Popularna meteorologija
Sve što ste oduvijek željeli znati o superćelijama ali niste znali koga pitati
Članak se temelji na seminaru što sam ga održao u sklopu kolegija Mezoskalna meteorologija (Prof. Branko Grisogono) na doktorskom studiju na PMF-u u Zagrebu.
Naslovna fotografija: Mirna Kožar
Ilustracije preuzete iz: Klemp, Joseph B. „Dynamics of Tornadic Thunderstorm“ i Orf, Leigh et al. „Evolution of a Long-track Tornado Within a Simulated Supercell“
Superćelija – pojam je koji je kod nas, van meteoroloških krugova, do nedavno bio gotovo nepoznat. Međutim, nekoliko superćelijskih oluja koje su u srpnju 2023. godine poharale dobar dio kontinentalne Hrvatske pobudilo je interes za ove, kod nas rijetke pojave.
Olujni su oblaci vrlo složeni sustavi u kojima se odvijaju različiti fizikalni procesi koji ih čine tako moćnima. Neki od tih procesa su nam poznati, za neke, pak, postoji više teorija – svaka sa svojim dobrim i lošim stranama. Neke je procese vrlo teško ili gotovo nemoguće „dočarati“ bez komplicirane matematike. Albert Einstein jednom je izjavio da svaka jednadžba u tekstu prepolovi broj čitatelja te sam ih ja u ovom tekstu pretočio u „svakodnevni“ govor. Drugim riječima, u ovome članku nećete naći niti jednu jedinu jednadžbu, no za neka ćete objašnjenja morati žestoko napregnuti moždane vijuge. Znanost nikada nije bila laka, ali je zbog toga uzbudljiva.
Što je to superćelija?
Superćelija je vrlo razvijen oblik olujnog oblaka kumulonimbusa kod kojeg je došlo do razvoja rotacije cijelog sustava. Kao posljedica te rotacije, vrlo često dolazi do pojave tornada. Neovisno o pojavi tornada, uz superćeliju su vezani olujni, nerijetko i orkanski vjetrovi te tuča velikih zrna, veličine oraha ili čak i teniskih loptica.
Problem s proučavanjem ovih jakih grmljavinskih oluja i razvojem teorija koje bi objasnile mehanizme koji upravljaju važnim fizikalnim procesima u njima, je otežano skupljanje podataka. Naime, ne možete samo tako „ušetati“ s mjernim instrumentima u superćeliju i izmjeriti ono što vas zanima.
Neki od fizikalnih procesa kao što su razvoj rotacije, razdvajanje oluje, širenje oluje, preferencijalno jačanje ciklonalno rotirajućih oluja koje se kreću udesno u odnosu na osnovni vjetar, i jačanje rotacije na malim visinama kako oluja ulazi u svoju tornadnu fazu, već su dobro objašnjeni, dok su drugi još uvijek predmet debata.
Razvoj finih Dopplerovih radara te superračunala i sofisticiranih numeričkih modela omogućuje nam da ipak zavirimo u unutrašnjost tih moćnih atmosferskih tvorevina – superćelija!
Browningov konceptualni model superćelijske oluje
Veličanstvenost ljudskog uma se očituje u mogućnosti intuitivnog pojednostavljenja stvarnosti. Keith A. Browning davne 1964. daje konceptualni model superćelijske oluje ogoljen „do kosti“.
Sl 1 Browingov konceptualni model superćelijske oluje
Browningov model uključuje dvije osnovne struje zraka: prizemnu uzdižuću i silaznu na srednjim visinama. One se međusobno isprepliću tvoreći neku vrstu toplinskog stroja koji toplinsku energiju pretvara u mehaničku.
