الحمل الحراري في الغلاف الجوي

يتميز الهواء الدافئ بكثافة أقل من الهواء البارد، لذا يرتفع الهواء الدافئ داخل الهواء البارد، ^{[ 8 ]} على غرار مناطيد الهواء الساخن . تتشكل السحب عندما يرتفع هواء دافئ نسبيًا يحمل الرطوبة داخل هواء بارد. ومع ارتفاع الهواء الرطب، يبرد مما يؤدي إلى تكثف جزء من بخار الماء الموجود في كتلة الهواء الصاعدة . ^{[ 9 ]} وعندما تتكثف الرطوبة، فإنها تطلق طاقة تُعرف باسم حرارة التبخر الكامنة، مما يسمح لكتلة الهواء الصاعدة بالتبريد بدرجة أقل من الهواء المحيط بها، ^{[ 10 ]} مما يُسهم في استمرار صعود السحابة. إذا وُجد قدر كافٍ من عدم الاستقرار في الغلاف الجوي، فإن هذه العملية ستستمر لفترة كافية لتتشكل السحب الركامية المزنية ، التي تُهيئ الظروف لحدوث البرق والرعد. عمومًا، تتطلب العواصف الرعدية ثلاثة شروط لتتشكل: الرطوبة، وكتلة هوائية غير مستقرة، وقوة رفع (حرارة).

تمر جميع العواصف الرعدية ، بغض النظر عن نوعها، بثلاث مراحل: مرحلة التكوين ، ومرحلة النضج ، ومرحلة التلاشي . ^{[ 11 ]} يبلغ قطر العاصفة الرعدية المتوسطة 24 كيلومترًا (15 ميلًا) . وتستغرق هذه المراحل الثلاث، في المتوسط، 30 دقيقة، وذلك تبعًا للظروف الجوية السائدة. ^{[ 12 ]}  

توجد أربعة أنواع رئيسية من العواصف الرعدية: أحادية الخلية، ومتعددة الخلايا، وخط العواصف (ويُسمى أيضًا خط العواصف متعددة الخلايا)، والخلية الفائقة. ويعتمد نوع العاصفة على عدم الاستقرار وظروف الرياح النسبية في طبقات الغلاف الجوي المختلفة ( قص الرياح ). تتشكل العواصف الرعدية أحادية الخلية في بيئات ذات قص رياح رأسي منخفض، وتستمر لمدة تتراوح بين 20 و30 دقيقة فقط. أما العواصف الرعدية المنظمة ومجموعات/خطوط العواصف الرعدية، فقد يكون لها دورات حياة أطول، إذ تتشكل في بيئات ذات قص رياح رأسي كبير، مما يُساعد على تطور تيارات صاعدة أقوى، بالإضافة إلى أشكال مختلفة من الطقس القاسي. وتُعد الخلية الفائقة أقوى أنواع العواصف الرعدية، وهي الأكثر شيوعًا المصاحبة لتساقط حبات البرد الكبيرة، والرياح العاتية، وتكوّن الأعاصير.

يُعدّ إطلاق الحرارة الكامنة من التكثيف العامل الحاسم بين الحمل الحراري الكبير وانعدامه تقريبًا. ونظرًا لأن الهواء يكون عادةً أبرد خلال أشهر الشتاء، وبالتالي لا يستطيع حمل كمية كبيرة من بخار الماء والحرارة الكامنة المرتبطة به، فإن الحمل الحراري الكبير (العواصف الرعدية) يكون نادرًا في المناطق الباردة خلال تلك الفترة. يُعدّ تساقط الثلج المصحوب بالرعد مثالًا على الحالات التي تدعم فيها آليات التأثير معدلات التدرج الحراري البيئي الحادة جدًا، والتي تُعتبر، كما ذُكر سابقًا، نموذجًا للحمل الحراري المُفضّل. كما تُساهم الكمية الضئيلة من الحرارة الكامنة المنبعثة من الهواء الصاعد وتكثيف الرطوبة في تساقط الثلج المصحوب بالرعد في زيادة هذا الاحتمال للحمل الحراري، وإن كان ذلك بشكل طفيف. وهناك أيضًا ثلاثة أنواع من العواصف الرعدية: التضاريسية، والكتل الهوائية، والجبهية.

