Dejavniki, ki vplivajo na nastanek in jakost neviht

Najpomembnejša dejavnika, ki pomembno vplivata pri nastanku neviht in njihovi jakosti ter trajanju sta nestabilnost (labilnost) ozračja in vetrovno striženje. Stopnjo labilnosti ozračja in vetrovnega striženja lahko določimo s pomočjo več kazalcev oz. parametrov.

Nestabilnost ozračja – indeks dviganja (Lifted index)

Ozračju, pri katerem se temperatura v okoliškem zraku z višino spreminja hitreje kot temperatura v dvigajočem se zraku, pravimo labilno ozračje. Tako pride topel zrak, v katerem je več vlage in je zato njegova gostota večja, v območje hladnejšega zraka, ki ima manjšo gostoto, in nižjega zračnega tlaka. Večja kot je temperaturna razlika med delom dvigajočega se zraka in zraka v okolici, večja je labilnost ozračja in hitreje se topel zrak, ki je lažji, dviguje. Ta temperaturna razlika se prikazuje kot indeks dviganja (ang. lifted index) in je znak za stabilnost oz. nestabilnost ozračja. Pozitivna vrednost indeksa pomeni stabilno ozračje, negativna pa nestabilno (labilno) ozračje. Večja je temperaturna razlika med dvigajočim se zrakom in zrakom okolice, večji je potencial za močnejše nevihte.

CAPE

CAPE je angleška kratica za “convective available potential energy”, kar pomeni razpoložljiva konvektivna potencialna energija. Predstavlja maksimalno količino energije, ki bi jo dobil dvigajoči se delec zraka, če bi se dvignil za določeno razdaljo navpično skozi atmosfero. Delec zraka to energijo dobi z vzgonom v tistem delu ozračja, kjer je dvigajoči se zrak toplejši od okolice. CAPE je tako eden glavnih pokazateljev atmosferske nestabilnosti in je zelo pomemben pri napovedovanju neviht. Pove nam, koliko energije bi se lahko sprostilo pri nastanku ploh in neviht (se pa dejansko sprosti nekoliko manj energije). Meri oziroma računa se v Joulih na kilogram zraka (J/kg). Vsaka vrednost, večja od 0 J/kg kaže na nestabilnost ozračja in možnost ploh ali neviht. Večji kot je CAPE, več energije se lahko sprosti ob nevihtah in močnejša so lahko neurja. Vrednosti, ki omogočijo razvoj zmernih neviht so <1000 J/kg, ko pa CAPE preseže 2000 J/kg, pa obstaja nevarnost hujših neurij. V ekstremnih primerih, pri nastanku močnih supercelic in tornadov pa CAPE lahko preseže vrednost 5000 J/kg. Splošna vrednost razpoložljive konvektivne potencialne energije se izračuna z vključevanjem lokalnega vertikalnega vzgona dela dvigajočega se zraka od nivoja proste konvekcije (LFC) do ravnovesne ravni (EL).

CAPE je pozitiven nad območjem LFC-ja, kjer je temperatura dvigajočega se zraka ves čas višja od temperature okolice, lahko pa se pojavi tudi pod LFC-jem.

Karta z napovedjo CAPE in lifted indeksa

CIN

Komponenta, ki lahko pripomore k razvoju močnejših neviht ali supercelic je tudi CIN, angleška kratica za »convective inhibition«, kar pomeni zadrževanje oz. zaviranje konvekcije. CIN predstavlja energijo, ki bo preprečevala dviganje zraka od tal do LFC-ja in je ravno nasprotna kot CAPE. CIN se pojavi v inverzni plasti oz. predstavlja moč inverzne (zaporne) plasti v ozračju. To pomeni, da je tam plast toplejšega zraka nad hladnejšim, kar ustvarja stabilnost v tistem delu ozračja. CIN je enak količini energije, ki je potrebna, da bo vzgon dvignil plast hladnejšega zraka, ki se zadržuje pod plastjo toplejšega. Lahko bi rekli, da je to negativen vzgon. Značilno je, da je območje z visokim zaviranjem konvekcije stabilno in ima majhno verjetnost za nastanek neviht. CIN torej zavira vzgornik, ki je potreben pri nastajanju neviht. Vendar pa se ponavadi zaviranje konvekcije zmanjšuje s segrevanjem in vlaženjem zraka pri tleh pred nastankom neviht, zato so lahko te ob drugih ugodnih pogojih močnejše. Zaporno plast si lahko predstavljamo tudi kot pokrovko, pod katero se nabira in segreva vlažen zrak. Ko se pokrovka dovolj stanjša ali popusti, se lahko pojavi intenzivna konvekcija in hiter razvoj močnih neviht. Ravno pravšnja prisotnost zaviranja konvekcije omogoča razvoj le zares močnim vzgornikom, ki prebijejo inverzno plast. Tako se potencialna energija v ozračju porabi za manjše število neviht, ki pa so zato močnejše.

