| Туман, кучево-дождевые, перистые облака… Облака присутствуют в атмосфере на самых разных высотах и имеют самые разнообразные характеристики с точки зрения формы, внешнего вида, температуры и состава. Атлас облаков, издаваемый Всемирной метеорологической организацией, представляет собой справочную систему для классификации и идентификации облаков и связанных с ними атмосферных явлений. В этой статье мы увидим, что такое облака и как они образуются, их эволюцию и способы прогнозирования погоды. |  |
1. Что такое облако?
Облако состоит из воздуха, водяного пара и жидких или твердых частиц воды, взвешенных в атмосфере. Именно эти частицы, называемые гидрометеорами , характеристики которых (размер, форма…) очень разнообразны, делают их видимыми и ответственны за большинство замечательных световых явлений. Масса конденсированной воды , содержащейся в облаках, значительна и достигает, например, более 50 т в кучевых облаках хорошей погоды.
Гидрометеоры, как и все атмосферные частицы , подвержены, с одной стороны, собственному весу, а с другой стороны, трению с окружающим воздухом. В отсутствие движения воздуха все гидрометеоры падают более или менее быстро в зависимости от их размера, формы и плотности. Типичные скорости падения, указанные в таблице ниже (Таблица 1), варьируются от одного сантиметра в секунду для мелких капель до нескольких метров в секунду, например, для дождя или града. Однако атмосфера никогда не бывает полностью стационарной, и движения воздуха нарушают движение гидрометеоров:
- Небольших перемещений , таких как турбулентность или слабые конвективные восходящие потоки, достаточно, чтобы удерживать капли и мелкие кристаллы во взвешенном состоянии и объяснить, почему облака (кучевые, перистые облака…) не падают.
- Более сильные восходящие потоки со скоростью несколько метров в секунду, наблюдаемые во время грозы, способны поднимать крупные частицы (дождь, мокрый снег) и необходимы, например, для образования града.
Жидкие гидрометеоры чаще всего наблюдаются в облаках при положительных температурах. Однако капли воды не так легко замерзают сами по себе при слегка отрицательных температурах, и нередко можно встретить жидкую воду в облаках при температурах до -30°C. Это называется переохлажденной жидкой водой, и это состояние нестабильно: капли очень легко замерзают при контакте с частицами или замороженными поверхностями. Это явление является причиной, например, ледяного дождя и обледенения самолетов в полете (рис. 1).
Точно так же, хотя ледяные гидрометеоры обычно наблюдаются в облаках при отрицательных температурах, выпадающие ледяные гидрометеоры не тают мгновенно, когда они падают в положительную воздушную массу. Таким образом, в облаках могут сосуществовать и взаимодействовать жидкая и твердая фазы воды. Именно эти взаимодействия могут привести к образованию инеевых гидрометеоров, таких как крупа и град .
2. Условия образования облаков
Атмосфера состоит из смеси сухого воздуха (азота, кислорода...) и водяного пара, невидимого невооруженным глазом. Однако количество водяного пара, которое может содержать атмосфера, ограничено: при наличии плоской поверхности жидкой воды или льда давление насыщенного пара , а следовательно, и максимальное количество пара, которое может содержать атмосфера, определяется ее температуры и давления и увеличивается с температурой (рис. 2).
На этом рисунке, если один находится ниже синей кривой, воздух не насыщен водяным паром, а доступная жидкая вода (например, капли дождя или поверхность озера) будет подвергаться испарению . Напротив, если он находится выше кривой, говорят, что воздух перенасыщен, и водяной пар будет конденсироваться на присутствующих каплях или на поверхности. Если вы находитесь точно на синей кривой, воздух насыщен водяным паром, и даже при наличии жидкой воды не будет ни конденсата, ни испарения .
Таким образом, облако образуется при охлаждении влажной воздушной массы. Вначале он охлаждается, не образуя облака (рис. 2, 1), пока не достигнет насыщения по отношению к водяному пару. Если охлаждение продолжится, избыточный водяной пар может конденсироваться с образованием гидрометеоров (рис. 2, 2).
