מזג אוויר הוא אוויר בתנועה
כמעט כל מזג האוויר מתרחש ב־10 עד 15 הקילומטרים התחתונים של האטמוספירה, הטרופוספרה שמתוארת בשכבות האטמוספירה. שני דברים מניעים אותו. השמש מחממת את הקרקע הרבה יותר משהיא מחממת את האוויר, ולכן האוויר מתחמם מלמטה. והאוויר מכיל אדי מים, שקולטים ומחזירים כמות גדולה של חום כשהם מתאדים ומתעבים.
אוויר חם מהקרקע עולה, מתקרר ויורד שוב במקום אחר. הלולאה הזו היא תא הסעה, אותה תנועה של מים בסיר על הכיריים. באחר צהריים קיצי הסעה יכולה ליצור כל דבר, משמיים כחולים ובהירים ועד סופת רעמים בגובה 13 קילומטרים. הסצנה מראה מה תקבלו, על גוש שדות אחד, משלושה דברים: כמה הקרקע מחממת את האוויר, כמה אדים האוויר הזה נושא, ואיך הרוח משתנה עם הגובה.
למה אוויר חם עולה
שדות, כבישים וגגות שטופי שמש מחממים את האוויר שנוגע בהם. בועה של אוויר כזה, תרמיקה, קלה יותר מהאוויר הקריר שסביבה, ולכן היא צפה מעלה, כמו שטייסי דאונים וציפורים דואות רוכבים עליה. בזמן שהיא עולה הלחץ עליה יורד, ולכן היא מתפשטת, ואוויר שמתפשט מתקרר: ב־9.8 °C לכל קילומטר שהוא מטפס, בכל מזג אוויר. מטאורולוגים קוראים לזה קצב ההתקררות האדיאבטי היבש.
אם התרמיקה תמשיך לעלות תלוי באוויר שהיא עולה דרכו. בסצנה האוויר שלמעלה קבוע: הוא קר ב־6.5 °C בכל קילומטר. תרמיקה מתקררת מהר יותר, ולכן מהר מאוד היא הייתה קרה כמו סביבתה ונעצרת, אלא אם הקרקע ממשיכה לחמם את האוויר התחתון. באחר צהריים חם התרמיקות מערבבות את הקילומטר או השניים התחתונים, עד שהטמפרטורה בכל השכבה הזו יורדת בקצב היבש. ככל שהקרקע חמה יותר מתחת לאותו אוויר עליון, הטמפרטורה יורדת בתלילות רבה יותר עם הגובה, והאוויר עולה ביתר קלות. מפל הטמפרטורה הזה הוא המרכיב הראשון של סופה.
נסו: הזיזו את טמפרטורת הקרקע אל 20 °C, ואחר כך אל 33 °C. ב־20 °C הקרקע אינה חמה מהאוויר שמעליה, והתרמיקות נעצרות בגובה 200 m בערך. ב־33 °C האוויר בשלושת הקילומטרים התחתונים מתקרר ב־8.7 °C לכל קילומטר, ובתרשים הקו הכתום של האוויר העולה עובר מימין לקו השחור של סביבתו: חם יותר, ולכן עדיין עולה.
בסיס הענן: היכן שתרמיקה מגיעה לנקודת הטל שלה
כל תרמיקה נושאת את האדים של האוויר שעזבה. נקודת הטל שלה היא הטמפרטורה שבה האדים האלה יתחילו להתעבות. בזמן שהתרמיקה עולה ומתקררת, הטמפרטורה שלה מתקרבת לנקודת הטל בכ־8 °C בכל קילומטר, ולכן היא מגיעה אליה בגובה של כ־125 m לכל מעלה שמפרידה בין השתיים על הקרקע. שם האדים מתעבים לטיפות, ומתחיל ענן. כל התרמיקות מגיעות לגובה הזה באותו מקום, ולכן לענני קומולוס יש בסיס שטוח, כולם באותו גובה.
אוויר יבש צריך טיפוס ארוך. ביום חם עם נקודת טל של 5 °C התרמיקות היו צריכות להגיע לכ־3.5 km כדי ליצור ענן, ובסצנה הן נעצרות ב־3.1 km: אוויר חם, מקרטע וללא עננים, כמו מעל מדבר. אוויר לח מגיע לנקודת הטל שלו נמוך.
