Состав облаков
Кучевые облака. Фото Д. В. Соловьёва
Размеры подавляющего большинства капель в облачном воздухе составляют тысячные и сотые доли мм, а их концентрация – сотни в 1 см3. Кристаллы обычно имеют в десятки раз бо́льшие размеры, а концентрация их в тысячи и десятки тысяч раз меньше (до сотни в 103 см3). Форма кристаллов зависит гл. обр. от темп-ры их образования и чрезвычайно разнообразна – иглы, столбики, пучки столбиков, тонкие и толстые пластинки и др. Масса сконденсированной воды в единице объёма О. называется водностью О. и колеблется обычно от десятых долей до нескольких г/м3 для капельных О. и от тысячных до десятых долей г/м3 в кристаллических. Длительное существование О. объясняется малыми скоростями падения частиц (капли радиусом 1–10 мкм падают со скоростью 0,05–1,2 см/с), наличием восходящих движений воздуха, которые не только поддерживают облачные частицы, но и вместе с турбулентными движениями обеспечивают приток водяного пара и способствуют зарождению новых частиц. О. могут быть капельно-жидкими или смешанными, содержащими в своей массе сухой воздух, водяные капли и ледяные кристаллы. С точки зрения термодинамики для таких О. характерна коллоидальная неустойчивость. При одной и той же темп-ре воздуха на каждом уровне высот внутри О. на ядрах конденсации возникают, растут, перемещаются капли; происходят процессы испарения одних облачных элементов и конденсация других до начала их выпадения из О. в виде осадков. Время жизни облачных частиц во много раз меньше времени жизни О. в целом. Выпадение осадков способствует уносу воды и ускоряет процесс разрушения О., это происходит благодаря в значит. мере турбулентности воздуха. Цикл жизни О. завершается испарением его составляющих. Если вода в О. сохраняется в жидком состоянии при темп-ре ниже 0 °С, происходит переохлаждение О., в них наблюдается интенсивное обледенение летат. аппаратов. При соприкосновении с объектами, попадающимися на пути капель переохлаждённого облака (горные склоны, высотные сооружения, разл. мачты и провода и т. д.), возникает их обледенение, а иногда и разрушение под тяжестью оседающего на них льда. Выпадение переохлаждённых жидких осадков вызывает на земле и разл. предметах гололёд.
Что такое облако
Каждый раз, подняв голову к небу, по количеству, форме и цвету облаков мы пытаемся или сделать прогноз погоды, или просто любуемся их красотой.
Приведем несколько точных определений.
Облака — это …
Научно-технический энциклопедический словарь
ОБЛАКА, видимая масса частиц воды или кристаллов льда, взвешенных в нижних слоях атмосферы. Облака образуются, когда вода, находящаяся на поверхности Земли, превращается в пар в процессе ИСПАРЕНИЯ. По мере подъема в атмосферу пар охлаждается и конденсируется вокруг микроскопических частиц солей и пыли, превращаясь в капли. Там, где температура атмосферы низкая (ниже температуры замерзания воды), капли превращаются в лед. Облака подразделяются на 10 видов.
…
Научно-технический энциклопедический словарь
География. Современная иллюстрированная энциклопедия
Облака — скопления взвешенных в атмосфере продуктов конденсации водяного пара – капель воды, ледяных кристаллов или их смеси; основной источник осадков, выпадающих на поверхность Земли при укрупнении облачных частиц. Содержание сконденсированных частиц в облаках составляет от нескольких сотых долей грамма до нескольких граммов на 1 м³ облачного воздуха. Облака играют важнейшую роль в климатической системе, отражая солнечную радиацию в космос и препятствуя тем самым прогреву приземных слоёв атмосферы.
…
География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006
Военно-морской Словарь
Облака (Clouds) — скопление мельчайших водяных капелек, ледяных кристалликов или снежинок, взвешенных в воздухе на большей или меньшей высоте. Мельчайшие капельки, из которых состоят облака, выделяются при охлаждении влажного воздуха, что происходит главным образом при поднятии воздушных масс снизу вверх в результате конвекции (кучевые и ливневые облака), при восхождении теплых потоков воздуха на теплых и холодных фронтах (слоисто-дождевые, ливневые и некоторые облака более высоких ярусов) и при смешении теплого влажного воздуха с холодным при ветрах (слоистые облака).
EdwART. Толковый Военно-морской Словарь, 2010
Большая советская энциклопедия
Облака — атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации водяного пара в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется Туманом. Обл. — существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. О. покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 109 тонн воды. О. являются важным звеном Влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.