Многие механизмы могут охлаждать воздушную массу и приводить к образованию облаков. Наиболее простым является охлаждение с поверхности , когда температура поверхности ниже температуры воздуха. Однако наиболее распространенным механизмом охлаждения атмосферы, приводящим к образованию облаков, является подъем воздушных масс , которые затем подвергаются расширению (атмосферное давление уменьшается с высотой) и, таким образом, охлаждаются. Среди различных механизмов, ведущих к образованию облаков, и типов облаков, которые возникают в результате, мы можем упомянуть, например:
- Охлаждение поверхности и образование тумана
Когда поверхность холоднее атмосферы, либо из-за переноса атмосферы ветром из более теплых регионов, либо из-за радиационного охлаждения поверхности в ночное время, происходит передача тепла от атмосферы к поверхности. Атмосфера охлаждается до насыщения, при котором роса образуется за счет конденсации. При достаточном охлаждении и благоприятных атмосферных условиях (слабый ветер и турбулентность) туман (рис. 3) может образовываться и развиваться в результате собственного радиационного охлаждения.
- Орографическое поднятие и эффект фена
Когда влажная воздушная масса переносится в горы , ее можно заставить подняться. Похолодание, связанное с этим поднятием, может привести к образованию облаков и осадков на горном хребте, иссушая воздушную массу. Вниз по течению более сухой воздух опускается и вместо этого подвергается сжатию, связанному с потеплением. Если воздух опускается на более низкие высоты, чем до подъема, или если осадки высушивают воздух на вершинах, потепление будет более интенсивным, чем охлаждение, вызванное подъемом, и поэтому температура ниже по течению будет выше, эффект фена (эффект фена) . Рисунок 4) .
- Подъем за счет схождения низких слоев (морской бриз и т.п.)
Когда атмосферная циркуляция вызывает сближение двух воздушных масс, что может произойти, например, при наличии орографии или при встречном ветре морского бриза, в зоне схождения форсируется поднятие, которое может привести к образованию мелких кучевых облаков . тучи или грозы .
- Конвективный подъем, кучевые облака и грозы
Потепление поверхности за счет солнечной радиации , в то время как верхние слои воздуха остаются более холодными, может сильно дестабилизировать атмосферу. Затем формируются конвективные восходящие потоки , которые могут материализоваться в виде кучевых облаков в верхней части пограничного слоя атмосферы, если в нижних слоях достаточно влаги. Если неустойчивость атмосферы велика, как это имеет место, например, весной, когда много солнечного нагрева, а высотные условия еще холодные, этот механизм может привести к образованию гроз (см. Грозы ). Грозы начинаются как кучевые облака с конвективными восходящими потоками в пограничном слое. Теплый влажный восходящий воздух охлаждается до активации ядер конденсации .вызывает образование облаков. Конденсация пара на каплях помогает нагреть воздушный пакет и увеличить его плавучесть (связанную с разницей в плотности между воздушным пакетом и окружающей его средой), тем самым усиливая восхождение и развитие облака. Вертикальные скорости, достигаемые во время грозы, очень высоки и могут привести к образованию очень крупных частиц, таких как град (рис. 5) .
- Взаимодействие с глобальной атмосферной циркуляцией
На Земле солнечное потепление у поверхности наибольшее в Зоне межтропической конвергенции (ITCZ , см . Ключевая роль пассатов ) (рис. 6). Это потепление вызывает очень сильные конвективные восходящие потоки, которые являются движущей силой ячейки Хэдли (см . Атмосферная циркуляция ). Поверхностное всасывание вызывает циркуляцию в нижнем слое, приходящую из тропиков и сходящуюся к зоне межтропической конвергенции. Напротив, в верхней части тропосферы (читайте «Атмосфера и газовая оболочка Земли» ) воздух, переносимый этими восходящими потоками, вынужден уходить в тропики. Таким образом, эта циркуляция сопровождаетсязона опускания сухого воздуха (высушенного обильными осадками, создаваемыми конвективными восходящими потоками), препятствующая образованию облаков, что объясняет крайнюю засушливость некоторых тропических регионов , таких как пустыня Сахара.
