Kezdőlap

 

Általános összefoglaló a zivatarokról

A zivatar fogalma és a villámok jellemzői

Zivatarról akkor beszélhetünk, ha az adott helyen dörgés hallható, függetlenül attól, hogy az adott észlelési helyen hull-e éppen csapadék, vagy nem. Utóbbi esetben a megfigyelési helyen száraz zivatar van. Ha éjszaka távoli villámok fényét (vagy akár magukat a villámokat) látjuk, de dörgést nem hallunk, akkor a megfigyelési pontban nincs zivatar.

A zivatarokban előforduló elektromos jelenséget, a villámot a legelfogadottabb magyarázat szerint a nagy magasságokba felnyúló zivatarfelhőben található szilárd és folyékony csapadékelemek együttes előfordulása hozza létre. Az erőteljes feláramlás révén ugyanis a vízcseppek a kb. -7 °C-os hőmérsékleti szint fölé emelkedve előbb túlhűlt vízcseppekké alakulnak, majd kb. -20 °C körül jégszemek keletkeznek belőlük. Mivel azonban a cseppek eltérően fagynak meg (előbb a külsejük, aztán a belsejük), a felhőben található ionok (főként a vízből származó H+ és OH-) egymástól eltérő pozícióba kerülnek, és a felhő felső részén a pozitív, míg alul a negatív töltések kerülnek túlsúlyba. Ezt az eloszlást a fejlett zivatarfelhőkben végbemenő fel-és leáramlások általában azonban összekeverik, s ennek köszönhetően gyakran kialakul egy pozitív töltésű terület a felhő legalsó részében is, a feláramlás és a leáramlás határfelületénél. Így feszültségkülönbség többféle módon kialakulhat a felhőn belül, a felhő és a föld, vagy akár két felhő között, aminek eredményeként a villámok függőleges és vízszintes komponensű iránnyal is rendelkezhetnek. A villám a felhőben, és abból és talaj vagy a tereptárgyak felé egy-két mm néhány cm közötti átmérőjű villámcsatornában halad, melyben a felhő és a földi objektum felől is elektronok, illetve ionok áramlanak egymás felé. (Magasabb antennák esetében előfordul, hogy a villámlás során nem a felhőből, hanem az antenna csúcsából indulnak ki az elágazások.) Közeli villámcsapások előtt fémtárgyak közelében gyakran hallatszik zizegő hang, mely a villámcsatorna kiépülését jelzi, így ilyenkor mindenképpen érdemes fedezékbe húzódni. A villám a levegő részecskéit több 1000 °C-ra hevíti fel, ami hirtelen kitágulással jár, és ennek következtében jön létre a mennydörgés.

1. ábra: Az elektromos töltések megoszlása a zivatarfelhőben
 

1. kép: Vízszintes irányú (felhő-felhő) villám

2. kép: Függőleges irányú (felhő-föld, vagy lecsapó) villám

A zivatarok keletkezése

Zivatarok leginkább a nyári félévben keletkeznek, de ritkábban előfordulnak a téli félévben is. A zivatarok kialakulásához alapvetően három légköri tulajdonság együttes jelenléte szükséges: megfelelő labilitás, elegendő nedvesség a teljes légoszlopban, és emelő hatás. A nagy magasságokba felnyúló felhőzet kialakításához erőteljes feláramlás szükséges, mely általában 3 módon valósulhat meg: a földfelszín felmelegedéséből adódó hő- és nedvességfeláramlás (konvekció), a hegyek környezetében kialakuló orografikus emelés, illetve frontális emelés. A labilitás egyszerű megközelítéssel arra utal, hogy mekkora a hőmérséklet-különbség a légkör két adott pontja között. Minél hidegebb ugyanis a felső réteg az alsónál, annál könnyebben kimozdulhatnak helyükről a légrészecskék, melyek aztán a felhőképződésben vesznek részt. Ilyen légköri helyzet leginkább hidegfrontokhoz kapcsolódóan lép fel, amikor a magasban a hideg levegő egy része előresiet, és így labilizálja a légkört. Emellett hasonló hatást válthatnak ki az úgynevezett magassági hidegcseppek, melyekhez többnyire nem kapcsolódnak frontok, de a területükön a környezetnél jóval alacsonyabb a magassági hőmérséklet. A labilitás mérésére, előrejelzésére több paraméter is létezik, melyek közül a legelterjedtebb a CAPE-index (konvektív hasznosítható potenciális energia), a Lifted Index (emelési index), és a Thompson-index (olyan paraméter, mely magában foglalja a nedvességi viszonyokat is). A nagy labilitás önmagában azonban még nem elégséges feltétel zivatarok, vagy akár gomolyfelhők képződéséhez, emellett szükség van a minden szintre kiterjedő nedvességre is. Ez az alsólégkörben származhat a talajról történő párolgással is, de a légkör magasabb szintjeire inkább az ottani légáramlás által, távolabbi helyről érkezve kerülhet nedvesség. Ennek megfelelően e téren a legoptimálisabb helyzet szintén frontok esetén, illetve az úgynevezett meleg, nedves szállítószalagok által valósulhat meg. Ez utóbbi a nyári félévben gyakran táptalaja a zivatarok kialakulásának, ugyanis - bár az alatta lévő légrétegekben stabilizálja a levegőt - a réteg felett megfelelő nedvességet biztosít hozzájuk. Az ilyen felhőképződést emelt konvekciónak nevezik, utalva arra, hogy ez esetben nem a talajról induló hő váltja ki azt.