…
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978
Обл., как и многие другие, связанные с водой явления и формы, имеют романтическую ауру и мифологию … Они всегда были и будут неисчерпаемым источником вдохновения для многих художников, поэтов и просто мечтателей.
Тем не менее, в данном материале речь пойдет, в большей степени, про их физическую суть, о физических свойствах и видах.
В отличие от поэзии физика наука прозаичная, строгая и дает облакам определение в соответствии с установленными канонами академической науки, и определяет обл. как скопление «облачных элементов» — капелек воды и кристалликов льда, которые образовались в процессе конденсации.
Роль облаков в природных процессах
Фото Д. В. Соловьёва Кучево-дождевые облака.
О. экранируют земную поверхность от солнечной радиации, ИК-излучения атмосферы, отражают встречное ИК-излучение земной поверхности, играя важнейшую роль в формировании теплового режима и увлажнённости Земли (осн. часть воды выпадает в виде осадков из О., которые содержат её во взвешенном состоянии до 109 т). Они являются важным звеном влагооборота на Земле, могут перемещаться на тысячи км, перенося и перераспределяя огромные массы воды. О. в сочетании с др. метеорологич. факторами в значит. степени определяют характер погоды в данной местности, её климатич. и микроклиматич. режимы. См. также Облачность.
Процессы осадкообразования
Образование О. связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью. В осн. водяной пар содержится в нижней части атмосферы – тропосфере, поэтому именно здесь на разл. высотах сосредоточено подавляющее большинство О. Непосредственно у земной поверхности скопление продуктов конденсации называется туманом. Граница облакообразования в атмосфере практически всегда совпадает с уровнем конденсации, т. е. с высотой, на которой водяной пар, поднятый из нижних слоёв атмосферы вместе с сухим воздухом, достигает состояния насыщения. Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер конденсации, обеспечивает появление зародышевых капель. На этом уровне начинаются переход водяного пара в жидкое или твёрдое состояние и формирование облачного воздуха, состоящего из сухого воздуха, водяного пара и продуктов конденсации. Количество продуктов конденсации, как и их размеры, зависят от скорости восходящих движений в атмосфере, определяющих генезис О., их строение и водность.
Осн. процесс облакообразования – подъём возд. масс разл. масштаба при атмосферных движениях. При турбулентных движениях воздух поднимается в виде неупорядоченных вихрей. Большие массы воздуха поднимаются на атмосферных фронтах, когда возникают облачные системы площадью в сотни тысяч км2. В гребнях атмосферных волн также происходит подъём воздуха, и там, где существуют волновые движения, могут возникать облака.
Перистые облака. Фото В. В. Горбатовского
При перемещении возд. массы в более высокие слои атмосферы происходит её охлаждение. Если при этом темп-ра достигает точки росы, т. е. относит. влажность воздуха достигает 100%, начинаются процессы конденсации. Тёплый и увлажнённый воздух из нижних слоёв атмосферы поднимается в её верхние слои, образуя О. кучевых форм. Часто в антициклонах развиваются кучевые плоские О., они не дают осадков, их называют «О. хорошей погоды». Восходящие потоки образуют и более мощные О., вплоть до кучево-дождевых, дающих обильные ливневые осадки, сопровождаемые молнией и громом. Иногда выпадает град. На тёплых атмосферных фронтах внетропич. циклонов, вследствие особенностей атмосферных движений, тёплый воздух поднимается вверх по клину холодного. В этих случаях на тёплых фронтах формируется облачность слоисто-дождевого типа, занимающая громадные пространства и дающая обложные осадки. На холодных фронтах образуются облака слоисто-кучевых и кучево-дождевых форм, имеющие меньшую протяжённость, но также простирающиеся на большие расстояния. Наибольшие пространства обычно занимают О. фронтов окклюзии. Восходящие движения возд. масс происходят и при преодолении ими орографич. препятствий (при подъёме воздуха вверх по склонам), а также при затоке в сужающиеся к своим верховьям долины. Подобные процессы развиваются в атмосфере и при формировании конвергенции горизонтальных возд. потоков на равнинах. В области сходимости пассатов Сев. и Юж. полушарий в Атлантике – Внутритропич. зоне конвергенции (ВЗК), происходит разрушение пассатной инверсии при сходимости возд. потоков (пассатов) на экваториальных перифериях Азорского и Южно-Атлантического антициклонов. В итоге, в неустойчиво стабилизированной над океаном возд. массе развиваются крупномасштабные восходящие движения, растут мощные кучево-дождевые облака, пробивающие своими вершинами тропопаузу и проникающие на неск. км в стратосферу. Они дают в ВЗК ливневые осадки, продолжающиеся по неск. суток.