נסו: קבעו את טמפרטורת הקרקע על 33 °C ואת נקודת הטל על 5 °C: התרמיקות עולות גבוה ומשאירות את השמיים בהירים. עכשיו העלו את נקודת הטל ל־21 °C: בסיס הענן יורד ל־1.6 km, והענן מזנק מעלה.
הדלק: חום מאדים שמתעבים
כדי לאדות קילוגרם מים צריך כ־2.5 מיליון ג׳אול, אנרגיה שבאה מהשמש בים או בשדה רטוב. כשהאדים מתעבים בענן, כל החום הזה חוזר. לכן אוויר עננים מתקרר לאט הרבה יותר בזמן שהוא עולה, כ־4 עד 7 °C לקילומטר במקום 9.8, ויכול להישאר חם מהאוויר שסביבו עד למעלה. החום הכמוס הזה הוא מה שהופך ענן קומולוס קטן לסופת רעמים. בענן החתוך, הכתום של הזרם העולה מתבהר מבסיס הענן ומעלה: ככל שהוא בהיר יותר, כך האדים שהתעבו חיממו את האוויר העולה יותר מעל סביבתו.
חזאים מודדים את הדלק הזה כ־CAPE, האנרגיה שכל קילוגרם של אוויר עננים עולה מרוויח מכך שהוא קל מסביבתו: השטח הכתום בתרשים. באחר הצהריים שהסצנה מתחילה בו, 31 °C עם נקודת טל של 18 °C, הוא כ־1,350 J/kg. אילו כולו היה הופך למהירות, האוויר היה מגיע ל־, כ־52 m/s; גרר, ערבוב ומשקל הגשם מגבילים זרמים עולים אמיתיים לכמחצית מזה, כאן 26 m/s, קרוב ל־100 km/h ישר למעלה.
נסו: העבירו את בניית הסופה אל קומולוס ואחר כך אל ענן מתנשא, וצפו בחרוזים מאיצים ומתבהרים כשהם עוברים את בסיס הענן. עם נקודת טל של 21 °C ה־CAPE גדל לכ־3,400 J/kg, והזרם העולה לכ־41 m/s.
המכסה: ענני מזג אוויר נאה
לאוויר העליון בסצנה יש שכבה חמה מעט בין 1.8 ל־2.1 km, היפוך חוסם, כמו שיש לעיתים קרובות לאוויר אמיתי. ענן שמגיע אליה נעשה פתאום קר מסביבתו ונעצר. כשהקרקע ב־24 °C ונקודת הטל 18 °C, בסיס הענן נמצא בגובה 840 m, וענני הקומולוס נעצרים בגובה 3 km בערך: ענני הצמר הלבנים הפזורים של יום קיץ נאה. רק כשהקרקע חמה מספיק, או האוויר לח מספיק, אוויר עננים עולה פורץ את המכסה, ואז שום דבר לא עוצר אותו עד הטרופופאוזה.
הסדן, הגשם והזרם היורד
הטרופופאוזה, בגובה 12 קילומטרים בערך בסצנה, היא רצפת הסטרטוספרה, שם האוויר מפסיק להתקרר עם הגובה. הזרם העולה מאבד את הציפה שלו ממש מתחתיה ומתפשט הצידה כסדן שטוח, שהרוחות החזקות שם נושאות עם הרוח; האוויר המהיר ביותר חורג מעט מעליה ונופל בחזרה. פסגת סופת רעמים קרה מ־-40 °C.
מעל מפלס הקיפאון, כאן בגובה 4 קילומטרים בערך, הענן הוא תערובת של טיפות מקוררות־על, גבישי קרח וברד רך. הם גדלים מהר ונופלים. התנגשויות בין גבישי קרח לברד רך מפרידות מטען חשמלי, אותו סוג של טעינה שמתואר בחשמל סטטי, עד שהשדה חזק מספיק לברק, והאוויר שכל הבזק מחמם מתפשט בנקישת הרעם. גשם וברד שנופלים גוררים איתם אוויר מטה, והגשם שמתאדה בדרך מקרר אותו עוד, ולכן זרם יורד קר נשפך מבסיס הענן ומתפשט לאורך הקרקע כחזית משבים: הרוח הקרה הפתאומית שלפני סופת קיץ.
למה גזירת הרוח קובעת את חיי הסופה
גזירת רוח היא כמה הרוח משתנה עם הגובה. בסצנה זה ההפרש בין הרוח על הקרקע לרוח בגובה 6 קילומטרים, שהחצים משמאל מראים.
