Механизмы формирования облаков

Географ Дарья Гущина о;генетической классификации облаков, процессе формирования облаков и;атмосферном фронте

Процесс формирования облаков включает в;себя три этапа: испарение, подъем, конденсацию. Но;только один из;этапов влияет на;форму облака. Какой именно? Сколько живет облако? И;какой закон подлости объясняется законом физики?

Сегодня мы;поговорим об;облаках. Облака очень разные, поэтому для их;изучения существует международная классификация облаков, которую предложил английский фармацевт Люк Говард в;начале XIX века. Говард не;изучал физику, поэтому его классификация не;опирается на;физические закономерности образования облаков. После классификации Говарда создали более корректную;-;генетическую классификацию, которая связывает все разнообразие существующих облачных форм с;процессами их;формирования. Но;тот факт, что классификация Говарда появилась раньше и;успешно использовалась метеорологами на;протяжении трех столетий, сделал ее;общепринятой. Несмотря на;популярность классификации Говарда, для понимания всего разнообразия облаков важно обсудить и;генетическую классификацию.;

Облако;-;скопление продуктов конденсации в;атмосфере. Важно понимать, что облака образуются только в;атмосфере. Скопление продуктов конденсации у;земли называется туманом. Если конденсация происходит на;поверхности Земли, то;это называют росой или инеем, и;это два вида атмосферных осадков.;

Популярные заблуждения

Все облака состоят из;водяных капелек или ледяных кристаллов, поэтому их;разделяют на;водяные;(только из;водяных капель),;смешанные;(содержат воду и;кристаллы) и;кристаллические;(состоят только из;кристалликов льда). Многие заблуждаются, считая, что облака состоят из;водяного пара. Водяной пар невидимый, а;облака, напротив, мы;можем наблюдать. Водяной пар может находиться в;молекулах воздуха между капельками, но;это не;основная составляющая облака.

Другое ошибочное представление;- что облака могут существовать очень долго. Например, конец 2019 года был достаточно пасмурным и;унылым, небо было затянуто сплошным серым покровом облаков, из;которых шли моросящие дожди или интенсивные осадки. Многим казалось, что эти облака вечны и;что они существуют уже второй месяц. На;самом деле каждое отдельное облако живет;1520 минут. Облака постоянно испаряются, но;параллельно происходит процесс конденсации, и;образуются новые облака.;

Три этапа формирования облаков

Процесс образования облаков включает несколько этапов. Первый: в;атмосферу поступает влага. Это происходит при процессе физического испарения с;поверхности воды или суши или испарения растениями;-;транспирации. Второй важный этап: влага в;виде водяного пара поднимается вверх вместе с;объемами воздуха, после чего пар охлаждается. Важно, что процесс охлаждения происходит;адиабатически, без обмена тепла с;окружающей атмосферой. Объем воздуха не;успевает провзаимодействовать с;окружающей атмосферой и;охладиться от;нее. Когда человек, который едет на;велосипеде в;жаркий день по;асфальту, проезжает под деревом, его организм тоже не;успевает охладиться.;

Разберемся с;этим адиабатическим процессом падения температуры подробнее. Известно, что с;высотой падает давление и;плотность. Поднимаясь, объем воздуха попадает в;более разреженные слои и;расширяется, но;для этого необходимо совершить работу. Для этой работы нужно взять энергию, но, так как она не;поступает извне, приходится брать внутреннюю энергию объема;- это температура. В;итоге работа, которая идет на;расширение облака, черпается из;запасов энергии самого объема воздуха, поэтому он;охлаждается.

Воздух как губка, он;может впитывать только определенный объем влаги. Чем ниже температура воздуха, тем меньше водяного пара он;может содержать, поэтому при понижении температуры излишки водяного пара начинают конденсироваться, затем образуются капельки воды и;облака.

В;итоге получается три этапа формирования облаков:;испарение,;подъем,;конденсация. Но;только один из;этапов влияет на;форму облака. Ответ не;так очевиден, но;именно процесс подъема воздуха, который всегда происходит по-разному, приводит к;тому, что облака получаются в;виде разных форм. Именно процесс разнообразного подъема воздуха лежит в;основе генетической классификации облаков.

Генетическая классификация облаков

Первый тип, который выделяют в;генетической классификации,;-;облака конвекции.;Конвекция;- интенсивное перемешивание, основанное на;законе Архимеда. Более теплый воздух всегда легче и;обладает меньшей плотностью. Он;поднимается вверх, пока не;становится холоднее окружающего воздуха. Чтобы воздух всегда оказывался теплее окружающего воздуха, температура в;окружающем воздухе должна быстро падать. Если температура не;будет быстро снижаться, то;температура воздуха, который идет вверх, и;окружающего его воздуха быстро сравняется, и;облако не;сформируется. Оптимальные условия для развития конвективных облаков;- когда внизу температура высокая, а;на;высотах низкая. Суша прогревается лучше, чем океан, потому что ее;теплоемкость меньше, поэтому конвективные облака в;наших умеренных широтах наблюдаются над континентами в;летнее время, а;такие облака характерны для теплого полугодия.