Другой процесс облакообразования происходит при радиац. выхолаживании атмосферных слоёв, расположенных на разл. высотах и содержащих достаточное количество водяного пара. Так образуются слоисто-кучевые и слоистые облака и туманы. Над районами океанов, где сближаются холодные и тёплые течения, формируются туманы смешения. При циркуляции атмосферы, способствующей подъёму туманов над морской поверхностью, образуются слоистые облака.
Как облака образуются
Водяной пар, благодаря воздушным потокам, поднимающимся с поверхности Земли, попадает в верхние слои атмосферы, где и превращается в облако в результате процесса конденсации. Процесс восхождения пара является следствием различия температур в разных слоях атмосферы, температура атмосферы в верхних слоях существенно ниже, чем у поверхности земли. Для успешного образования обл., в самом начале процесса, требуются мельчайшие частицы пыли, которые обеспечивают молекулам воды базу и к которым они могли бы «прикрепиться». Эти мельчайшие частицы называют конденсационными зернами. При температуре выше -10 градусов по Цельсию обл. состоят из капельных элементов, при температуре от -10 до -15 смешанные (капельные и кристаллические), а при ниже -15 градусов состоят из кристаллических элементов.
Обл. покрывают порядка 40% поверхности Земли и содержат приблизительно 10 в десятой степени тонн чистейшей воды. Температура более трети, от всей воды содержащейся в облаках отрицательная.
Несмотря на кажущееся многообразие, обл. классифицируются на несколько видов и типов.
Формы облаков
О. практически всегда выделяются на небе, поскольку их видимая яркость существенно отличается от яркости безоблачного неба. Единственным исключением являются перисто-слоистые О., покрывающие весь небосвод; очень тонкие, в оптич. смысле, они прозрачны для солнечного излучения, их наличие диагностируется по оптич. явлению в атмосфере – гало. Боковые грани прочих О., освещённые Солнцем, похожи на снежные горы. Яркость небосвода в местах их расположения возрастает. О. слоистых или слоисто-кучевых форм днём видны на небосклоне в виде темноватой пелены, экранирующей небо. Иногда в дневное время плотные О., находящиеся в близкой к зениту области небосвода, значительно уменьшают его яркость и общую дневную освещённость.
О. существенно различаются между собой по морфологии (внешнему виду), микроструктуре и высоте расположения над поверхностью Земли. Первые попытки систематизации форм облаков предприняты в кон. 19 в., когда был издан первый Междунар. атлас облаков, в России последний атлас издан в 2011. В основе описания фотоиллюстраций каждого Атласа лежит Международная классификация облаков, которая делит О. на 10 основных форм, подразделяющихся на виды и разновидности. По высоте расположения над земной поверхностью выделяются О. верхнего и нижнего ярусов. Иногда особо выделяют О. среднего яруса и О. вертикального развития.
В указанную классификацию включены лишь тропосферные О., играющие важную роль в погодообразующих процессах. Кроме этого, в верхних слоях атмосферы существуют ещё два типа О., наблюдаемых в стратосфере и в мезосфере, – перламутровые и серебристые. Они иногда видны вскоре после захода Солнца, когда его лучи ещё освещают слои атмосферы на высотах более 20 км, т. е. в конце астрономич. сумерек и в течение некоторого времени после их окончания. Через эти тонкие О. просвечивают звёзды. Перламутровые О. состоят из переохлаждённых капель воды и наблюдаются на высотах 22–24 км. По мере погружения Солнца под горизонт меняется их цвет и энергетич. яркость. Иногда, в лунные ночи, они видны на небосклоне как тёмные полосы. Серебристые О. состоят из ледяных кристаллов и наблюдаются на высотах 60–80 км.