A konvektív feláramlással leginkább a nyári hónapokban találkozhatunk, amikor az erőteljes besugárzás hatására a földfelszín felmelegedésével együtt a felette lévő légréteg is melegszik, és ezzel együtt felfelé indul meg. Amennyiben a feláramlás eléri az úgynevezett kondenzációs szintet (hazánkban nyáron általában 1000-2000 m körül található), gomolyfelhők alakulnak ki. Ez a jelenség a nyári hónapokban szinte nap mint nap előfordul, de ha a légkör nedvességtartalma, illetve a labilitás nem eléggé magas, akkor a felhők nem fejlődnek tovább (szép idő gomolyok). Kedvező feltételek esetén azonban a felhő teteje eléri az üllősödési szintet (ami hazánkban nyáron általában 8-12 km, télen 4-6 km magasan van), és megkezdődik a csapadékhullás, valamint az elektromos tevékenység.

2. ábra: Gomolyfelhők képződése hőfeláramlás (konvekció) által - a kék vonal jelzi a kondenzációs szintet
(Megjegyzés: A talaj eltérő mértékű felmelegedése miatt a melegebb felszín felett tudnak kialakulni a feláramlások, amik "helyére" a szomszédos területekről áramlik a levegő. Ez a mechanizmus azonban a feláramlástól jobbra és balra leáramlási területet generál.)

Orografikus zivatarok akkor alakulnak ki, amikor egy adott irányú vízszintes légáramlás egy hegybe ütközik, és ott emelkedésre kényszerül. Ilyen esetben az áramlási oldalon a levegő folyamatosan hűl, és egy idő után telítetté válik, vagyis megindul a felhőképződés. Mivel a gomolykiváltó hőmérséklet a hegységek felett általában emiatt alacsonyabb, mint a sík vidékeken, ezért egy átlagos nyári napon gyakran a hegyek felett alakulnak ki az első zivatarok, már a késő délelőtti órákban. Hazánkban az orografikus hatás a viszonylag alacsony tengerszint feletti magasság miatt nem túl jelentős, leginkább az Északi-középhegységben, a Budai-hegységben, a Bakonyban, a Mecsekben, illetve a Kőszegi-hegységben fordulnak elő ilyen zivatarok. A magasabb hegyek, mint pl. az Alpok, vagy a Kárpátok vonulatai mentén azonban már gyakrabban zajlik le jelentősebb zivatarképződés. Az orografikus zivatarok csekély magassági áramlás, vagy a talaj közeli széllel megegyező haladási irány esetén akár néhány órán keresztül is egy adott hely felett tartózkodhatnak, és ilyenkor a hirtelen lezúduló nagy mennyiségű csapadék villámárvizeket is okozhat.

3. ábra: Orografikus zivatarok keletkezési formája

Frontális zivatarok az év bármely szakaszában keletkezhetnek, és elsősorban a hidegfrontok kísérőjelenségei, de ritkán melegfronti felhőzetbe is beágyazódhatnak. Hidegfrontok esetében az előrenyomuló hideg levegő fizikai tulajdonságai miatt beékelődik a meleg levegő alá, és gyors feláramlásra készteti azt. Ebben az esetben akár több 100 km hosszúságú zivatarzóna is kialakulhat a frontfelület mentén, amennyiben a légkör nedvességtartalma és labilitása megfelelő. A téli zivatarok legnagyobb része is frontális eredetű, és keletkezésüket nagyban elősegíti, ha a hidegfront előtt szokatlanul enyhe, nedves levegő tartózkodik, mögötte pedig hideg, sarkvidéki eredetű levegő érkezik.

4. ábra: A frontális zivatarok kialakulása (fehér nyíl: meleg levegő, fekete nyíl: hideg levegő)

A zivatarok típusai

A zivataroknak három alaptípusát különböztetjük meg: egycellás zivatar, multicellás zivatar és szupercellás zivatar. Az egyes típusok kialakulása jelentősen függ a labilitás és a szélnyírás (a szélirány és a szélsebesség változása a magassággal) viszonyától. Minél nagyobb ugyanis a szélnyírás, annál inkább gátolja az egycellás zivatarok kialakulását, viszont szupercella csak elégséges mértékű szélnyírás mellett fejlődhet ki.

Az egy- vagy monocellás zivatarok leginkább nyáron, szinte teljesen áramlás- és szélnyírásmentes időben keletkezhetnek, a már korábban ismertetett egyszerű, a felszín felmelegedésétől függő konvekciós folyamat révén, ezért hőzivataroknak is nevezik őket. Esetenként a domborzat, illetve helyi konvergenciák is befolyásolhatják kialakulási helyüket. Az egyes zivatarcellának (mely magában foglalja a feláramlási (csapadékmentes) és leáramlási (csapadékos) területet is) három életfázisa van. Az első a kialakulás, amikor megkezdődik a gomolyfelhő-képződés, és kifejlődik a zivatarfelhő, de még sem a csapadékhullás, sem a villámtevékenység nem indul meg. Ezt követi az érett fázis, amikor már elektromosan aktívvá válik a felhő, és csapadék is hull. Mivel ez utóbbi hidegebb a környező levegőnél, ezért földet érve lehűti a levegőt, és ez a hideg légtest a felszínen minden irányban szétterül. Ez megakadályozza a további meleg levegő beáramlását a cellába, és ezzel megkezdődik az utolsó fázis, amikor a teljes zivatargócban a leáramlás veszi át az uralmat. Ezzel együtt megszűnik a zivatartevékenység, és lassan a csapadék is alábbhagy, végül feloszlik a felhőzet. Egy-egy átlagos monocellás zivatargóc többnyire fél-1 órán keresztül létezik, amíg végigmegy mindhárom stádiumon. Az ilyen típusú zivatarok leggyakrabban a kora délutáni órákban alakulnak ki, így feloszlásuk után a napsütés és a benedvesedett légkör hatására később akár újabb cellák is keletkezhetnek.

5. ábra: Az egycellás zivatar három életfázisa
 

2. kép: Egycellás zivatarfelhő kifejlett stádiumban

Amennyiben a szélnyírás kissé magasabb, abban az esetben a talaj közelében szétterülő hideg légtest képes lesz a magassági áramlással ellentétes irányba haladva újabb zivatarcellákat generálni, és ebben az esetben már multicellás konvekcióról beszélhetünk. Egy adott zivatartömböt leggyakrabban legalább 3-4 különálló cellára lehet felosztani, melyben áramlási irány szerint nézve az elöl lévők kialakuló, a középsők érett, míg a hátsók már elhaló stádiumban vannak. A csapadékot adó cellákból lezúduló hideg levegő a talajon egy úgynevezett kifutófrontot, vagy "gust front"-ot hoz létre, melyet gyakran látványos felhősáv kísér a vastag zivatarfelhőzet alsó részén. A zivatargócok fennállási ideje itt is hasonló az egycellásokéhoz, de maga a zivatarrendszer több órán keresztül is létezhet.

6. ábra: A multicellás zivatar (1: fejlődő cella, 2: kifejlett cella, 3: elhaló cella)
 

3. kép: Multicellás zivatarrendszer (a bal oldali cella fejlődő, a középső kifejlett, a kép jobb szélén lévő pedig feloszló stádiumban van)

Amennyiben a szélnyírás értéke meghalad egy bizonyos értéket (általában 15-20 m/s), már a multicellás rendszerek sem tudnak tartósan fennmaradni, mivel széttépi őket az erőteljes áramlás. Megfelelően nagy labilitás esetén azonban olyan erős feláramlások jöhetnek létre, melyek a felszín közelében kialakuló erőteljes horizontális (vízszintes) tengelyű örvényeket képesek legyőzni, sőt átalakítani vertikális (függőleges) tengelyűvé. Ekkor jönnek létre a legerősebb zivatarok, a szupercellák, melyekben az erős örvénylés kisméretű frontokat, és egy központi, forgó felhőmezőt (mezociklont) alakít ki. Attól függően, hogy a szélnyírás jobbra vagy balra kitérítő komponense a nagyobb, léteznek ciklonális (a függőlegesen felfelé mutató tengelyhez viszonyítva pozitív irányba forgó) és anticiklonális (negatív irányba forgó) szupercellák is. Ez a két típus gyakran egy közös cella kettéválása során jön létre, és így előbbit haladási irány szerint jobbra kitérő, míg utóbbit balra kitérő cellának is nevezik. A szupercellák (és a bennük lévő mezociklon) élettartama legalább 1-1,5 óra, de általában ennél hosszabb ideig élnek. (Erősebb multicellás rendszerekben is kifejlődhet átmeneti ciklonális képződmény, de ez mindig hamar feloszlik.)

