2.1.2 Типы облаков

В зависимости от горизонтальных размеров областей, охваченных вертикальными движениями и других физических процессов, образуются различные по внешнему виду и внутреннему строению облака[1]. Существует огромное количество различных видов облаков. Существует две категории классификации облаков: по внешнему виду и основанная на генетическом принципе[3]. В основе первой классификации, которую предложил в 1803 году английский ученый Л. Гоавард, лежит внешний вид облаков. Здесь можно выделить три класса: слоистые, кучевые и перистые. Слоистые облака – вытянутые по горизонтали плоские образования, которые кажутся совсем однородными. Кучевые облака – это индивидуальные облачные массы, которые развиваются по вертикали в форме вздымающихся холмов, куполов или башен. Перистые облака состоят из ледяных кристаллов; они образуются на большой высоте[4].

Существует классификация, которая принимает во внимание высоту облака. Если облака расположены, ниже примерно 2000 метров, они именуются облаками нижнего яруса. Если облака расположены на высоте между 2000 и 6000 метров, они называются облаками среднего яруса. Облака, которые лежат выше 6000 метров, приобретают приставку «перисто»[1].

Классификацию по генетическому принципу предложил англичанин Ф. Ладлем, разделивший облака в соответствии с характером движения воздуха, которое ведет к их образованию и росту. Он выделяет четыре основных класса: орографические облака, образующиеся в результате вертикального движения, вызываемого горами или холмами, слоистые облака, возникающие вследствие крупномасштабного неупорядоченного движения воздуха; слоистые облака, появляющиеся в результате крупномасштабного упорядоченного подъема воздуха; кучевообразные облака, возникающие вследствие конвекции[4].

В нашем случае наибольший интерес представляют кучевообразные или конвективные облака.

2.1.3 Процессы и параметры, характеризующие облако (размеры и число облачных капель, рост облачных капель, точка росы, процесс укрупнения облачных частиц)

Размеры и число облачных капель. Спектр размера облачных капель различен не только для разных типов облаков. Он различен и для облаков одного и того же в типа. Фактически характеристики капель даже одного и того же типа облаков изменяются в широких пределах в зависимости от районов и места взятия пробы[4].

Кучевые облака хорошей погоды – это небольшие белые пушистые облака. Они состоят из большого числа мелких капель. Максимальный диаметр их в большинстве облаков не превышает 50 микрон. В слоистых облаках капель меньше, чем в кучевых. Измерения, выполненные многими исследователями показали, что в большинстве слоистых облаках средние радиусы капель лежат в диапазоне 4-10 микрон. В ливневых облаках средний радиус капель около 20 микрон[5].

Рост облачных капель. Конденсация – это процесс, при котором молекулы водяного пара слипаются в достаточно большие группы, образуя жидкую воду. Когда говорится о больших поверхностях, достаточно знать свойства и температуру поверхности, а также температуру и относительную влажность воздуха, чтобы объяснить физическую сущность конденсации[3].

Рассмотрим теплый день, когда температура воздуха 26 , а относительная влажность 50 %. Возьмем стакан, наполним его ледяной водой. Воздух, соприкасающийся со стаканом, тотчас же начнется охлаждаться. Но по мере охлаждения воздуха его относительная влажность повышается, даже если в него не поступают водяные пары[5].

Чтобы понять, почему это происходит, исследуем свойства воздуха и водяного пара. