Pentru dezvoltarea fenomenelor orajoase este necesar ca în atmosferă să se creeze o stratificare instabilă a aerului, iar aerul cald și umed sub acțiunea unui impuls puternic, să fie forțat să se ridice repede în înălțime deasupra nivelului de condensare. După natura impulsului care determină formarea norilor Cumulonimbus, fenomenele orajoase pot fi: a. de natură termică (de insolație sau locale); b. de natură frontală; c. de natură orografică.
În cazul orajelor de natură termică, impulsul aerului cald este provocat de curenții de convecție dezvoltați datorită încălzirii prin insolație a straturilor inferioare ale atmosferei (convecție termică locală în timpul contrastului maxim de temperatură între suprafața solului și aer). Frecvența maximă a acestor nori (și implicit a acestor fenomene orajoase) se observă vara, în cursul după-amiezilor pe uscat, iar pe mare, noaptea. Ele se dezvoltă și scad în intensitate aproape în același loc, apar dezordonat sau încep într-un focar de unde apoi se propagă (de exemplu, un deal, de la care se răspândesc pe povârnișuri) și se deplasează cu vânturile de la înălțimi mijlocii.
Atunci când se deplasează deasupra solului dezgolit, se întețesc, iar când trec peste suprafețe mai reci (lacuri, râuri, păduri, mări) slăbesc sau dispar; izolat, ele sunt însoțite de vânt în rafale și de grindină. Un nor orajos de natură termică este format dintr-o serie de celule individuale distincte, mai mult sau mai puțin legate între ele. În general, fenomenul orajos este lung de 30-35 km și larg de 10-14 km. El conține 4-6 celule independente și turbulente, fiecare din ele fiind înconjurate de un brâu îngust (larg de 1-2 km) neturbulent, în care se observă nori de diverse tipuri.
Structura celulelor nu este similară; unele dintre ele constau numai dintr-un curent ascendent, iar altele din curenți ascendenți și descendenți sau numai din curenți descendenți. Precipitațiile și alte elemente sau fenomene care însoțesc orajul urmează în mod strâns structura celulelor și reflectă stadiile lor de dezvoltare. Ciclul vieții unei celule corespunde cu ciclul norului Cumulonimbus, format prin convecție termică.
Un nor Cumulonimbus termic, de la apariție până la împrăștiere, trece prin următoarele stadii: - stadiul de formare și de dezvoltare a norului Cumulus, caracterizat prin curenți ascendenți; - stadiul de maturitate al norului Cumulonimbus, caracterizat prin prezența curenților ascendenți și descendenți, cel puțin în jumătatea inferioară a norului și prin căderea de averse; - stadiul de împrăștiere a norului, caracterizat prin curenți descendenți predominanți. Stadiul de Cumulus. Pe măsură ce aerul umed se ridică în înălțime, este răcit până atinge punctul de rouă, apa din stadiul de vapori începe să condenseze și se formează norii. Căldura latentă este degajată în procesul de condensare.
În această fază incipientă a formării orajului, există cureți verticali puternici. Curenții ascendenți, calzi și puternici, poartă picăturile mici de apă din ce în ce mai sus, la nivele de multe ori deasupra nivelului de îngheț, unde pot îngheța sau pot continua să existe sub formă lichidă la o temperatură scăzută. Stadiul inițial durează între 10-20 minute. Fig. 8.1. Stadiul inițial al orajului Norul Cumulus Humilis trece astfel în stadiul de Cumulus Mediocris apoi în stadiul de Cumulus Congestus. Câteodată, în jurul buclelor sau a turnurilor de Cumulus Congestus se formează valuri fibroase (pileus).
În norii Cumulus Congestus (Fig 8.1) predomină curenți ascendenți bine dezvoltați (15-20 m/s). O dată cu aceștia apar și curenți descendenți, mai slabi, aceștia predominând mai ales în aerul de sub nori. Picăturile de apă se contopesc, formând picături mai mari, care sunt antrenate de curenții ascendenți puternici. Când norul atinge grosimi mari (3-5 km), picăturile ating asemenea dimensiuni încât curentul ascendent nemaiputându-le ține în suspensie, încep să cadă prin părțile norului unde curenții ascendenți sunt mai slabi; dacă nu se evaporă în stratul de aer de sub nor ating solul sub formă de picături mari și rare.
Începutul căderii picăturilor este rezultatul înghețării părții superioare a norului și marchează trecerea din stadiul de Cumulus Congestus în stadiul de Cumulonimbus Calvus și apariția curenților descendenți (Fig 8.2.). Viteza curenților descendenți din interiorul norilor este direct proporțională cu intensitatea averselor de ploaie. Fig 8.2. Formarea și dezvoltarea norului Cumulonimbus Stadiul de maturitate al norilor Cumulonimbus:
Trecerea de la norul Cumulus la Cumulonimbus se face în două etape: în prima etapă, trecerea la stadiul de înghețare se observă prin structura mai puțin precisă a vârfului norului, care pare să fumege, devine cețos și se îmbracă cu un val mătăsos; este etapa de Cumulonimbus Calvus; în etapa următoare valul mătăsos se transformă într-o structură fibroasă care îmbracă cea mai mare parte a vârfului norului, vârf care se lățește și ia aspect de nicovală marcând trecerea în stadiul de dezvoltare maximă a norului: Cumulonimbus Capillatus Incus. Lățirea norului se datorează unei inversiuni de temperatură la baza stratului stabil, în care norul nu mai poate pătrunde.
Norul se mișcă în direcția în care se întinde nicovala. Fig 8.3. Cumulonimbus Capillatus Incus Trecerea de la nori Cumulus la Cumulus Congestus este lentă, însă trecerea de la norii Cumulus Congestus la norii Cumulonimbus orajoși este foarte rapidă (30 – 60 minute). Pentru formarea și dezvoltarea norilor Cumulonimbus, indiferent de felul lor, este necesar un timp de 3 – 5 ore. La latitudinile medii, înălțimea limitei inferioare, de regulă, este la 600-1000 m, iar cea superioară ajunge până la altitudinea de 8 – 14 km. Extinderea pe orizontală a norilor orajoși oscilează între 3 și 50 km.
În norii orajoși mișcările ascendente ale curenților de aer predomină în partea anterioară, iar cele descendente în partea posterioară a norilor în zona cu precipitații. Fig 8.4. Temperatura aerului în nor Din punct de vedere al compoziției, de la bază până la nivelul izotermei de 0 0C, norii se compun din picături de apă cu temperaturi pozitive; de la izoterma de 0 0C până la –200C, din cristale de gheață și picături suprarăcite, iar peste izoterma de –200C predomină cristalele de gheață. Fig 8.5. Starea apei în nor Stadiul de împrăștiere a norului: În faza a treia se produce distrugerea progresivă a norilor orajoși prin încetarea activității orajoase și diminuarea precipitațiilor.
De regulă, formarea nicovalei la partea superioară a norilor orajoși indică dezvoltarea maximă a acestora și totodată începutul destrămării lor. Nicovala se separă de vârful norului și se poate mișca mai departe, sub formă de Cirrus Spissatus Cumulonimbogenitus. Perioada de existență a norilor Cumulonimbus este de 1 – 5 ore, iar procesul de destrămare durează aproximativ 30 minute. Fig. 8.6. Stadiul de disipare al orajului