Pojava i razvoj rotacije superćelije
Jedan od najvažnijih elementa u životu i razvoju olujnog oblaka, a time i supećelije, je smicanje okolišnog vjetra, vjetra koji puše na području gdje se oluja nalazi. U prijevodu, bitno je da taj vjetar s visinom mijenja smjer. Ili ga barem jednom promijeni - tada govorimo o „jednosmjernom“ smicanju – na primjer, u prizemlju puše južni vjetar koji na nekoj visini, na kilometar, dva ili tri, promijeni smjer u sjeverni. Općenitiji je slučaj „rotacijskog“ smicanja, kada s visinom vektor smjera zakreće satno ili protusatno.
Jedna od posljedica smicanja vjetra je postojanje njegove horizontalne rotacije. (Sl 2)
Sl 2 Pojava vertikalne vrtložnosti u olujnom oblaku
Inicijalna termika - dizanje toplog i specifično lakšeg zraka, unutar oblaka naginje horizontalnu rotaciju okolišnog vjetra u vertikalnu. U takvom okruženju, jako uzlazno strujanje uvijek pokazuje značajnu rotaciju oko vertikalne osi, obično u obliku suprotno rotirajućih vrtloga kao što je prikazano na Sl 2. (Klemp 1987)
Razdvajanje supećelije
U jednom trenutku kapljice vode unutar oblaka postaju dovoljno teške te počinju padati. Dok padaju, dolazi do njihova ishlapljivanja koje troši toplinu iz zraka. Time se taj dio zraka u oblaku hladi i postaje specifično teži. Ohlađen i time otežan zrak jurne prema tlu. Ako nema smicanja okolišnog vjetra, jednoliko se razlijeva po tlu blokirajući dovod toplog i vlažnog zraka čime brzo gasi konvekciju.
Postojanje smicanja okolišnog vjetra zaustavlja razlijevanje u smjeru dotoka toplog zraka, čime produljuje život oluje.
Međutim, ta silazna struja savija vrtložne „cijevi“ stvarajući dva vrtložna para čime počinje razdvajanje oluje (Sl 3).
Sl 3 Razdvajanje superćelije u okruženju jednosmjernog smicanja osnovnog vjetra.
Ukoliko je smicanje okolišnog vjetra jednosmjerno, nastaju dva zrcalno simetrična „blizanca“ koji se razmiču nastavljajući svoje zasebne živote, prikazano na slici 3b. U slučaju da smicanje okolišnog vjetra ima anticiklonalnu, satnu rotaciju, superćelija koja ima ciklonalnu rotaciju će jačati dok će ona s anticiklonalnom vrlo brzo slabiti i nestati. U slučajevima vrlo intenzivnih uzlaznih strujanja, anticiklonalna superćelija se možda neće niti formirati.
Rotacija unutar superćelije uzrokuje jači pad tlaka zraka na srednjim visinama, što ima za posljedicu stvaranja efekta „usisivača“ koji usisava topli zrak ispred oluje. Time termika, kao inicijalni „motor“, postaje nepotrebna. Superćelija sada ima vlastiti mehanizam za opskrbu „gorivom“ – toplim i vlažnim zrakom. Ovakvo kvazistabilno stanje može trajati satima, a oluja putovati stotinama kilometara. Postala je nezavisna atmosferska tvorevina kojoj je jedino bitno da ispred sebe ima dovoljno toplog i vlažnog zraka kojeg će sama usisati u sebe.
Transverzalno gibanje oluje u odnosu na okolišni vjetar
Uočeno je da se ciklonalno rotirajuće superćelije uvijek gibaju udesno od okolišnog vjetra. Mehanizam koji uzrokuje takvo transverzalno širenje superćelijskih oluja godinama je ostao neriješen. Istraživači su predložili razne teorije koje koriste raznolik spektar fizikalnih procesa. Jedna od prvih, ali i brzo odbačenih teorija je analogija s opstrujavanjem prepreke koristeći takozvani Magnusov efekt. Druga teorija, koju su predložili Rotunno i Klemp, objašnjava širenje oluje bočno u odnosu na smicanje okolišnog vjetra dinamički induciranom snažnom rotacijom koja se stvara na srednjim visinama. Treća, vrlo intrigantna teorija, koju su razvili Lindzen (1974) i Raymond (1975) sugerira da je kretanje konvektivnih oluja kontrolirano širenjem težinskih valova (gravity waves – eng.), potaknutih vlažnom konvekcijom. Četvrtu je teoriju dao Lilly 1986. koristeći veličinu zvanu „spiralnost“, helicitet – eng.
