A jégeső

 

Mi a jégeső?
A jégeső a csapadék egy olyan formája, ami akkor alakul ki, amikor a zivatarban jelenlevő feláramlások a légkör extrém hideg rétegeibe esőcseppeket szállítanak magukkal, ahol azok szilárd halmazállapotúvá fagynak. A kialakuló jégszemek a zivatar leáramlásába kerülve a felszínre hullanak, ekkor beszélünk jégesőről. A zivatarok többségében mindig kialakulnak jégszemek, csak az esetek egy részében ezek a felszínre érve elolvadnak. Azt, hogy kialakul-e jégeső, az a körülmény dönti el, hogy a felhőben a jégszemek mennyire tudnak megnőni, egy bizonyos mérethatár fölött ugyanis a jégszem már nem képes elolvadni a zuhanás közben, és a talajra mindenképpen szilárd halmazállapotban hullik.
 
A jégszemek kialakulása
A jégszemek általában apró, fagyott vízcseppekből álló csírákon vagy finom jégszemcséken, más néven graupel szemeken kezdenek el kialakulni. A graupel hópelyhek összetömörödéséből és összekeményedéséből jön létre, ezért hódarának is szokás nevezni. A graupel vagy a fagyott cseppecskék nem az egyetlen csírái a jégnek. A jégszemek néha idegen anyagot, kavicsot, levelet, gallydarabot, rovarokat tartalmaznak, amelyeket az erős feláramló szelek emeltek fel a zivatarfelhőbe.

 

A jégszemek növekedése

Jégszem növekedése túlhűlt vízcseppekkel történő ütközés révén

A fagyott vízcseppek vagy graupelek igazi jégszemmé válásához további növekedésre van szükség. Ez leginkább túlhűlt vízcseppecskékkel történő ütközés révén valósul meg. A túlhűlt vízcseppek olyan apró, folyékony halmazállapotú részecskék, amelynek a hőmérséklete fagypont alatt van, ennek ellenére a csepp nem fagy meg (a jelenségnek fizikai okai vannak). Ebből következik, hogy a jégszemnek a megfelelő hízáshoz huzamosabb ideig 0 Celsius fok alatti felhőrétegekben kell tartózkodnia.
Kétféle jégnövekedést különböztetünk meg:
1) Nedves növekedés esetén az apró jégrészecskének olyan a környezete, ahol a hőmérséklet fagypont alatti, de nem extrém hideg. Ha az apró részecske ütközik egy túlhűlt vízcseppel, a víz nem fagy rá rögtön, ehelyett egyenletesen szétterül a jégszem felszínén, és lassan fagy meg. Mivel a folyamat lassú, a légbuborékoknak van ideje kiszökni, így a létrejött jégréteg tiszta, átlátszó lesz.
2) Száraz növekedés lép fel, ha a levegő hőmérséklete jócskán fagypont alatt van, és a vízcseppecske azonnal megfagy, amint a jégrészecskével találkozik. A légbuborékok úgymond belefagynak a jégszembe, ami ezáltal homályossá, átlátszatlanná válik.

 

A jégeső növekedését segítő körülmények

Egy szárazabb légréteg a zivatarfelhő középmagas szintjein kedvezően hat a jég növekedésére. Mivel a nedvesebb levegő bekeveredése kevesebb hőt von el a felhő levegőjéből, a túlságosan nedves légkörben képződött jégszemek nem fagynak meg rendesen, és egy nedves, latyakos labdára hasonlítanak (ez az egyik oka, amiért a jég nagyon ritka hurrikánokban). A laza szemcsék esés közben szétporladnak, vagy egyszerűen teljesen elolvadnak, mielőtt elérik a talajt.

Kutatások alapján jégeső legnagyobb eséllyel akkor keletkezik, ha az ún. nedves hőmérséklet nulla fokos izotermájának magassága 2200 és 2800 méter közé esik. A csapadékhullás esetén a jég olvadáspontjának magasságát a 0 fokos nedves hőmérséklet szintje adja meg, mivel ilyenkor a csapadék bepárolgásának következtében a levegő a nedves hőmérsékletére hűl le.

Fontos, hogy a nulla fokos nedves hőmérséklet szintje ebbe a keskeny magassági tartományba essen. Ha a szint magassága ezen a tartományon kívül van, jelentősen csökken annak az esélye, hogy a jégszem szilárd halmazállapotban éri el a talajt. Ha a 0 fokos nedves hőmérséklet szintje túl magas, a legtöbb jégszem elolvad, mielőtt eléri a talajt. Jó példa erre Florida térsége. Annak ellenére, hogy Florida a zivatartevékenység melegágya, a 0 fokos nedves hőmérséklet szintje túl magas, így a jégeső ritka - a legtöbb jégszem elolvad földetérés előtt. Hozzá kell tenni, hogy a szélnyírás megjelenése - különösen szupercella esetében - lazítja a fenti kritériumot, mivel ekkor a jégszem növekedését nagy mértékben segítik a jóval erősebb feláramlások és a jégszem hosszabb tartózkodási ideje a felhőben. 

