Различают внутримассовые и фронтальные грозы.

Внутримассовыегрозы наблюдаются двух типов: 1) в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность; 2) над прогретой сушей (местные грозы).

В обоих случаях развитие грозы связано с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы и вертикальными перемещениями воздуха, сопровождающимися мощным развитием облаков конвекции, возникающих в ре­зультате адиабатического охлаждения воздуха в восходящих токах. По международной классификации, это кучевые облака (гл. 4), которые в процессе последующего вертикального развития, по достижении высоты уровня оледенения (температура –8° или ниже), могут превратиться в кучево-дождевые. В этом случае в верхних их частях появляются ледяные кристаллы, что внешне выражается в потере клубообразного характера вершин и в появлении волокнистой структуры. Этот процесс и приводит к выпадению ливневых осадков из кучево-дождевых облаков.

В умеренных широтах кучево-дождевые облака могут достигать высоты 13 км, в тропиках – 15 км. Впоперечнике они могут составлять 20 км.Облака состоят из отдельных ячеек, существование которых, в среднем, составляет 40 минут.

В холодных воздушных массах, движущихся над теплой поверхностью, облака конвекции возникают и над сушей, и над морем.

Над сушей летом мощные кучевые облака могут образоваться не только на линии фронта, но и внутри воздушной массы над сильно прогревающейся поверхностью почвы. В этих случаях облакообразование имеет особенно ярко выраженный суточный ход. Наибольшее развитие облака получают после полудня, в них часто образуются грозы, иногда с градом.

Зимой над сушей, покрытой снегом, облака конвекции редки или отсутствуют вовсе. Над морем облака конвекции развиваются также и зимой.

Возникновению или усилению гроз могут также способствовать и некоторые механические процессы. Если холодная воздушная масса распространяется вдоль земной поверхности и вытесняет теплый воздух вверх (холодный фронт). В горных районах грозы возникают при орографических восходящих движениях воздуха, – поднимаясь по склонам, восходящие движения увеличивают вероятность развития конвективных облаков и связанных с ними явлений погоды.

Фронтальные грозы связаны главным образом с холодными фронтами циклонов, где, как рассмотрено выше, теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Летом над сушей грозы нередко связаны и с теплыми фронтами. В этом случае континентальный теплый воздух, поднимающийся летом над поверхностью теплого фронта, может оказаться неустойчиво стратифицированным, что приводит к возникновению сильной конвекции над поверхностью фронта.

Обстоятельное исследование влияния географических факторов и синоптических процессов на грозовую активность выполнено В.П. Горбатенко. Рассмотрим наиболее значимые результаты автора.

Поскольку грозы развиваются, преимущественно, в циклонических по­лях, В.П. Горбатенко [27–29] были рассмотрены пути перемещения циклонов, при которых над Западной Сибирью и Казахстаном наблюдались грозы. Были выделены несколько групп циклонов, с которыми над каждой из рассматриваемых территорий создаются условия для возникновения гроз. Оказалось, что наиболее грозоопасными являются циклоны следующих групп:

1.Смещающиеся с западной составляющей вдоль 60–65 параллели с. ш. Циклоны смещаются с центральных районов ЕТР и среднего Урала к Восточно-Сибирскому плоскогорью. Траектории циклонов чаще повторяются в июне и июле. Грозы возникают по всей территории при прохождении холодных и вторичных холодных фронтов.

2.Образующиеся на волне полярного фронта в районе Екатеринбурга, Омска, Самары. Фронтальные разделы, расположенные в ложбине в широтном или юго-западном направлении почти всегда имеют волны. Летом (особенно в июне) повторяемость циклонов в два раза больше, чем весной или осенью.

3.Продвигающиеся из районов Каспийского и Аральского морей. С выходом этих циклонов связаны резкие изменения погоды. Термобарическое поле характеризуется сильно развитой меридианальностью направлений. Грозы отмечаются повсеместно. Наибольшая повторяемость циклонов приходится на май-июнь.

