Nastanek in razvoj nevihtnega oblaka kumulonimbusa

Do nastanka nevihtnega oblaka kumulonimbusa pride zaradi velikega temperaturnega gradienta med spodnjimi in zgornjimi plasti ozračja. V tem primeru govorimo o labilnem ozračju. To se posebej pogosto zgodi v topli polovici leta pred hladno fronto, ob njej in po njenem prehodu, lahko pa tudi ob anticiklonalnem vremenu zaradi močnega dnevnega pregrevanja spodnjih plasti ozračja. Pri tem se ogreti deli zraka pri tleh zaradi različnih vzrokov začnejo dvigati nad hladnejši zrak, ob dviganju se razpenjajo in zaradi porabljene energije pri tem ohlajajo po nenasičeni adiabati (0,98 °C /100 m višinske razlike). V primeru dovolj velike pregretosti in vlažnosti teh delov zraka se bodo le ti lahko dvignili dovolj visoko, da se bo temperatura dvigajočega se zraka spustila do temperature rosišča. Na višini, kjer se to zgodi, se nahaja baza oblaka. Ta višina je definirana kot LCL. To je angleška kratica za »lifted condensation level«, kar pomeni dvignjena raven kondenzacije oz. višina kondenzacijskega nivoja. Na tej višini relativna vlažnost dvigajočega se zraka doseže 100 % (nasičenost). Če je temperatura dvigajočega se zraka višja od okoliškega zraka se bo dviganje nadaljevalo. Pri kondenzaciji se sprošča toplota, ki ogreje okoliški zrak. Zaradi tega se pri dvigovanju nasičenega zraka v oblaku temperatura spreminja počasneje kot pri dvigu nenasičenega zraka pod oblačno bazo.

Pokazatelj nestabilnosti ozračja, ki je povezan s sproščanjem toplote pri kondenzaciji, je LFC. To je angleška kratica za nivo proste konvekcije (ang. level of free convection). Predstavlja višino v atmosferi, kjer temperatura nasičenega dvigajočega se dela zraka postane višja od temperature v okolici, oziroma temperatura okolice pada hitreje od padanja temperature nasičene adiabate, potem ko ta prečka linijo kondenzacijskega nivoja (LCL). Od tam naprej se delec zraka dviguje in ohlaja po nasičeni adiabati – oblak raste v višino, dokler se temperatura tega dela zraka ne uravnovesi s temperaturo zračne mase, ko vzgon preneha delovati. Višino pri kateri se to zgodi imenujemo ravnovesna raven (ang. equilibrium level – EL). EL pri nevihtnem oblaku je pogosto na višini tropopavze, ki se v tropskih območjih začne nekje pri 20 km, v polarnih pa pri 7 km nadmorske višine.

Karta z napovedjo lifted indexa (vir: http://www.modellzentrale.de/ )

V tropopavzi temperatura z višino ne pada več, zrak pa je precej suh in tako preprečuje nadaljnjo rast oblaka v višino. Dokler je temperatura dvigajočega se zraka višja od okolice, se bo dviganje nadaljevalo, ko pa dvigajoči zrak pride v bližino tropopavze, se temperatura izenači in tam se zrak radialno razteče v obliki nakovala. Pri nakovalu tako izginejo ostri robovi oblaka, ki ga sedaj sestavljajo ledeni kristalčki ali ledene iglice. Zato ima nakovalo vlaknasto obliko strukture. Takšnemu že razvitemu nevihtnemu oblaku z nakovalom rečemo »Cumulonimbus Capillatus«. Dobro razvit ali pa že razpadajoč Cumulonimbus Capillatus lahko prav zaradi vlaknaste oblike nakovala od daleč zgleda kot običajna visoka oblačnost. Pri močnih in dolgoživih superceličnih nevihtah (več o njih kasneje) je včasih vzgornik tako močan, da začne prebijati ravnovesno raven ali tropopavzo, pod katero se je že razlezel v nakovalo. Na vrhu, nad območjem vzgornika pri tem v tropopavzo (nad nivojem nakovala) s strukturo v obliki kupole ali cvetače vdira t.i. presegajoči vrh (ang. overshooting top). Dokler je vzgornik dovolj močan, se ta lahko nekaj časa obnavlja, in sicer v smeri gibanja nevihte. Pri supercelicah se presegajoči vrh premika v smeri njenega gibanja tako, da se spredaj prevrača navzdol (nazaj v nakovalo), saj nad njim ni več najmočnejšega vzgornika, zadaj pa nastaja oz. se dviga nov presegajoči vrh. Stalne presegajoče vrhove imajo večinoma supercelice, če pa presegajoči vrh popolnoma izgine in se zopet pojavi v določenih ciklih, je to pokazatelj pulznosti nevihte, kar pomeni, da nevihta ni tako močna in verjetno prebija nižjo ravnovesno raven kot je tropopavza.

Včasih se lahko v tropopavzo prodirajoče stolpe zraka opazi tudi na vidni satelitski sliki, kar je značilno v primerih, ko je sonce že dokaj nizko in je slika dovolj kontrastna. Na sliki: supercelica z mogočnim nakovalom in presegajočim vrhom nad njim v severni Italiji. (vir: sat24.com)

Velikost nakovala pri nevihtnem oblaku je odvisna od njenega trajanja in moči vzgornika. Če je v višinah prisoten močan veter, se lahko nakovalo razvleče precej daleč proč od samega jedra nevihte. Pri supercelicah lahko pod nakovalom nastanejo tudi t.i. »Mammatus clouds«, ki se razvijejo zaradi turbulence zraka v nakovalu (ta se vrtinči v smeri stran od glavnega stebra vzgornika in navzdol) ter zaradi mešanja z bolj hladnim in suhim zrakom. Točnega vzroka in mehanizma pri razvoju mammatusov še niso ugotovili. Domnevajo, da je vzrok za njihov nastanek v razliki med temperaturo v oblaku in temperaturo v okolici. Ko se zrak iz nakovala spušča, se nakovalo v notranji plasti destabilizira in tako se pojavi konvekcijsko »prevračanje« pri katerem se pojavijo vozličasti oblaki. Obstaja več različnih vrst mammatusov in podobnih oblakov, kot so na primer »členki« (ang. knuckles).