36. Облака

В атмосфере в результате конденсации возникают скопления продуктов конденсации – капель и кристаллов, видимых простым глазом – это облака. Облачные элементы – капли и кристаллы – настолько малы, что их вес уравновешивается силой трения. Установившаяся скорость падения капель в неподвижном воздухе равна нескольким долям сантиметра в секунду, а скорость падения кристаллов – еще меньше. Существующее в атмосфере турбулентное движение воздуха приводит к тому, что столь малые капли и кристаллы вовсе не выпадают, а длительное время остаются взвешенными в воздухе, смещаясь, то вниз, то вверх.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность в воздухе, содержащем облака, убывает, то облака испаряются. При определенных условиях часть облачных элементов укрупняется и утяжеляется настолько, что выпадает из облака в виде осадков. Таким путем вода возвращается из атмосферы на земную поверхность.

При конденсации непосредственно у земной поверхности скопления продуктов конденсации называют туманами. Принципиальной разницы в строении облаков и туманов нет. В горах возможно возникновение облака на самом горном склоне. Для наблюдателя, смотрящего снизу, из долины, это будет облако, для наблюдателя на самом склоне – туман.

Отдельные облака существуют очень короткое время, Например время существования отдельного кучевого облака иногда составляет всего 10-15 мин. Это значит, что недавно возникшие капли, из которых состоит облако, снова быстро испаряются. Но даже длительное существование облака не означает, что оно находится в неизменном состоянии, т.е. длительное время состоит из одних и тех же частиц.

В действительности элементы облака постоянно испаряются и возникают заново. Длительно существует определенный процесс облакообразования; облако же является только видимой в данный момент частью общей массы воды, вовлекаемой в этот процесс.

Взвешенность облаков также обманчива. Если облако не меняет своей высоты, то это еще не означает, что составляющие его элементы не выпадают. Капли в облаке могут опускаться, но, достигая нижней границы облака, они переходят в ненасыщенный воздух и испаряются. В результате облако будет казаться длительно находящимся на одном уровне.

По фазовому состоянию облачных элементов облака делятся на три класса.

Водяные (капельные) облака, состоящие только из капель. Они могут существовать не только при положительных температурах, но и при отрицательных (–10°С и ниже). В этом случае капли находятся в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно.

Смешанные облака, состоящие из смеси переохлажденных капель и ледяных кристаллов. Они могут существовать, как правило, при температурах от –10 до –40°С.

Ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов. Они преобладают, как правило, при температурах ниже –30°С.

В теплое время года водяные облака образуются главным образом в нижних слоях тропосферы, смешанные – в средних слоях, ледяные – в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать и вблизи земной поверхности. В исключительно редких случаях чисто капельное строение облака могут сохранять до температур порядка –30…–35°С.

При температурах ниже – 10°С преобладают смешанные облака, т.е. в облаке наряду с каплями имеются и кристаллы. Наиболее высокие облака тропосферы, наблюдающиеся при температурах порядка –30…– 50°С, имеют, как правило, чисто кристаллическое строение.

Размеры облачных капель варьируют в широких пределах – от долей до сотен микрометров.

В зависимости от условий образования и от стадии развития облако может состоять из капель как сравнительно однородных, так и весьма различных по размерам. В умеренных широтах наиболее часто в облаках встречаются капли радиусом от 3 до 20 мкм. В стадии, близкой к выпадению осадков, радиус облачных капель увеличивается примерно до 20– 30 мкм, появляются и сверхкрупные капли с r = 100 мкм.

При таянии кристаллов и взаимном слиянии капель в облаках могут образоваться капли радиусом до 100-200 мкм. Капли таких размеров начинают выпадать из облака в виде мороси или дождя. Радиус капель дождя может достигать и тысяч микрометров, т.е. нескольких миллиметров.

Кристаллы в облаках разнообразны по форме и размерам. Замерзание капель при низких температурах дает так называемые полные кристаллы – ледяные шестиугольные (гексагональные) пластинки или призмы диаметром 10-20 мкм. При дальнейшей сублимации (кристаллизации) они растут и на их углах появляются разветвления (лучи). На этих разветвлениях образуются новые, и кристаллы превращаются в шестилучевые звезды (снежинки) или иного вида кристаллы сложной и разнообразной структуры. Размер их может достигать нескольких миллиметров в диаметре.

Число капель в единице объема облачного воздуха (1 см³) в среднем составляет: от сотен на 1 см³ (800 капель/см³) в нижней тропосфере до десятков на 1 см³ (100 капель/см³) в высоких слоях тропосферы. Содержание кристаллов в облаках еще меньше – порядка 0,1/см³, однако в плотных облаках оно может быть на порядок больше, т.е. 1/см³. В неплотных облаках верхнего яруса концентрация кристаллов может составлять десятки на 1 м³.

Массу капель воды и кристаллов льда в единичном объеме облачного воздуха называют водностью облаков. Содержащиеся в единице объема облачного воздуха капли и (или) кристаллы так малы, что, несмотря на их значительное количество, масса воды в жидком виде в облаках невелика. В водяных облаках в 1 м³ облачного воздуха содержится от 0,1 до 0,3 г воды.

Только в кучевых облаках водность больше и меняется от 0,7 г/м³ в их нижней части до 1,8 г/м³ – в верхней, достигая в отдельных случаях 5 г/м³. В кристаллических облаках водность значительно меньше – сотые доли грамма на 1 м³. Это и понятно, если вспомнить, что абсолютная влажность воздуха равна лишь граммам в 1 м³, а в более высоких слоях, т.е. при более низких температурах, – нескольким долям грамма. При конденсации переходит в жидкое состояние не весь водяной пар, имеющийся в воздухе, а только часть его. Поэтому водность облаков оказывается еще меньше, чем абсолютная влажность воздуха.