Билет №15
Образование облаков и их микроструктура
Облака представляют собой системы взвешенных в атмосфере облачных элементов – водных капель и/или ледяных кристаллов различимых глазом.
Облака являются результатом сложных и разнообразных физических процессов, происходящих в атмосфере. Чаще всего образование облаков происходит в результате восходящего движения воздуха. Подъем воздуха может быть вызван несколькими причинами. Воздух может подниматься в результате термической конвекции – подъем более теплого и легкого воздуха, нагретого от земной поверхности (рис. 1а), или вынужденной конвекции – теплый воздух скользит вверх по клину холодного в зоне атмосферного фронта (рис. 1б). Другая причина состоит в том, что возвышенность, лежащая на пути движущегося воздуха, заставляет его подниматься (рис. 1в). Это явление называется орографическим восхождением. Наконец причиной облакообразования могут быть динамические особенности центральной части областей пониженного давления, где также развиваются восходящие движения воздуха. Поднимающийся воздух охлаждается, и возникают облака.
Возможен и еще один способ облакообразования – турбулентный. В нижнем слое атмосферы толщиной 1 - 1,5 км на некоторой высоте иногда возникает слой замедленного падения температуры – инверсионный слой. Ниже слоя в результате интенсивного турбулентного перемешивания происходит перераспределение тепла и влаги, они переносятся вверх от подстилающей поверхности. В результате температура в подинверсионном слое понижается, а влажность увеличивается (водяной пар задерживается инверсионным слоем), что приводит к образованию облачности.
Большую роль в облакообразовании играют аэрозольные частицы, которые всегда присутствуют в атмосфере. Это мельчайшие капельки солей и кислот, твердые частицы солей, пыли, дымов, почвы, споры растений и др. Размеры их колеблются от 0,001 до 10 мкм в радиусе. Концентрация аэрозолей очень изменчива и зависит как от погодных условий, так и от территории.
В процессе облакообразования частицы аэрозолей служат ядрами, на которые конденсируется водяной пар при пересыщении (состояние, при котором относительная влажность превышает 100%) с последующим образованием облачных капель и кристаллов. Но ядрами конденсации являются не все аэрозоли, а только «подходящие». Это твердые частички солей или жидкие капельки солей и кислот, а также, возможно, нерастворимые, но смачивающиеся твердые частицы. Размер ядер конденсации составляет от 0,01 до 1 мкм. На таких ядрах возможна конденсация при малом пересыщении (относительная влажность 100,1 - 100,5 %), их достаточно много в атмосфере, т.к. они свободно плавают в ней. Такие аэрозоли называют активными ядрами конденсации. На образование капель расходуется только около 5 - 10 % ядер конденсации от их общего числа. Таким образом, в атмосфере всегда имеется избыток ядер конденсации.
Рассмотрим более подробно физическую сторону процесса облакообразования. Весь процесс можно условно разбить на несколько стадий:
ядрообразование (нуклеация);
конденсационный рост и испарение зародышевых капель и кристаллов;
коагуляционный рост капель и кристаллов;
укрупнение капель и образование осадков.
Облака и туманы
Облака́ — взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые на небе с поверхности земли.
Облака состоят из мельчайших капель воды и/или кристаллов льда (называемых облачными элементами). Капельные облачные элементы наблюдаются при температуре воздуха в облаке выше −10 °C; от −10 до −15 °C облака имеют смешанный состав (капли и кристаллы), а при температуре в облаке ниже −15 °C — кристаллические.
При укрупнении облачных элементов и возрастании их скорости падения, они выпадают из облаков в виде осадков. Как правило, осадки выпадают из облаков, которые хотя бы в некотором слое имеют смешанный состав (кучево-дождевые, слоисто-дождевые, высоко-слоистые). Слабые моросящие осадки (в виде мороси, снежных зёрен или слабого мелкого снега) могут выпадать из однородных по составу облаков (капельных или кристаллических) — слоистых, слоисто-кучевых.
Кроме всего прочего, облака — известный лирический образ, используемый многими поэтами (Державин, Пушкин) в своих произведениях, писатели часто обращаются к этому образу, если требуется описать нечто высокое, мягкое или недосягаемое. Они ассоциируются с покоем, мягкостью и безмятежностью. Облака часто олицетворяют, придавая им мягкие черты характера.
Туман — атмосферное явление, скопление воды в воздухе, когда образуются мельчайшие продукты конденсации водяного пара (при температуре воздуха выше −10° это мельчайшие капельки воды, при −10…-15° — смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже −15° — кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей).
Относительная влажность воздуха при туманах обычно близка к 100 % (по крайней мере, превышает 85-90 %). Однако в сильные морозы (-30° и ниже) в населённых пунктах, на железнодорожных станциях и аэродромах туманы могут наблюдаться при любой относительной влажности воздуха (даже менее 50 %) — за счёт конденсации водяного пара, образующегося при сгорании топлива (в двигателях, печах и т. п.) и выбрасываемого в атмосферу через выхлопные трубы и дымоходы.
Непрерывная продолжительность туманов составляет обычно от нескольких часов (а иногда полчаса-час) до нескольких суток, особенно в холодный период года.
На метеостанциях отмечают следующие виды тумана:
Поземный туман — туман, низко стелящийся над земной поверхностью (или водоёмом) сплошным тонким слоем или в виде отдельных клочьев, так что в слое тумана горизонтальная видимость составляет менее 1000 м, а на уровне 2 м — превышает 1000 м (обычно составляет, как при дымке, от 1 до 9 км, а иногда 10 км и более). Наблюдается, как правило, в вечерние, ночные и утренние часы. Отдельно отмечается поземный ледяной туман — наблюдаемый при температуре воздуха ниже −10…-15° и состоящий из кристалликов льда, сверкающих в солнечных лучах или в свете луны и фонарей.
Просвечивающий туман — туман с горизонтальной видимостью на уровне 2 м менее 1000 м (обычно она составляет несколько сотен метров, а в ряде случаев снижается даже до нескольких десятков метров), слабо развитый по вертикали, так что возможно определить состояние неба (количество и форму облаков). Чаще наблюдается вечером, ночью и утром, но может наблюдаться и днём, особенно в холодное полугодие при повышении температуры воздуха. Отдельно отмечается просвечивающий ледяной туман — наблюдаемый при температуре воздуха ниже −10…-15° и состоящий из кристалликов льда, сверкающих в солнечных лучах или в свете луны и фонарей.
Туман — сплошной туман с горизонтальной видимостью на уровне 2 м менее 1000 м (обычно она составляет несколько сотен метров, а в ряде случаев снижается даже до нескольких десятков метров), достаточно развитый по вертикали, так что невозможно определить состояние неба (количество и форму облаков). Чаще наблюдается вечером, ночью и утром, но может наблюдаться и днём, особенно в холодное полугодие при повышении температуры воздуха. Отдельно отмечается ледяной туман — наблюдаемый при температуре воздуха ниже −10…-15° и состоящий из кристалликов