Ha a 0 fokos nedves hőmérséklet magassága túl alacsonyan van - 2200 m alatt, akkor az általában viszonylag hideg légtömeget jelez alacsony szinteken. Ebben az esetben a körülmények nem megfelelőek erős feláramlások kialakulásához, így igazán nagy jégszem sem tud megjelenni a felhőben, mindez rontja a felszíni jégeső esélyeit.

A zivatarfelhő jellemző áramlási viszonyai, és a különféle csapadékelemek helyzete

A jégesőt okozó zivatarokhoz erős feláramlások, kellően hideg légrétegek, megfelelő jégcsírák és túlhűlt vízcseppek szükségesek. Ennélfogva a squall line és a szupercellás zivatar a leggyakoribb jégtermelő. A zivataros képződmények közül egyébként a szupercellák okoznak legnagyobb valószínűséggel heves jégesőt, mivel ezekben vannak a leghevesebb feláramlások, ugyanakkor a sajátos (vertikális szélnyírás okozta) áramlási viszonyok miatt a jégszemek többször is visszakerülhetnek a feláramlási csatornába.
Összefoglalva tehát a jégesőt segítő légköri feltételek a következők:
- nagy labilitás -> ennek következtében erősebb feláramlások
- kiszáradás a troposzféra középső rétegeiben
- nagy vertikális szélnyírás
- a nedves hőmérséklet 0 fokos értékének optimális magassága
 

A feláramlás szerepe a jégeső kialakulásában

A jégcsírának a növekedéshez egy bizonyos ideig a túlhűlt vízcseppek régiójában kell tartózkodnia - minél hosszabb ideig marad ott, annál nagyobb a jégszem potenciális mérete. Mivel a jégszemre is hat a Föld gravitációs ereje, így szükséges egy ellenhatás, ami folyamatosan a felhőben tartja. Ez nem más, mint a zivatar feláramlása.

A legkisebb jég képződéséhez 36 és 54 km/h körüli sebességgel rendelkező feláramlás szükséges. A nagyobb jégszemek - ezeket golflabda méretűnek nevezik (2-2.5 cm átmérővel) - körülbelül 88 km/h sebességű feláramlásokat igényelnek. A szoftball méretű jég 160 km/h sebességet meghaladó feláramlásokat jelent.

50 évvel ezelőtt a nagy jégesőt okozó zivatarok keletkezéséről legszélesebb körben elterjedt elmélet alapján a jégszem a konvektív cella fel- és leáramlásain utazva hízik egyre nagyobbra. Egy idő után aztán, mivel a jégszem súlya végleg meghaladja feláramlás emelő képességét, a felszín felé kezd hullani.  A tudomány jelenlegi állása szerint ez csupán egyféle lehetséges jégképződési mechanizmus, léteznek ugyanis másfajta módok is. A jégnek nem szükséges egy Cb liftjében fel-le utaznia, úgy is növekedhet, hogy viszonylag lassú sebességgel túlhűlt vízcseppekben gazdag rétegen halad keresztül. Az ilyen jégszemek belsejében gyakran csak néhány réteget figyelhetünk meg.

 

A jégszem hullása

Ha a jégszem olyan méretűre nőtt, hogy a feláramlás már nem tudja fenntartani vagy a jégszem belekerül a zivatar leáramlás zónájába, elkezd hullani. Ha elég nagy méretűre hízott, akkor még a hullás közben történő olvadás vagy szétaprózódás ellenére is eléri a felszínt. A nagy méretű jégtömbök 160 km/h feletti sebességgel érkezhetnek a talajra.

Azonban nem mindegyik jégtömb éli túl a lefele tartó utat. Néhány közülük ütközés közben kisebb darabokra törik szét, ezek aztán elolvadnak földetérés előtt, a többi a zivatar alatti melegebb (fagypont feletti) légrétegen keresztülhullva olvad el. Becslések szerint a zivatarfelhőben keletkezett jégszemek közül 40-70% elolvad földetérés előtt.
Ugyanakkor a konvektív cellák belsejében uralkodó kaotikus körülmények között különböző méretű jégszemek ütközhetnek. Mint ahogy az ütközés ereje a szemeket kisebbekre törheti szét, ugyanúgy össze is forraszthatja őket. Az ilyen heves kölcsönhatások szabálytalan, nagy méretű jégszemeket eredményezhetnek, amelyek gyakran megfigyelhetők intenzív zivatarokban.
A jég általában sávokban hull a felszínre, ezeket jégsávoknak nevezzük. Ezek többnyire kis - legfeljebb néhány hektár - kiterjedésűek, ugyanakkor a squall line-okhoz igen nagy területű (több 10 km széles és 100-200 km hosszú) jégsávok is tartozhatnak.