Sve te četiri teorije, posebice ove zadnje tri, gotovo je nemoguće objasniti bez korištenja vrlo složene matematike i fizike. Uglavnom, niti jedna od njih nije dobila „zeleno“ svjetlo dok je prva posve odbačena, a teorija s težinskim valovima po svemu sudeći nije kandidat za objašnjenje transverzalnog širenja oluja.
Prijelaz superćelije u tornadnu fazu
Burgess (1976.) je utvrdio da su 23, ili 62 % od 37 proučavanih oluja koje su imale snažnu rotaciju razvilo tornada, dok se nijedan nije pojavio u olujama koje nisu rotirale.
Lemon i Doswell (1979) daju odličan opis značajki oluje koje su dosljedno uočljive tijekom ove tranzicije. One uključuju brzo povećanje rotacije na malim visinama, smanjenje intenziteta uzlaznog strujanja, malo silazno strujanje koje se formira iza uzlaznog, i strujanje na maloj visini u kojem se hladni izlazni i topli uzlazni zrak vrte oko središta cirkulacije.
Sl 4 Shematski tlocrt tornadne oluje blizu površine
Zbog jačanja silaznog strujanje (označeno s RFD na Sl 4) u blizini uzlaznog strujanja, silazni tok napreduje ciklonalno oko središta rotacije (označenog sa sjevernim T). Na tom će mjestu vjerojatno doći do stvaranja tornada. Kako se ovaj odljev gura u putanju nadolazećeg vlažnog zraka, novo uzlazno strujanje i središte rotacije također mogu razviti tornadni intenzitet (južni T). U isto vrijeme širenje silaznog odljeva prekida dovod toplog i vlažnog zraka u izvorno središte cirkulacije (zvano okluzija) uzrokujući slabljenje izvornog uzlaznog strujanja. Iako superćelijska oluja u gotovo stabilnoj konfiguraciji može trajati i nekoliko sati, prijelaz u tornadnu fazu prikazanu na Sl 4 može se dogoditi u manje od 10 minuta.
Sl 5 Shematski prikaz strukture toka unutar numerički simulirane supećelije koja se razvija u jednosmjernom smicanju vjetra u vrijeme kada se rotacija na maloj visini ubrzano pojačava, ali prije formiranja zatvorene fronte vjetra prikazane na slici 4.
Slika 6 Slika (b) je situacija desetak minuta nakon situacije na slici (a). Osjenčana strelica u (a) predstavlja rotacijski inducirani vertikalni gradijent tlaka, a iscrtana strelica u (b) označava strujanje prema dolje na stražnjem boku.
Numeričke simulacije (Klemp i Rotunno 1983., Rotunno i Klemp 1985.) i studije motrenja (Brandes 1984.) ukazuju jačanje rotacija na maloj visini praćene stvaranjem silaznog strujanja u stražnjem bloku.
Koji su čimbenici odgovorni za ovo brzo jačanje rotacije na maloj visini? Analize simulacija oluje jasno pokazuju da je jačanje potaknuto baroklinim stvaranjem jakog horizontalnog vrtloga duž granice prizemnog bazena hladnog zraka koji se formira ispod oluje (Klemp, Rotunno 1983. i 1985.). Ova horizontalna vrtložnost se zatim naginje u okomitu i snažno rasteže kako dotok na maloj visini ulazi u uzlaznu struju.
Silovita rotacija na maloj visini, u biti tornado, stvara pad tlaka zraka koji nakon nekog vremena postaje nešto niži nego na srednjim visinama. Ovo obrtanje gradijenta tlaka obrće i proces „usisavanja“ te zrak iz srednjih visina biva „usisavan“ prema dolje ubijajući tornado. Drugim riječima, u mehanizam tornada ugrađen je i proces koji će ga na kraju uništiti.
