На следующем интересном видео:
https://m.vk.com/video-21245447_456246932показано несколько крупных гроз США (суперячеек), как они выглядят из космоса.
При просмотре возникает стойкое ощущение, что суперячейка - это какой-то прорыв. Ясно видно, как поток воздуха очень интенсивно вытекает с приземных слоев атмосферы в стратосферу через "дырку". Как-будто тепловая энергия может накапливаться в атмосфере в значительном количестве на большой площади без нарушения ее стабильности, а затем где-то происходит прокол, и стабильность именно в этом месте резко нарушается. И сюда стягивается воздух с большой площади.
Почему обычно атмосфера перемешивается потихоньку более-менее равномерно по всей поверхности, но иногда в ней возникают такие мощные непрерывные потоки? Является ли вообще суперячейка именно конвективной ячейкой в том смысле, что один и тот же воздух прокручивается в ней несколько раз? Или же это скорее нестационарное, переходное явление, которое существует только пока конечный запас чего-то куда-то перетекает?
Если взять случай конвекции Рэлея-Бенара между твердыми дном и потолком, то там существует минимальный градиент температуры (определяемый критическим числом Рэлея), до которого в жидкости еще нет конвекции, хотя она у дна горячее, чем у потолка. Условия начала конвекции могут быть вычислены достаточно точно, а условия прекращения конвекции, видимо, нет. Поэтому можно, вероятно, представить ситуацию, когда в спокойном сухом воздухе достигается критический градиент температуры и начинается конвекция, которая заканчивается только после охлаждения поверхности земли до более низкой температуры, чем была у нее в начале конвекции. Этот цикл может повторяться снова и снова. Но в любом случае этот механизм вряд ли существенен именно для образования суперячейки и скорее определяет условия начала с утра самой обычной дневной конвекции атмосферы (термики), т.к. критическое число Рэлея зависит от таких параметров среды, как вязкость и теплопроводность, а устойчивость воздушной массы определяется адиабатным нагревом/охлаждением воздуха, когда теплопроводностью как раз пренебрегают.
Если рассмотреть толщу сухой атмосферы, то критическое условие локальной устойчивости - это сухоадиабатический градиент температуры по высоте в каждой точке. Максимум тепловой энергии, которую может запасти сухая атмосфера без потери устойчивости в каждой точке, определяется этим профилем температуры по высоте. Но не похоже, чтобы такая атмосфера была способна на такую взрывную конвекцию, как в суперячейке.
Если же рассмотреть влажный воздух, то условием его локальной устойчивости является сухоадиабатический градиент, если он не насыщен, и влажноадиабатический - если насыщен. Можно представить себе влажную толщу атмосферы с сухоадиабатическим профилем температуры, в которой относительная влажность воздуха близка к 100% по всей высоте. Если воздух в такой атмосфере слегка поднимется, охладится и достигнет насыщения, то мы получаем атмосферу, в которой внезапно скачком изменилось условие устойчивости и она оказалась далека от стабильности. Видимо, это и приводит к тому, что наблюдается в суперячейке.
Т.е. можно сказать, что как минимум одно из условий готовности атмосферы к взрывной конвекции - это почти 100% влажная атмосфера на значительной протяженности по высоте, температурный профиль которой близок к сухоадиабатическому?
литр.