Striženje vetra

Za življenjsko dobo in intenzivnost neviht je poleg nestabilnosti ozračja zelo pomembno tudi striženje vetra z višino. Pomembno je zlasti striženje vetra v spodnji plasti troposfere (do okoli 5 km višine). Če je smer vetra v višinah enaka kot pri tleh ali pa če je v višinah brezvetrje, bosta rast in razvoj nevihtnega oblaka časovno omejena. Pri tem steber vzgornika raste naravnost navzgor, in ko oblačne kapljice postanejo dovolj velike, da je njihova hitrost padanja večja od vzgornika, začnejo padati skozi območje vzgornika in v njem izhlapevajo. Zrak v vzgorniku se zaradi izhlapevanja vodnih kapljic ohlaja, s tem pa se zmanjša sila vzgona, zaradi česar se dotok tople in vlažne zračne mase v nevihtni oblak sčasoma prekine. Ohlajen zrak je namreč gostejši od okoliškega zraka, zato začne skupaj s padavinami potovati proti tlom in preprečuje vzgorniku, da bi v nevihto še naprej dovajal topel in vlažen zrak. Tako se rast oblaka hitro zaustavi in lahko bi rekli, da nevihtni oblak »zaduši« samega sebe oz. svoj vzgornik. Celoten proces takšne običajne nevihte, ki ji pravimo enocelična nevihta, traja približno 1 uro ali še manj. Če je sprememba smeri in/ali hitrosti vetra z višino prisotna, vendar še zmeraj razmeroma šibka, lahko nastanejo večcelične (ali multicelične) nevihte. Pri tem vzdolnik, ki pada proti tlom, s spodrivanjem toplega zraka pri tleh ustvari nov vzgornik, iz katerega se razvije nova nevihtna celica. Ta proces se lahko večkrat ponovi in razvije se lahko obnavljajoč nevihtni sistem.

Pri velikem vetrovnem strigu se hitrost in smer vetra z višino občutneje spreminja in tako ima nevihtni oblak nagnjen steber vzgornika. Ob takšnih pogojih območji dviganja in spuščanja zraka v nevihtnem oblaku pogosto ne sovpadata. Tako ima kumulonimbus daljšo življenjsko dobo in se pogosto razvije v supercelično nevihto. Vzgornik v nevihto vedno znova dovaja topel in vlažen zrak, zato se takšna supercelica sama obnavlja, dvigajoči se zrak pa lahko doseže hitrosti več kot 150 km/h. Takšne nevihte lahko ustvarjajo intenzivne nalive, debelo točo, močan veter (nevihtni piš) in tudi tornade.

Na nastanek neviht pomembno vpliva tudi razmerje med razpoložljivo potencialno energijo (CAPE) in striženjem vetra. To razmerje se imenuje BRN, kar je angleška kratica za konvektivno Richardsonovo število. Premočno striženje vetra ob manjši zalogi energije v ozračju pogosto zaduši oz. raztrga razvijajočo nevihtno celico. Dolgotrajne nevihte so ob drugih dobrih pogojih možne pri vrednostih BRN pod 50.

Striženje vetra se lahko z dvigovanjem zraka pretvori v vrtenje vzgornika. To je bistvenega pomena pri nastanku močnih neviht – supercelic. Indeks, ki meri učinkovitost pretvorbe striženja vetra v vrtenje se imenuje SRH, kar je angleška kratica za storm relative helicity, kar v slovenščini pomeni relativna vijačnost oz. heličnost. Izračunava se na podlagi hitrosti in smeri vetra v različnih plasteh ozračja ter hitrosti in smeri gibanja celice. Ameriški prag za nastanek supercelične nevihte znaša okrog 150 m^2/s^2.

Dotok toplega in vlažnega zraka v nevihtni oblak

K dolgoživosti nevihte bistveno pripomore tudi dotok toplega in vlažnega zraka v nevihtni oblak. Dotok ugotavljamo tako, da primerjamo smeri in hitrosti gibanja nevihte ter smer in hitrost vetra v plasteh ozračja pod bazo oblaka. V primeru približno enakih hitrosti govorimo o šibkem dotoku toplega in vlažnega zraka v nevihtno celico. Šibak dotok pa je lahko vzrok za odmiranje celice.

Kako določiti LCL, LFC, EL, CIN in CAPE s pomočjo emagrama?

Emagram je termodinamični diagram, ki se uporablja za prikaz poteka temperature, temperature rosišča, smeri in hitrosti vetra z višino. Ima topokotni koordinatni sistem. Pri emagramu se na vertikalni osi označi naravni logaritem zračnega pritiska – ln(p), pod kotom 135 stopinj na to raven pa linije z enakimi temperaturami (izoterme). Poleg tega na emagramu nastopajo še tri krivulje: suha adiabata, nasičena adiabata in izograma. Smer in hitrost vetra se vnaša točkovno za določene višine na robu papirja z običajnimi vetrovnimi simboli (zastavicami).

Iz emagrama lahko določimo LCL, LFC, EL, CIN in CAPE. Iz točke, ki prikazuje temperaturo zraka v najnižji plasti potegnemo suho adiabato, iz točke rosišča pa izogramo. Tam, kjer adiabata seka izogramo dobimo točko rosišča dvigajočega dela zraka. Na tej višini se nahaja LCL. Od tu navzgor se temperatura dvigajočega dela zraka spreminja po nasičeni adiabati, zato od te točke potegnemo nasičeno adiabato. Na neki točki postane temperatura dvigajočega delca zraka višja od temperature okolice. Ta višina predstavlja nivo proste konvekcije (LFC). Od tu naprej obstaja potencial za sproščanje energije, ki ga imenujemo CAPE. Delec zraka se bo od nivoja proste konvekcije navzgor prosto dvigal vse do EL – ravnovesne ravni, kjer se temperaturi okolice in dvigajočega zraka zopet izenačita.

Skew-T diagram s prikazom LCL, LFC in EL. Črna krivulja prikazuje potencialno pot (spreminjanje temperature) delca zraka, ki se dviga od tal. Površina med med črno in rdečo krivuljo, ki leži levo od črne krivulje, predstavlja CAPE, tista, ki leži desno od črne krivulje, pa CIN. Vir: http://wx4cast.blogspot.com

Avtor prispevka: Neurje.si, Rok Nosan