A mezociklon középpontjában található az okklúziós pont (1), melyből kiindulva egy rövid melegfronti rész (2), ami a szupercella előtti terület felől biztosítja a meleg, párás levegő beáramlását, valamint két hidegfronti szakasz ágazik ki, melyek az előoldali (3) és a hátoldali (4) leáramlás. A mezociklon felett található a rotáló, csapadékmentes beáramlási alap (5), majd e felett a szintén örvénylő mozgást végző, és a szélnyírás miatt gyakran megdőlt fő feláramlási torony (6). Ebben olyan intenzív felfelé haladó, örvénylő légáramlások jönnek létre, melyek képesek a zivatarfelhő üllőjének tetejénél is magasabbra emelkedni, és így jön létre a túlnyúló csúcs (7), mely a szupercellák egyik fontos ismertetője. Az üllőfelhőzet szélnek kitett oldala az erős magassági szél miatt gyakran nem egyenletes szerkezetű, mint a hagyományos zivataroknál, ezt nevezik visszanyíródó üllőnek (8). A hátoldali leáramláshoz kapcsolódnak a szárnyfelhőtornyok (9), melyek a fő feláramlási toronyhoz kapcsolódva biztosítják a szupercella nedvesség-utánpótlását. Az előoldali leáramlás gust frontja mentén pedig időnként megfigyelhető egy hosszan elnyúló felhősáv, mely a beáramlási sáv (10), és általában szintén a fő felhőtoronyhoz kapcsolódik. A mezociklon központjában, ahol a legintenzívebb a cirkuláció, gyakran kialakul egy lefelé nyúló felhőképződmény, a falfelhő (11), melyen időnként hosszan elnyúló nyúlvány (farokfelhő) is megfigyelhető. A falfelhőt a minden irányból, így a csapadékos területektől is a központ felé áramló, igen nedves levegő hozza létre. Ha az örvénylés megfelelően erős, akkor a falfelhő közelében alakulhatnak ki a szupercellák legveszélyesebb kísérőjelenségei, a tornádók.

7. ábra: Ciklonálisan forgó szupercella térbeli modellje - a zöld nyilak a szélnyírást szemléltetik
(1: mezociklon, 2: beáramlási terület, 3: előoldali leáramlás, 4: hátoldali leáramlás, 5: beáramlási alap, 6: fő feláramlási torony,
7: túlnyúló csúcs, 8: visszanyíródó üllő, 9: szárnyfelhőtornyok, 10: beáramlási sáv, 11: falfelhő)

A szupercelláknak három fajtáját különböztetjük meg, melyek az elő- és hátoldali leáramlás csapadékviszonyaitól függnek. Az LP (low precipitation/kis csapadékú) szupercella jellegzetessége, hogy a hátoldali leáramlás teljesen csapadékmentes, és az előoldali leáramlás is viszonylag kis területre kiterjedő csapadékhullást okoz. Időnként az is előfordulhat, hogy egyáltalán nem hull csapadék a cellából, ilyenkor csak a felhőzet csavarodó struktúrája utal a szupercellás konvekcióra. Az LP-szupercellák általában akkor alakulnak ki, ha a légköri nedvesség nem túl magas, emiatt a felhőalapjuk általában magasabban van, és gyakran nem alakul ki rajtuk minden ismertető jelleg. A száraz levegő miatt azonban a csapadékhullást sok esetben kíséri akár nagyobb méretű jégeső is, valamint a szupercella környezetében heves szélrohamok is előfordulnak. Nedvesebb levegő esetén alakul ki a klasszikus szupercella, melyben az előoldali leáramlás már jelentős csapadékot tartalmaz, illetve a hátoldali leáramlás területén is hull kevés csapadék. A legnedvesebb légköri feltételek fennállásakor keletkező HP (high precipitation/nagy csapadékú) szupercella esetén mindkét leáramlási területen kiadós csapadék (záporeső és jégeső egyaránt) van jelen, mely egy idő után a cella öregedésével teljesen körbezárhatja a beáramlási alapot. Tornádók leggyakrabban a klasszikus, illetve a HP-szupercellában fordulnak elő.