עם גזירה קטנה, פחות מ־10 m/s, הזרם העולה עומד זקוף. הגשם שלו נופל בחזרה דרכו, הזרם היורד הקר חונק את האוויר החם העולה, והסופה מתרוקנת בגשם בתוך פחות משעה: תא בודד, סופת אחר הצהריים הקלאסית. עם גזירה בינונית, 10 עד 20 m/s, חזית המשבים רצה לפני הסופה ומרימה אוויר חם בשוליה לתאים חדשים, ולכן אשכול, סופה רב־תאית, מתחדש שוב ושוב במשך שעות בזמן שכל תא חי ומת. עם גזירה חזקה, יותר מכ־20 m/s, ו־CAPE רב, הזרם העולה נוטה כך שהגשם שלו נופל לצידו ולא לתוכו, והגזירה מסובבת את הזרם העולה: סופר־תא, שיכול להימשך שעות ולהביא ברד גדול וסופות טורנדו.
נסו: העבירו את בניית הסופה אל שעה אחר כך, והזיזו את גזירת רוח בין 0 m/s, 14 m/s ו־25 m/s. בלי גזירה המגדל שקע לשרידים מרופטים מתחת לסדן, וגשם קל יורד לתוך האוויר הקר של עצמו. בגזירה בינונית עומד תא חדש במקום שבו חזית המשבים הרימה את האוויר החם. בגזירה חזקה הזרם העולה הנטוי והמסתובב עדיין פועל, וענן קיר מונמך מתחתיו.
מסופות למזג אוויר
סופת רעמים היא מזג אוויר בקנה המידה הקטן ביותר שלו: כמה קילומטרים רוחב, שעה או שעתיים אורך. בכל רגע רועמות בעולם כ־2,000 סופות כאלה, והברקים בכדור הארץ מבזיקים כ־45 פעמים בשנייה. אותם מרכיבים, אוויר לא יציב, לחות ומשהו שירים אותו, פועלים גם בקני מידה גדולים בהרבה. היכן שגוש של אוויר קר נדחק מתחת לאוויר חם, לאורך חזית קרה, הוא מרים את האוויר החם כמו טריז ויכול להצית קו של סופות באורך מאות קילומטרים. היכן שאוויר חם מטפס בעדינות מעל אוויר קר, בחזית חמה, נוצרות שכבות רחבות של עננים וגשם מתמשך. חזיתות נכרכות סביב מערכות של לחץ נמוך שמסתובבות בגלל סיבוב כדור הארץ, כפי שמוסבר באפקט קוריוליס.
גם הרים מרימים אוויר, וכך המדרונות במחזור המים מקבלים את הגשם שלהם. טמפרטורות האוקיינוס מזיזות את המקומות שבהם נוצרות סופות משנה לשנה, כמו באל ניניו. ואקלים חם יותר מכניס לאוויר יותר אדים, כ־7% לכל מעלה, ולכן המטחים הכבדים ביותר נושאים יותר מים (ראו אקלים).
מה המודל הזה משמיט
הסצנה משתמשת בתורת החבילה: כל תרמיקה עולה כבועה אחת שלעולם אינה מתערבבת עם האוויר שסביבה. זרמים עולים אמיתיים שואבים אוויר יבש יותר מצדדיהם, מה שמחליש אותם, והמים שהם נושאים מכבידים עליהם; הסצנה מתחשבת בשניהם רק בכך שהיא מציגה את הזרם העולה במחצית המהירות של תורת החבילה. האוויר העליון הוא פרופיל קבוע אחד, בלי שינוי במשך היום, בלי רוחות שמסתובבות עם הגובה ובלי בריזת ים או גבעות שירימו את האוויר. סוגי הסופות נקבעים לפי ספים פשוטים של גזירה ו־CAPE שחזאים משתמשים בהם ככללי אצבע, לא לפי הדמיה של רוחות הסופה.
חיי הסופה הם רצף של ציורים, לא מודל מזג אוויר: השלבים הם אלה שסופות עוברות, אבל העיתוי שלהם, צורות העננים וכמות הגשם הם להמחשה. הברקים מבזיקים הרבה יותר מסופות אמיתיות, החרוזים, הגשם והברקים מצוירים גדולים בהרבה מהמציאות, והענן חתוך לשניים רק כדי להראות את מה שאיש לא יכול לראות מבחוץ.