Самую большую пространственную неоднородность могут обеспечивать грозы, возникшие в южных циклонах:

4. Циклоны, образующиеся в районе оз. Балхаш или на юге Западной Сибири. Фронтальные разделы, расположенные по широте, либо в юго-западном направлении, всегда имеют волны. В течение летнего периода они имеют почти одинаковую повторяемость. Циклоны приносят сухую воздушную массу, поэтому грозы отмечаются только на отдельных станциях, там, где достаточно местной влаги.

5. Циклоны, образовавшиеся в районах Ашхабада, Ташкента, либо в междуречье Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи (южные циклоны), смещаются на севе­ро-восток. Поскольку циклоны сформированы в сухой воздушной массе, то, как правило, интенсивных гроз не образуют.

Грозы в этих в южных циклонах возникают лишь на отдельных станциях, где достаточно местной влаги. Заметим, что количество циклонов, принадлежащих к той или иной группе классификации В.П. Горбатенко, в различные годы разное, и определяется макроциркуляционными процессами, происходящими в атмосфере

Исследование соотношения фронтальных и внутримассовых гроз над различными регионами показало, что на территории Казахстана межгодовые вариации запасов продуктивной влаги в почве к началу грозового сезона оказывают значительное влияние на число внутримассовых гроз и на общее коли­чество гроз в отдельные годы. Различие в запасах продуктивной влаги служит причиной пространственной неоднородности грозовой активности на равнинах зоны недостаточного увлажнения за счет увеличения доли внутримассовых гроз (на 30 % и более).

Установлено, что на холмистых территориях северного Казахстана фронтальных гроз на 15–20 % больше, чем над равнинными. Большее количество фронтальных гроз, вызвано обострением фронтов над возвышенностями, в связи с усилением восходящих движений воздуха над склонами.

Над степными равнинами соотношение фронтальных и внутримассовых гроз может различаться на 10 % и более. Основные различия наблюдаются в отношении гроз, возникающих на холодных фронтах. В этом случае на неоднородность пространственного возникновения фронтальных гроз на равнинных территориях влияет наличие «островов» тепла и холода, а внутримассовых – наличие и влажностных различий в состоянии подстилающей поверхности. По количеству генерируемых разрядов фронтальные грозы значительно интенсивнее внутримассовых (65–70 % от суммы всех разрядов), но доля разрядов «облако-земля» больше во внутримассовых грозах.

Продолжительность грозы обычно составляет от минут до нескольких часов. Число молний при сильной грозе измеряется десятками в одну минуту. Как уже упоминалось, гроза сопровождается ливневыми осадками, иногда градом.

Есть подсчеты, по которым на Земном шаре одновременно происходит 1800 гроз, а общее число молний примерно 100 в каждую секунду [83; 84].

Грозы особенно часты над сушей в тропической зоне: здесь есть районы, где в году 100–150 дней и более с грозами. Тропические циклоны (тайфуны) всегда сопровождаются жестокими грозами. В субтропических широтах, где преобладает высокое давление (см. рис. 5.2, 5.3), гроз гораздо меньше: над сушей 20–50 дней в году, над морем 5–20 дней. В умеренных широтах 10–30 дней с грозами над сушей и 5–10 дней над морем. В полярных широтах грозы – единичное явление (рис. 5.32).

Уменьшение количества гроз от низких широт к высоким объясняется тем, что для осуществления грозы требуется не только сильная конвекция, но и большая водность облаков. Последняя убывает в высоких широтах вследствие понижения температуры воздуха.

Для объяснения формирования такой электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, но до сих пор этот вопрос не раскрыт. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы – положительно, то пространственное разделение зарядов возникает из-за большей скорости падения крупных частиц. Лабораторные эксперименты показывают, что сильная передача заряда происходит при взаимодействии частиц ледяной крупы или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель, причем знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Не исключено действие и других механизмов.

Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, то между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе обычно менее одной третьей разрядов приходится на разряды типа «облако-земля».

Рис. 5.32. Среднее годовое число дней с грозами [84]

Молния состоит из нескольких последовательных разрядов, проходящих по одному и тому же пути – каналу молнии, который не прямолинеен, а извилист и разветвленный, так как направлен по пути наибольшей плотности атмосферных ионов. В канале воздух раскаляется до ослепительного розово-фиолетового свечения, температура в нем достигает 25000–30000°. Сразу же после того, как канал проложен, по нему происходит сильный главный разряд. Повторныеразряды бывают слабее. Продолжительность всех разрядов молнии составляет десятые доли секунды.

Быстрое расширение воздуха в канале молнии производит взрывную волну, которая и создает звуковой эффект – гром. Гром имеет характер длительных раскатов, поскольку звук от различных точек по пути молнии доходит до наблюдателя не одновременно, а также происходит его отражение от облаков и от земли.

Электрическое поле формируются не только в силу происходящих в нем процессов, но и под воздействием многих внешних факторов. На строение и структуру атмосферы существенное влияние может оказать структура земной коры. В процессе взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности происходит интенсивный газообмен, аэрозолеобмен, тепло- и влагообмен и другие процессы. В зонах структурно-геологических неоднородностей земной коры, пространственное положение которых обнаруживают аномалии геофизиче­ских полей, такой обмен осуществляется наиболее интенсивно. Вопрос о связи грозовых явлений с геологическими особенностями территорий и с гео­физическими аномалиями в литературе неоднократно поднимался. При всей трудности его физической интерпретации было установлено, что в районах геологических неоднородностей наблюдается резкое усиление грозопоражаемости линий электропередачи.

Например, согласно В.П. Горбатенко и другим авторам, отрицательные аномалии силы тяжести присущи областям с повышенной пористостью пород, с наличием в них трещин. Здесь могут усиливаться восходящие потоки воздуха и наблюдаться эманации радиоактивных газов, влажность этих участков поверхности может существенно отличаться от соседствующих. Сле­довательно, именно над этими территориями можно ожидать повышенных значений грозовой активности.

Если подстилающая поверхность обладает хорошей проводимостью, то это может увеличивать среднюю напряженность электрического поля в пространстве облако - земля и увеличивать общее количество разрядов молнии в землю по сравнению с соседними районами.

В работах [27; 28] представлены результаты исследования влияния на территориальную неоднородность грозовой активности следующих факторов: климатических характеристик температуры и влажности воздуха, орографии, величины аномалий геофизических полей (магнитного и гравитационного), температурно-влажностных свойств подстилающей поверхности. Оказалось:

· С увеличением высоты станций над уровнем моря грозовая активность увеличивается только внутри тех территорий, где диапазон изменения высот составляет от 300 м до 1000 м.

· Высокие значения грозовой активности совпадают с максимальными отрицательными значениями аномалий силы тяжести на территориях Казахстана и Германии.

· Формированию очагов повышенной грозовой активности на равнинных территориях способствует наличие очагов оптимального сочетания средних многолетних значений температуры и влажности воздуха.

· Характеристики влажности почвы связаны значимой корреляционной зависимостью с пространственным распределением средних многолетних значений грозовой активности.

· Зависимость грозовой активности от температурных характеристик подстилающей поверхности также достаточно велика и статистически значима.

В целом неравномерность грозовой активности над любыми территориями обусловлена совместным влиянием нескольких факторов: характеристиками подстилающей поверхности (орографией и температурно-влажностными), структурно-геологической неоднородностью земной коры и неоднородностью климатических характеристик температурно-влажностного состояния атмосферы. Внутри холмистых территорий важнейшим фактором, формирующим очаговость пространственного распределения грозовой активности, является орография. Внутри равнинных – различия температурно-влажностного состояния подстилающей поверхности. Вторым по значимости фактором на всех террито­риях является наличие геофизических неоднородностей в структуре под­стилающей поверхности.