По;международной классификации конвективные облака называют;кучевыми;(лат.;Cumulus). Это те;самые облака-башенки, которые дети рисуют в;детском саду и;которые часто встречаются на;картинках, связанных с;метеорологией. Кучевое облако;- типичный образ облака для каждого человека. Процесс подъема происходит быстро, поэтому облака не;проходят все одинаково и;формы у;них от;этого самые разные;- от;маленьких башен кучевых плоских облаков до;гигантов кучево-дождевых облаков, которые сопровождаются градом и;грозами.

Другой важный процесс, который развивается летом над континентами и;связан с;прохождением кучевыми облаками всех стадий,;-;термическая конвекция. Для обывателей этот процесс часто ассоциируется с;законом подлости. Представьте, вы;летом проснулись, посмотрели на;голубое безоблачное небо и;собрались погулять, но, пока вы;строили свои планы, от;земли воздух прогрелся, начал подниматься, охлаждаться, и;начали образовываться облачка. Если вы;собираетесь быстро, то;у;вас есть шансы, а;если, как большинство, вы;собираетесь медленно, то;к;тому моменту, когда вы;доберетесь до;исходной точки, все небо в;лучшем случае уже покроется большими башнями облаков. В;худшем случае эти облака достигнут стадии;Cumulonimbus, и;начнется ливень. В;итоге вы;быстро бежите домой, а;к;тому моменту, когда вы;оказались дома, ближе к;вечеру, прогрев ослабевает, подъем воздуха прекращается, и;облака рассеиваются. Настоящий закон подлости, но;на;самом деле не;закон подлости, а;закон физики. Если область высокого давления и;в;нем нисходящее движение, свойственное антициклонам, помешает развитию конвекции, то;вы;будете счастливыми свидетелями голубого неба в;течение целого дня.

Другой тип облаков;-;слоистообразные. Они образуются на;линии атмосферного фронта;- это зона протяженностью тысячи километров, где сталкиваются холодный и;теплый воздух. В;этой зоне взаимодействия теплый воздух скользит по;клину холодного и;затем медленно поднимается, охватывая огромные площади в;тысячи километров. В;итоге получаются сплошные слои. Это все облака, которые связаны с;теплым фронтом: перисто-слоистые, высокослоистые и;слоисто-дождевые. Такой сплошной слой облаков всегда сопровождается длительными осадками и;серым небом.;

Третий тип;-;волнообразные облака. Интересный факт: у;нас в;атмосфере всегда существуют волновые движения, которые чаще образуются в;местах, где есть скачок плотности. Это можно проиллюстрировать на;примере воды. Если вы;бросите камень, то;по;поверхности воды пойдут волны. В;атмосфере таких сильных волн нет, но;есть слои инверсии температуры, где температура с;высотой перестает падать и;начинает подниматься. Наверху, где расположен более теплый воздух, возникает поверхность раздела. Под этой поверхностью раздела, под инверсией, возникают волнообразные облака. В;зависимости от;того, на;какой высоте инверсия, облака будут разной формы. Инверсия работает как крышка кастрюли, она не;дает воздуху дальше подниматься. Под ней скапливаются продукты конденсации, и;слой насыщается влагой, создавая эффект гребня волны.

К;третьему типу относят высококучевые облака (лат.;Altocumulus), которые находятся на;высоте 2–5 километров. Также к;нему относят перисто-кучевые облака, в;форме маленьких белых барашков. Такие облака образуются, когда инверсия расположена выше 5 километров. Ниже 2 километров расположены серые слоисто-кучевые облака. Интересный факт: у;западных побережий материков в;тропиках, недалеко от;экватора, небо почти круглый год покрыто свинцово-серыми облаками, которые не;дают осадков. Поэтому на;побережье океана образуются пустыни;- например, в;районе Чили и;Перу, Анголы, западного побережья Африки, западного побережья Австралии. Благодаря волнообразным облакам (лат.;Stratocumulus) в;прекрасных теплых тропиках существуют области с;неприветливым климатом.

С;волнообразными облаками связан один интересный эксперимент в;кинематографии. В;одном из;фильмов Стивена Спилберга нужно было изобразить волнообразные облака, и, чтобы не;гоняться за;ними в;природе, создали уникальную установку, в;которой внизу расположили прохладную воду, а;наверху;- более теплую. Таким образом декораторы создали подобие инверсии. Между этими слоями впрыскивалась белая краска, и;под инверсией краска образовывала туман, который был похож на;настоящий облачный слой и;который подсвечивали сверху, снизу и;сбоку для лучшего эффекта. Это изобретение претендовало на;премию «Оскар», но;не;получило ее.;

Источник ПостНаука