على الرغم من وجود طبقة في الغلاف الجوي ذات قيم موجبة لطاقة الحمل الحراري الكامنة (CAPE)، إلا أنه إذا لم تصل كتلة الهواء إلى هذا المستوى أو تبدأ بالارتفاع إليه، فلن يتحقق الحمل الحراري الأكبر الذي يحدث في طبقة التحكم الأمامية (FCL). ويمكن أن يحدث هذا لأسباب عديدة، أهمها وجود غطاء حراري أو تثبيط الحمل الحراري (CIN/CINH) . وتشمل العمليات التي تُضعف هذا التثبيط تسخين سطح الأرض والقوى الخارجية. وتشجع هذه القوى الخارجية على زيادة السرعة الرأسية الصاعدة، والتي تتميز بسرعة منخفضة نسبيًا مقارنةً بالتيارات الصاعدة في العواصف الرعدية. ونتيجةً لذلك، فإن الهواء المدفوع إلى مستوى التماسك المنخفض (LFC) ليس هو الذي "يخترق" التثبيط، بل إن القوى الخارجية هي التي تُبرد التثبيط بشكل أديباتي. وهذا من شأنه أن يُعاكس، أو "يُضعف"، ارتفاع درجة الحرارة مع الارتفاع الذي يحدث أثناء الانقلاب الحراري.

تشمل آليات التأثير التي قد تؤدي إلى تآكل الكبح تلك التي تُحدث نوعًا من إخلاء الكتلة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، أو فائضًا من الكتلة في الطبقات السفلى، مما يؤدي إلى تباعد الطبقات العليا أو تقارب الطبقات السفلى، على التوالي. وغالبًا ما يتبع ذلك حركة رأسية صاعدة. ومن هذه الآليات تحديدًا: الجبهة الباردة ، ونسيم البحر/البحيرة ، وحدود التدفق الخارجي ، أو التأثير الناتج عن ديناميكيات الدوامة ( انتقال الدوامة الموجبة التفاضلية ) في الغلاف الجوي، كما هو الحال مع المنخفضات الجوية، سواءً كانت قصيرة الموجة أو طويلة الموجة . كما يمكن لديناميكيات التيار النفاث ، من خلال اختلال توازن قوى كوريوليس وتدرج الضغط، مما يُسبب تدفقات دون الجيوستروفية وفوق الجيوستروفية ، أن تُحدث سرعات رأسية صاعدة. وهناك العديد من التكوينات الجوية الأخرى التي يمكن أن تُحدث سرعات رأسية صاعدة.

كغيرها من أنواع الهطول في السحب الركامية، يبدأ البَرَد على شكل قطرات ماء. ومع ارتفاع هذه القطرات وانخفاض درجة حرارتها إلى ما دون الصفر، تتحول إلى ماء فائق التبريد وتتجمد عند ملامستها لنوى التكثيف . يُظهر المقطع العرضي لحبة بَرَد كبيرة بنيةً تشبه البصلة، ما يعني أنها تتكون من طبقات سميكة وشفافة تتناوب مع طبقات رقيقة بيضاء معتمة. كانت النظرية السابقة تفترض أن حبات البَرَد تتعرض لهبوط وصعود متكررين، فتسقط في منطقة رطبة وتتجمد مجددًا عند ارتفاعها. وكان يُعتقد أن هذه الحركة الصاعدة والهابطة هي المسؤولة عن الطبقات المتتالية لحبة البَرَد. إلا أن الأبحاث الحديثة (المبنية على النظرية والدراسة الميدانية) أظهرت أن هذا ليس صحيحًا بالضرورة.

