό χρονικό διάστημα).

Οι καταιγίδες αυτές, όπως και με τις συνηθισμένες μονοκυτταρικές καταιγίδες, κινούνται βάσει του μέσου ανέμου που πνέει από τη βάση μέχρι την κορυφή του νέφους, ο οποίος ρυθμίζει ουσιαστικά και την κατεύθυνση αλλά και την ταχύτητα κίνησής τους.

Καταιγίδες τύπου Pulse σε εικόνα ραντάρ

Στην κεντρική εικόνα βλέπετε μία μονοκυτταρική καταιγίδα στην Λευκωσία, η οποία τραβήχτηκε από τον Χρήστο Μπελέση στις 19 Μαίου 2017.

Για συνεχή ενημέρωση, μπορείτε να κάνετε LIKE και FOLLOW στη σελίδα μας στο Facebook, καθώς και subscribe στην ιστοσελίδα μας και στο κανάλι μας στο You Tube για άμεση ενημέρωση για τον καιρό

*Το άρθρο αυτό περιέχει πληροφορίες και εικόνες από το Penn State University της Αμερικής καθώς και από το βιβλίο “Στοιχεία Γενικής Μετεωρολογίας”.