Numerička simulacija koju je napravio Leig Orf sa suradnicima omogućuje nam da zavirimo „u utrobu“ superćelije:
Sl 7 3D prikaz vrtloženja u superćeliji prije formiranja tornada. Pogled gleda prema sjeveru. SVC (Streamwise Vortex Current) predstavlja struju zraka kojom se „puni“ superćelija, a VVS označava lokaciju takozvane Vertical Vorticiy Sheet za koju nisam našao odgovarajući prijevod. Crvena strelica pokazuje vrtlog koji će postati tornado. Žuta strelica pokazuje putanju zraka u vrtložnoj struji odnosu na oluju.
Sl 8 3D prikaz strujnica oko tornada. Smjer gibanja oluje je otprilike „u ekran“.
Zaključak
Napredak u istraživanju grmljavinskih oluja jasno je pokazao da je snažna rotacija unutar superćelija dominantan faktor u oblikovanju vrlo posebnih karakteristika ovih oluja. Ova rotacija je primarno dobivena iz horizontalne rotacije ugrađene u smicanje okolišnog vjetra koje je poneseno u oluju i nagnuto prema okomitoj osi. Jaka rotacija na bokovima srednjeg uzlaznog strujanja potiče cijepanje početne konvektivne ćelije kao i poprečno širenje oluje. Ova rotacija također pridonosi formiranju dugovječne strukture u kojoj oborinsko silazno strujanje podupire, umjesto da uništava, kontinuiranu konvekciju. Kako zrak ohlađen isparavanjem ulazi u putanju ulazne struje, baroklino stvaranje horizontalne vrtložnosti duž granice ovog hladnog zraka uzrokuje intenziviranje rotacije na maloj visini koja može pokrenuti prijelaz oluje u njenu tornadnu fazu.
Važno pitanje koje ostaje neriješeno je: Kako je tornadna cirkulacija ugrađena u strukturu olujne ljestvice? Sam tornado izgleda gotovo osnosimetrično, dok je struktura oluje u blizini tornada (duž granice između toplog uzlaznog i hladnog silaznog zraka) vrlo asimetrična. I u numeričkim modelima i u promatranjima, problem je kompliciran zbog razlike od gotovo dva reda veličina u horizontalnoj skali tornada i matične oluje. Buduća istraživanja s radarima visoke razlučivosti i snažnijim superračunalima nedvojbeno će pridonijeti rješavanju ovog iznimnog pitanja.
Do danas je istraživanje tornadnih grmljavinskih oluja dovelo do rafiniranog razumijevanja okolišnih uvjeta koji promiču te oluje i poboljšane sposobnosti identificiranja istaknutih značajki unutar oluje koja se razvija, a koje ukazuju na veliku vjerojatnost nadolazeće tornadne aktivnosti. Drugi čimbenici, međutim, kao što su procesi inicijacije oluje i interakcije između oluja i okoliša na većoj skali, uvelike kompliciraju izglede za predviđanje točnog vremena i lokacije tornada. Bit će potrebna daljnja istraživanja u tim područjima kako bi se ti izgledi značajno poboljšali.
Literatura
- Klemp, Joseph B. Dynamics of Tornadic Thunderstorm, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado 80307, 1987.
- Orf, Leigh et al. Evolution of a Long-track Tornado Within a Simulated Supercell, American Meteorological Society, 2017.
- Grisogono, Branko et al. Uvod u mezoskalnu meteorologiju i atmosfersku turbulenciju, Geofizički odsjek, PMF, Sveučilište u Zagrebu, 2022.
- Schuteh Alex et al. Comparing Observatrions and Simulations of the Streamwise Vorticity Current and the Forward-Flank Convergence Boundary in a Supercell Storm, American Meteorological Society, 2021.