تدفع تيارات الهواء الصاعدة في العاصفة ، التي تصل سرعة رياحها إلى 180 كيلومترًا في الساعة (110 ميلًا في الساعة) ، ^{[ 14 ]} حبات البرد المتشكلة إلى أعلى السحابة. ومع صعود حبة البرد، تمر بمناطق في السحابة تختلف فيها نسبة الرطوبة وقطرات الماء فائقة التبريد. ويتغير معدل نمو حبة البرد تبعًا لاختلاف نسبة الرطوبة وقطرات الماء فائقة التبريد التي تصادفها. ويُعد معدل تراكم قطرات الماء هذه عاملًا آخر في نمو حبة البرد. فعندما تتحرك حبة البرد إلى منطقة ذات تركيز عالٍ من قطرات الماء، فإنها تلتقطها وتكتسب طبقة شفافة. أما إذا تحركت إلى منطقة يكثر فيها بخار الماء، فإنها تكتسب طبقة من الجليد الأبيض المعتم. ^{[ 15 ]} 

علاوة على ذلك، تعتمد سرعة حبة البرد على موقعها في التيار الصاعد للسحابة وكتلتها. وهذا ما يحدد سماكة طبقات حبة البرد. ويعتمد معدل تراكم قطرات الماء فائقة التبريد على حبة البرد على السرعات النسبية بين هذه القطرات وحبة البرد نفسها. وهذا يعني عمومًا أن حبات البرد الأكبر حجمًا تتشكل على مسافة من التيار الصاعد الأقوى حيث يمكنها قضاء وقت أطول في النمو ^{[ 15 ].} ومع نمو حبة البرد، تُطلق حرارة كامنة تُبقي سطحها الخارجي في الحالة السائلة. وخلال عملية "النمو الرطب"، تصبح الطبقة الخارجية لزجة ، أو أكثر التصاقًا، لذا قد تنمو حبة البرد الواحدة عن طريق الاصطدام بحبات برد أصغر، مُشكلةً كتلة أكبر ذات شكل غير منتظم ^{[ 16 ] .}

ستستمر حبة البرد في الارتفاع داخل العاصفة الرعدية حتى يعجز التيار الصاعد عن حمل كتلتها. قد يستغرق هذا ما لا يقل عن 30  دقيقة، وذلك بناءً على قوة التيارات الصاعدة في العاصفة الرعدية المُنتجة للبرد، والتي عادةً ما يتجاوز ارتفاع قمتها 10 كيلومترات (6.2 ميل) . ثم تسقط حبة البرد نحو الأرض وهي تستمر في النمو، وفقًا للعمليات نفسها، حتى تغادر السحابة. بعد ذلك، ستبدأ بالذوبان عند صعودها إلى الهواء فوق درجة التجمد ^{[ 17 ].} 

وبالتالي، يكفي مسارٌ فريدٌ في العاصفة الرعدية لتفسير البنية الطبقية لحبة البرد. الحالة الوحيدة التي يمكننا فيها مناقشة مسارات متعددة هي في عاصفة رعدية متعددة الخلايا، حيث قد تُقذف حبة البرد من أعلى الخلية الأم وتُلتقط في تيار صاعد من خلية ابنة أكثر كثافة. إلا أن هذه حالة استثنائية. ^{[ 15 ]}

تتشكل العاصفة الهابطة نتيجة عمود من الهواء الهابط، ينتشر بعد اصطدامه بالأرض في جميع الاتجاهات، وقادر على إحداث رياح عاتية تصل سرعتها إلى أكثر من 240 كيلومترًا في الساعة (150 ميلًا في الساعة) ، وغالبًا ما تُحدث أضرارًا مشابهة لتلك التي تُسببها الأعاصير القمعية ، ولكنها تختلف عنها . ويعود ذلك إلى اختلاف الخصائص الفيزيائية للعاصفة الهابطة اختلافًا جذريًا عن خصائص الإعصار القمعي. إذ تشع أضرار العاصفة الهابطة من نقطة مركزية مع انتشار العمود الهابط عند اصطدامه بالسطح، بينما تميل أضرار الإعصار القمعي إلى التقارب، بما يتوافق مع الرياح الدوارة. وللتمييز بين أضرار الإعصار القمعي وأضرار العاصفة الهابطة، يُستخدم مصطلح "الرياح المستقيمة" لوصف الأضرار الناجمة عن العواصف الهابطة الصغيرة. 