В умеренных широтах чередование антициклонов (областей высокого приземного давления) и областей низкого приземного давления (см. Тропические циклоны ) модулирует атмосферную циркуляцию и возникновение облаков. Движение воздуха инициируется градиентами давления от максимума к минимуму. Как и в зоне внутритропической конвергенции, эта горизонтальная циркуляция в нижних слоях приводит к вертикальным движениям: опусканиям на уровне максимумов, препятствующим образованию облаков, и восходящим потокам на уровне минимумов, которые им благоприятствуют.
В нижних слоях течение воздушных масс модифицируется силой Кориолиса, которая заставляет ветер вращаться вокруг депрессии. Это вращение, происходящее в области с температурным градиентом (как правило, более высоким на юге в северном полушарии), вызывает образование фронтов (рис. 7):
- Холодный фронт, характеризующийся переносом холодного воздуха в теплые районы;
- Теплый фронт, где теплое течение встречается с холодным воздухом.
В обоих случаях принудительный подъем менее плотного теплого воздуха вызывает образование осаждающихся облаков.
Таким образом, облака чаще всего являются следствием внешних воздействий , таких как атмосферная циркуляция и солнечный нагрев . Однако облака также могут иметь обратную связь с окружающей их средой. Таким образом, облака обладают важным радиационным эффектом , который может изменить энергетический баланс атмосферы. В течение дня они отражают и поглощают часть солнечной радиации, ограничивая нагрев поверхности и увеличивая его внутри самого облака. Ночью они поглощают значительную часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью, и испускают собственное излучениев зависимости от их температуры, что сильно ограничивает охлаждение на поверхности. Таким образом, наличие облаков на высоте может, например, предотвратить образование тумана на поверхности.
Конвективные облака также могут напрямую влиять на динамику атмосферы. Сильные восходящие потоки и опускания, связанные с этими бурными явлениями, могут вытеснять большие воздушные массы, создавая сильные локальные контрасты (по температуре, влажности и т. д.). Гравитационные волны могут развиваться на границе раздела двух воздушных масс с разной плотностью, так же, как и волны на поверхности океана . Затем эти волны распространяются через атмосферу и, вероятно, создают новые конвективные ячейки в нестабильной воздушной массе. Другой механизм связан с выхолаживанием, связанным с испарением атмосферных осадков во время грозы, что может привести к образованию крупной холодной воздушной массы, называемой холодным бассейном .. Это также может вызвать дальнейший конвективный подъем, когда холодный бассейн противостоит теплому и влажному низкоуровневому потоку. Это важный механизм, например, для линий шквала в тропических регионах , квазистационарных конвективных систем, ответственных за интенсивные дожди и разрушительные внезапные наводнения (видео) в Средиземноморье.
Видео : Разрушительное наводнение в Ниме (Гар) 10 октября 2014 г. из-за эпизода в Севеннах.
3. Образование капель воды в облаках.
В свободной атмосфере парообмен происходит не с плоской поверхностью, а с каплями , которые в первом приближении можно считать сферическими. Для определения давления насыщенного пара вблизи капли необходимо учитывать два эффекта.
Первый, эффект Кельвина , связан с поверхностным натяжением капель, что тем более важно, поскольку капли малы и затрудняют конденсацию . Таким образом, равновесное насыщение на поверхности капли чистой воды обратно пропорционально радиусу кривизны, и для образования капель чистой воды потребовалось бы пересыщение в несколько сотен процентов. Вот почему капли в атмосфере образуются не сами по себе , а на атмосферных частицах, называемых аэрозолями , размер которых может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких микрон. Аэрозоли могут быть природного происхождения (морские соли, органические аэрозоли и др.) или антропогенного происхождения.(например, черный углерод от загрязнения).