Мудрые цитаты о небе
Чаще смотри на небо, а не под ноги — и будут твои мысли ясные и легкие. Серафим Саровский
Нету лучшей иконы, чем небо! Василий Аксенов
Небо — колыбель детской фантазии. Сергей Федин
Небо не над нами и не под нами, не слева и не справа. Небо — в сердце человека, если он верует. А я не верю и боюсь, что так и умру, не увидев неба. Сальвадор Дали
Как земля тянет вниз, так и небо тянет вверх. И притяженье неба ничуть не слабее притяженья земли. Александр Вяземка
О войне не говорят под ясным небом, когда светит солнце. Патрик Несс
Жизнь в городах приучает смотреть разве что себе под ноги. О том, что на свете бывает небо, никто и не вспомнит… Харуки Мураками
Никогда еще такое знакомое небо не казалось мне поистине благословенными небесами… Энн Райс
Никакая острота ума человеческого не бывает так велика, чтобы могла проникнуть в небо. Марк Туллий Цицерон
Тот ближе всех к небу, кому ничего не надо. Григорий Сковорода
Небеса своей таинственностью всегда приманивали людей. Люди всегда искали смысл своей жизни на небе. И не удивительно, ведь оно всегда величественное. На его фоне человеческая жизнь выглядит мелочной и недостойной внимания.
Методы воздействия на облака
Совр. наука и техника достигли уровня развития, позволяющего управлять некоторыми процессами в О., искусственно изменяя их фазовое состояние и микроструктуру. Наибольшие успехи достигнуты в рассеивании переохлаждённых О. и туманов, в воздействии на градоопасные О. в целях предотвращения градобитий. Для рассеяния переохлаждённых О. и туманов в них вносятся (с помощью спец. наземных установок-генераторов или с самолёта) хладореагенты (частицы сухого льда – твёрдой углекислоты) или частицы льдообразующих веществ (иодистое серебро, иодистый свинец и др.), способствующие образованию в О.
Основные формы облаков по международной классификации и их характеристики | |||||||
Формы облаков, их латинские названия и обозначения | Размеры облаков | Преимущественное фазовое строение | Время жизни облака | Максимальные вертикальные скорости | Виды осадков у земли | ||
высота нижней границы, км | толщина, км | горизонтальная протяженность, км | |||||
Перистые, | 6-10 | 0,2-3 | 102-103 | Кристаллические | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют |
Перисто-кучевые, Cirrus (Ci) | 6-9 | 0,2-1,0 | 10-102 | Кристаллические | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют |
Перисто-слоистые, Cirrostratus (Cs) | 5-9 | 0,5-5 | 102-103 | Кристаллические | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют |
Высококучевые, Altocumulus (Ac) | 2-6 | 0,1-0,8 | 10-102 | Капельные, смешанные | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют |
Высокослоистые, Altostratus (As) | 3-6 | 0,5-3 | 102-103 | Смешанные, кристаллические | Сутки и более | Десятки см/сек | Дождь, снег |
Слоисто-дождевые, Nimbostratus (Ns) | 0,1-1,0 | 1-10 | 102-103 | Смешанные | Сутки и более | Десятки см/сек | Дождь, снег |
Слоисто-кучевые, Stratocumulus (Sc) | 0,4-2,0 | 0,1-1,0 | 10-103 | Капельные | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют или морось |
Слоистые, Stratus (St) | 0,1-0,7 | 0,1-1,0 | 10-103 | Капельные | Сутки и более | Десятки см/сек | Отсутствуют или морось |
Кучевые, Cumulus (Сu) | 0,8-2,0 | 0,3-3 | 1-5 | Капельные | Десятки минут | 1 м/сек | Отсутствуют |
Кучево-дожевые, Cumulonimbus (Cb) | 0,4-1,5 | 5-12 | 5-50 | Смешанные | Десятки минут | 15-20 м/сек | Ливень, град |
достаточного количества кристалликов льда, которые затем укрупняются и выпадают из О. При этом упругость водяного пара в О. понижается, капли испаряются и наступает рассеяние О. (тумана). О. могут быть искусственно созданы с помощью тепловых источников конвекции – метеотронов или с помощью внесения дополнит. влаги. Так, при сгорании 1 кг керосина образуется ок. 1,2 кг водяного пара. Этого обычно достаточно для образования конденсационных следов за самолётами, летящими на выс. 8–12 км. Длительность существования таких следов зависит от влажности атмосферы. В разл. государствах проводятся науч. работы по искусств. регулированию и перераспределению осадков. Большая природная изменчивость количества естественно выпадающих осадков существенно осложняет проблему определения реальной эффективности применяемых методов воздействия. Однако развитие этих методов имеет большие экономич., юридич. и социальные аспекты. Неконтролируемое управление О., вызывающее засухи, лесные пожары или наводнения, может иметь глобальные негативные последствия для человечества.