تُعرف العواصف الهابطة بأنها تيارات هوائية هابطة قوية للغاية تنشأ من العواصف الرعدية. وتُسمى العواصف الهابطة التي تحدث في هواء خالٍ من الهطول أو يحتوي على رطوبة جزئية بالعواصف الهابطة الجافة ؛ ^{[ 18 ]} أما تلك المصحوبة بهطول فتُعرف بالعواصف الهابطة الرطبة . يبلغ امتداد معظم العواصف الهابطة أقل من 4 كيلومترات (2.5 ميل) : وتُسمى هذه العواصف بالعواصف الهابطة الصغيرة . ^{[ 19 ]} أما العواصف الهابطة التي يزيد امتدادها عن 4 كيلومترات (2.5 ميل) فتُسمى أحيانًا بالعواصف الهابطة الكبيرة . ^{[ 19 ]} يمكن أن تحدث العواصف الهابطة على مساحات شاسعة. في الحالات القصوى، يمكن أن تغطي عاصفة ديريتشو مساحة هائلة يزيد عرضها عن 320 كيلومترًا (200 ميل) وطولها عن 1600 كيلومتر (990 ميلًا) ، وتستمر لمدة تصل إلى 12 ساعة أو أكثر، وتترافق مع بعض من أشد الرياح المستقيمة، ^{[ 20 ]} إلا أن آلية حدوثها تختلف نوعًا ما عن آلية حدوث معظم العواصف الهابطة.    

الإعصار هو عمود هوائي دوّار خطير يلامس سطح الأرض وقاعدة سحابة ركامية (سحابة رعدية)، أو سحابة ركامية في حالات نادرة. تأتي الأعاصير بأحجام مختلفة، ولكنها عادةً ما تُشكّل قمعًا مرئيًا من التكثيف يصل طرفه الأضيق إلى الأرض، ويُحاط بسحابة من الحطام والغبار . ^{[ 21 ]}

تتراوح سرعة الرياح المصاحبة للأعاصير عادةً بين 64 كيلومترًا في الساعة (40 ميلًا في الساعة) و 180 كيلومترًا في الساعة (110 أميال في الساعة) . ويبلغ قطرها حوالي 75 مترًا (246 قدمًا)، وتقطع مسافة بضعة كيلومترات قبل أن تتلاشى. وقد تصل سرعة الرياح في بعضها إلى أكثر من 480 كيلومترًا في الساعة (300 ميل في الساعة) ، وقد يمتد قطرها لأكثر من 1.6 كيلومتر (0.99 ميل) ، وتبقى ملامسة للأرض لمسافة تزيد عن 100 كيلومتر (62 ميلًا) . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}      

على الرغم من كون الأعاصير من أكثر الظواهر الجوية تدميراً، إلا أنها عادةً ما تكون قصيرة الأمد. فالإعصار طويل الأمد لا يدوم عادةً أكثر من ساعة، ولكن سُجّلت حالات استمرت فيها الأعاصير ساعتين أو أكثر (على سبيل المثال، إعصار الولايات الثلاث عام ١٩٢٥ ). ونظراً لقصر مدتها نسبياً، فإن المعلومات المتوفرة حول تطور الأعاصير وتكوّنها قليلة. ^{[ ٢٥ ]}

بشكل عام، تختلف ديناميكيات عدم الاستقرار لأي إعصار باختلاف حجمه وشدته. ويكون العدد الموجي السمتي الأكثر عدم استقرار أعلى بالنسبة للأعاصير الأكبر حجماً. ^{[ 26 ]}