Некоторые из этих аэрозолей растворимы в воде и могут служить ядром для образования капель. Это второй важный эффект для определения равновесного насыщения на поверхности капли, эффект Рауля , который связан с присутствием в растворе в воде компонентов, способствующих конденсации . Этот эффект тем сильнее, чем выше концентрация растворимого компонента, и для данного исходного аэрозоля зависит от объема сконденсировавшейся воды и, следовательно, от куба радиуса капли (рис. 8).
Для сухих аэрозолей или аэрозолей, захвативших очень мало воды, преобладает эффект Рауля, и равновесное пересыщение может быть отрицательным . Эти частицы могут улавливать водяной пар и расти без насыщения атмосферы. Когда эти частицы растут за счет накопления воды, эффект Рауля уменьшается до тех пор, пока не станет слабее эффекта Кельвина, что объясняет, почему равновесное пересыщение может быть положительным для определенных диаметров. Наконец, когда капля становится достаточно большой (как правило, когда диаметр достигает нескольких микрон), эффекты Рауля (капля в основном состоит из воды) и эффекты Кельвина (чем крупнее капля, тем менее искривлена поверхность) пренебрежимо малы, и равновесие достигается запересыщение близко к 0 .
На рис. 9 показан пример равновесного пересыщения в зависимости от диаметра влажного аэрозоля для данного аэрозоля. Точка перегиба кривой, которая зависит от состава и сухого диаметра аэрозоля, позволяет определить критическое пересыщение аэрозоля, т. е. пересыщение окружающей среды, при котором аэрозоль активируется в мутную каплю воды.
4. Образование мелких кристаллов льда в облаках.
Точно так же некоторые аэрозоли, известные как ядра льда , способствуют образованию кристаллов льда . Механизм их действия менее известен, чем механизм действия ядер конденсации. Их способность инициировать кристаллообразование связана с особенностями их поверхности, которая в некоторых местах имеет благоприятную геометрическую форму . Это называется активным центром , где формируется зародыш кристалла льда. Поверхностная плотность этих активных центров зависит от химического состава аэрозоля, и различные эмпирические представления пытаются предсказать зародышеобразование .этих аэрозолей с образованием кристаллов. В отличие от ядер конденсации у них нет единого механизма действия. Например, они могут образовывать кристаллы путем осаждения паров непосредственно на активном участке или замораживать переохлажденную каплю при контакте (рис. 10). Зарождение мелких кристаллов из льдообразующих ядер называется первичной продукцией .
Принцип действия ледообразующих ядер до сих пор является предметом споров:
- «стохастическая» гипотеза подчеркивает случайный характер активации активных центров. Таким образом, активация ледяных ядер будет зависеть от продолжительности их пребывания в благоприятных термодинамических условиях.
- «сингулярная» гипотеза, напротив, приписывает каждому активному центру температуру активации, которая зависела бы от его геометрической конфигурации . Таким образом, каждое ледообразующее ядро может образовать кристалл льда, как только температура достигнет температуры активации его наиболее благоприятного активного центра, и поэтому зарождение льда не будет зависеть от времени. Выбор между этими двумя описаниями может быть снят только при поддержке повторных экспериментов по нуклеации в лаборатории в идеально контролируемых условиях . Экспериментальные трудности не позволяют на данный момент принять решение в пользу способа действия льдообразующих ядер.
Однако совместные наблюдения за ядрами льда и кристаллами льда в облаках постоянно показывают большое расхождение, причем количество кристаллов часто намного превышает количество ядер льда. Таким образом, существуют и другие механизмы образования мелких кристаллов льда, известные как вторичное образование льда . Есть два известных механизма, участвующих в создании маленьких кристаллов.