Jégsáv (zöldes) egy Landsat műholdképen  egy 1997. július 13-i zivatarból Sioux Falls (South Dakota) határában. Forrás:  US Geological Survey, (Landsat 5 TM, 16 July 1997)

A jégsávok olyan vastagon halmozhatják fel jeget, hogy azt egyes esetekben (az USA-ban) hóekével lehet csak eltávolítani. Például az iowai Orientben (USA) jelentések szerint 1980 augusztusában 2 méter vastagon állt a jég egy zivatart követően. A nagy kiterjedésű, intenzív jégesőt produkáló jégsávok letarolhatnak egy gabonamezőt, miközben a közvetlenül szomszédos területet sértetlenül hagyják

 

Válogatott jégszemek (Forrás: NOAA Photo Library)

 

A jégszemek méretei és rétegzettsége
A felszínre hulló jégszemek mérete általában annál nagyobb, minél intenzívebb a zivatarfelhő.  Golflabda méretű jegek kialakulásához 10 milliárdnál is több túlhűlt vízcseppecske felhalmozódására van szükség, ehhez legalább 5-10 percig a viharfelhőben kell maradniuk. (Összehasonlításképpen egy esőcsepp kialakulásához egymillió cseppecske szükséges.) Emiatt nagyméretű, szignifikáns jég (5 cm felett) leginkább szupercellákban képződik, mivel ez az a zivatartípus, amiben egyáltalán kialakulhatnak az ehhez szükséges erőteljes feláramlások. Az egycellás vagy gyenge multicellás zivatarok jellemzően kisméretű (2 cm alatti) jegeket produkálnak. 

  

 

    

Jégszem rétegek (Forrás: NOAA Photo Library)

Válogatott jégszemek (Forrás: NOAA Photo Library)

A NEFELA Dél-magyarországi Jégesőelhárítási Egyesülés gyakorlata alapján hazánkban a következő tipikus jégszemátmérőket állapíthatjuk meg:
búzaszem nagyságú 3 - 4 mm
borsószem nagyságú 5 - 8 mm
mogyoró nagyságú 9 - 12 mm
cseresznye nagyságú 13 - 18 mm
dió nagyságú 19 - 25 mm
golf labda nagyságú 26 - 35 mm
tenisz labda nagyságú 36 - 50 mm
(a listáért köszönet Bereczki Károlynak)

A felszínre hullott jégszemek gyakran a hagymához hasonló réteges szerkezetűek. Ez arra utal, hogy korábban a zivatar feláramlási csatornájában többször is fel-le utaztak.  Ugyanakkor kevés réteg vagy egy sem alakul ki bennük, ha a kihullás előtt viszonylag egyensúlyban lebegtek a feláramlásban. A rétegeket megszámolva meg lehet mondani, hányszor sodródott fel a jégszem a zivatarfelhő tetejére.

 
Mi volt az idáig mért legnagyobb jégszem a világon?
Eddig a világon észlelt és megmért legnagyobb átmérőjű és tömegű jégszem 2010.július 23-án a Dél-Dakotai Vivianban esett:a mérlegen 0.88 kg-ot nyomott, átmérője pedig elérte a 20 cm-t. A jégtömb 47 cm-es kerülete éppen csak egy kicsit maradt el a rekordtól. A július 23-i viharból hulló jégtömbök átszaggatták a tetőket, ökölnyi méretű lyukakat hagytak a belső mennyezeten, áttörték szélvédőket,továbbá 5 személy meg is sérült a jegek okozta ütésektől. A masszív jégtömbök tekintélyes nyomot hagytaka talajon, és a nagy,  dinnye méretű bemélyedéseket még a következő napokon is meg lehetett figyelni.

Nancy Knight tudós egy 14.4 cm-es átmérőjű jégszemet tart a kezében Coffeyville-ben (Kansas) Forrás: NOAA Photo Library	Grapefruit méretű jégszem aggregátum, átmérő közelítőleg 15 cm. Forrás: NOAA Photo Library
	Hatalmas jégszem, közelítőleg 10 cm-es átmérővel Forrás: NOAA Photo Library