4. kép: Kiterjedt, lencseszerű beáramlási alappal rendelkező szupercella

5. kép: Távoli szupercella hosszan elnyúló, lapos beáramlási sávja Egyházasrádócról nézve

6. kép: Az előző szupercella Szombathelyről fényképezve, a képen jól látható a beáramlási alap és a falfelhő, mely az előoldali leáramlás felől szívja el
a nedves levegőt (sőt magát a csapadékot) - forrás: szupercella.hu

Zivatarrendszerek

A zivatarok - főleg multicellás és szupercellás formában - ritkán alakulnak ki egyedülállóan, leggyakrabban egy sok zivatarfelhőt tartalmazó rendszerbe ágyazódva lépnek fel. A zivatarrendszerek keletkezéséhez több légköri helyzet is alkalmas lehet. A legegyszerűbb feltétel a talaj közeli konvergencia (összeáramlási vonal). Ez úgy jön létre, hogy a felszín közelében azonos irányba fújó légáramlás alakul ki, és a találkozási pontban/vonalban a levegő kénytelen felfelé áramolni, ezáltal felhőképződés megy végbe. (A konvergencia fennáll a korábban már említett frontális zivatarok esetében is.) Emellett a másik legjelentősebb hatás a légkör különböző rétegeiben bekövetkező pozitív irányú (ciklonális) vertikális örvényességi advekció, mely a légkör adott szintjén feláramlásokat generál. A zivatarrendszereknek alapvetően két fő fajtája lehet: mezoléptékű konvektív rendszer, és mezoléptékű konvektív komplexum.

A mezoléptékű konvektív komplexumok (MKK) olyan kiterjedt zivatarrendszerek, melyeknek jól meghatározott méret-, alak- és időbeli kritériumai vannak: a -32 °C-nál alacsonyabb felhőtető kiterjedésének legalább százezer négyzetkilométer (ez nagyobb mint Magyarország területe), míg a -52 °C alatti hőmérsékletű felhőtető-résznek legalább ötvenezer négyzetkilométer nagyságúnak kell lennie; az alakja közelítőleg kör alakú (az ovális rendszer kis-és nagy tengelyének aránya legalább 0,7 - a körnél ez az érték 1); és a zivatarrendszer legalább 6 órán keresztül létezik ezekkel a feltételekkel. Az ilyen konvektív komplexumok általában a délutáni órákban alakulnak ki, és este érik el intenzitásuk csúcspontját. Hazánkban az MKK-k viszonylag ritkák, átlagosan 1-2 évente fordulnak elő.

7. kép: Mezoléptékű konvektív komplexum Magyarország felett 2006. június 29-én - forrás: EUMETSAT

Minden olyan nagyobb zivatarrendszer, ami nem éri el az MKK kritériumait, mezoléptékű konvektív rendszer (MKR) kategóriába sorolható. Ide tartoznak többek között az instabilitási vonalak, nagyobb csoportban fellépő zivatargócok, örvényességi mező hatására kialakuló zivatarrendszerek, illetve a trópusi ciklonok is. Hazánkban az MKR-ek két változata gyakori, a hosszan kiterjedő, vonalas felépítésű VMKR-ek (instabilitási vonalak vagy squall line-ok), illetve az örvénylő mozgást végző, kör vagy ovális alakú CMKR-ek. Az instabilitási vonalak jellemzően hidegfrontok előtt alakulnak ki, de a frontvonalban is létrejöhet vonalas felépítésű zivatarrendszer. Hazánkban két fő típusuk ismert, a délnyugat felől érkező, szlovén instabilitási vonalnak nevezett VMKR, illetve az északnyugat felől érkező, általában frontális squall line, de bizonyos frontok esetében többször alakulnak ki vonalas rendszerek az ország középső vidékei felett is. A CMKR-ek többnyire kiterjedt pozitív vertikális örvényességi mezőhöz kapcsolódnak, és a nyári időszakban többször, akár frontális emelés hiányában is kialakulhatnak, amennyiben a szükséges labilitás és nedvesség fennáll a légkörben.

9. kép: Szlovén instabilitási vonal - forrás: meteo.hr

10. kép: Ausztriából érkező CMKR - forrás: meteo.hr

Felhasznált források

Dr. Péczely György: Éghajlattan

Sándor Valéria - Wantuch Ferenc: Repülésmeteorológia

Zivatarok és tornádók Magyarországon - http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2001/0104/24.html

MetNet.hu Kislexikon - http://metnet.hu/?m=kislexikon

Írta, az ábrákat rajzolta és a forrásmegjelölés nélküli képeket készítette: Hérincs Dávid