- Замерзание капель воды (рис. 9), когда они достигают очень низких температур (в зависимости от размера, порядка -35°С), может быть причиной больших концентраций мелких кристаллов на высоте .
- С другой стороны, процесс Халлетта-Моссопа активен между -3°С и -8°С: когда ледяная частица (снег, мокрый снег) собирает и замораживает капли переохлажденной жидкой воды, иногда выбрасываются осколки льда, которые вносят значительный вклад концентрации мелких кристаллов.
Рассматриваются и другие механизмы, но их трудно количественно оценить наблюдениями, такие как фрагментация кристаллов и чешуек при столкновении с плотными ледяными частицами или выброс ледяных фрагментов при замерзании крупных переохлажденных дождевых капель. Сложность процессов образования и эволюции облаков в ледяной или смешанной фазе затрудняет их предсказание .
5. Эволюция облаков и образование осадков
Как только облако сформировано, его эволюция направляется набором взаимодействий между гидрометеорами и водяным паром (рис. 11). Первый из вовлеченных процессов - это обмен воды путем конденсации (осаждения) и испарения .(сублимация) между паром и каплями (кристаллами). Таким образом, если воздушная масса продолжает подниматься и охлаждаться после образования облаков, избыток водяного пара в атмосфере будет продолжать конденсироваться на присутствующих каплях и, таким образом, расти. Наоборот, если относительная влажность воздушной посылки уменьшается, испарение капель будет происходить до тех пор, пока не вернется насыщение. Здесь важно отметить, что при отрицательных температурах давление насыщающего пара по отношению ко льду ниже, чем давление насыщающего пара по отношению к жидкой воде. Таким образом, в частном случае облака при отрицательной температуре, где сосуществуют капли и маленькие кристаллы, кристаллы будут иметь тенденцию улавливать водяной пар путем осаждения за счет испаряющихся капель: это эффект Бержерона.. Этот эффект, например, ответственен за кавернозные облака (рис. 12).
Другой набор процессов касается взаимодействий столкновений и слияний между различными гидрометеорами. Все гидрометеоры в атмосфере находятся в движении, и столкновения между частицами направляют эволюцию облака, изменяя размер и тип гидрометеоров в нем, а также его температуру при фазовых изменениях в воде. При каждом столкновении гидрометеоры могут сливаться, а могут и не сливаться (например, две маленькие капли легко сливаются, образуя одну большую; удары между ледяными частицами могут привести к фрагментации гидрометеоров); могут происходить фазовые переходы (например, при замерзании переохлажденной жидкой воды). при контакте с кристаллом льда).
Во время формирования облака, пока облако формируется из мелких капель или кристаллов с небольшими различиями в размерах, столкновения связаны с небольшими турбулентными движениями воздуха в облаке, и количество их остается небольшим. Однако постепенно образуются более крупные гидрометеоры. При сосуществовании в облаке гидрометеоров разных размеров, а значит и разной скорости падения, более крупные частицы вступают в контакт с гораздо большим количеством более мелких частиц, и эти процессы становятся преобладающими в образовании осадков .
Начальный состав облака также имеет решающее значение для его эволюции и образования осадков. В облаке, образованном множеством очень мелких взвешенных капель, процессы сбора-слияния будут очень слабыми и недостаточными для образования осадков . Наоборот, если в облаке изначально капель меньше, но они крупнее и разного размера, образование дождя будет происходить быстрее . Это объясняет, почему аэрозоли, определяющие количество и размер образующихся в облаках гидрометеоров, могут оказывать существенное влияние на их жизненный цикл. Таким образом, аэрозоли оказывают значительное влияние на все облака, от тумана до конвективных систем.
6. Представление облаков в моделях численного прогноза погоды
В численных моделях прогнозирования погоды и климата (см. Модели прогнозирования погоды и Модели климата ) невозможно индивидуально предсказать эволюцию каждого присутствующего гидрометеора. Поэтому необходимо более синтетически представить характеристики популяции гидрометеоров в каждом блоке сетки модели, что является ролью микрофизических параметризаций или схем облаков .
Наиболее точные микрофизические схемы делят гидрометеоры на очень большое количество классов в зависимости от их типа (капли, кристаллы...) и размера и предсказывают количество гидрометеоров в каждом классе. Например, переменная на схеме может представлять количество капель дождя диаметром от 1 мм до 1,1 мм. Таким образом, эти схемы позволяют точно представить состав облака и его эволюцию во времени от образования облака из аэрозолей до образования осадков и рассеивания облака. Однако количество требуемых переменных делает их слишком дорогими для оперативного прогнозирования погоды .и поэтому они зарезервированы для академического использования и не свободны от приближений: остаются источники ошибок, связанные с пространственной и временной дискретизацией, чувствительностью к выбору количества классов и пределом неопределенности в представлении большинства процессов. . Изображение ледяных гидрометеоров еще более тонкое. Действительно, размер гидрометеора неправильной формы определить уже сложно, а при заданном размере его характеристики (площадь поверхности, плотность, масса, скорость падения и т. д.) могут значительно различаться, что делает классификацию по размерам недостаточной.
Более простые микрофизические схемы делят гидрометеоры на разные категории (облачные капли воды, дождь, снег…) и предполагают, что пространственное распределение каждого типа гидрометеоров следует заранее определенному закону вероятности.с несколькими степенями свободы. Простейшие схемы, называемые одномоментными схемами, имеют только одну степень свободы и обычно предсказывают только общую массу гидрометеора каждого типа. Поэтому они не точно отражают состав облаков и воздействие аэрозолей на облака. Для этого более сложные схемы имеют две (или более) степени свободы и обычно представляют, помимо массы, количество гидрометеоров каждого типа (или даже отражательную способность, или другие характеристики гидрометеоров). Затем влияние каждого микрофизического процесса (включающего взаимодействие одного или нескольких типов гидрометеоров) на переменные, предсказываемые моделью, представляется индивидуально. Например,
Эти схемы значительно дешевле и чаще используются в моделях прогнозирования погоды и климата. Например, модель прогнозирования погоды с высоким разрешением Météo-France , AROME , которая предоставляет подробные прогнозы на срок до 36 часов над метрополией Франции и заморскими департаментами, использует одномоментную схему . Для улучшения представления облаков и учета взаимодействий аэрозолей и облаков тестируется двухмоментная схема, добавляющая прогноз числовых концентраций гидрометеоров и аэрозолей .
7. Резюме:
- Облака состоят из гидрометеоров, частиц конденсированной воды в жидкой форме (облачные капли и капли дождя) и/или твердых тел (мелкие кристаллы, снег, град…).
- Количество водяного пара, которое может содержаться в атмосфере, определяется температурой и давлением воздуха и уменьшается с температурой. Таким образом, облака образуются, когда теплый влажный воздух охлаждается.
- Охлаждение воздуха может иметь радиационное происхождение или быть вызвано подъемом воздуха, вызывающим понижение давления .
- Формирование облаков обычно обусловлено атмосферной циркуляцией , основной причиной восходящих потоков, благоприятствующих образованию облаков, но интенсивные циркуляции, возникающие в некоторых облачных системах (циклоны, грозы и т. д.), также могут иметь последствия для атмосферной циркуляции.
- В атмосфере капли образуются не сами по себе, а на взвешенных частицах, называемых аэрозолями , которые способствуют конденсации . Таким образом, количество и тип аэрозолей, присутствующих в атмосфере, могут сильно влиять на формирование и жизненный цикл облаков.
- Тогда эволюция облака направляется, с одной стороны, эволюцией термодинамических условий (радиационный обмен, выделение скрытого тепла при фазовых переходах воды), а с другой стороны, многократными взаимодействиями между гидрометеорами , которые могут привести к образованию осадков. .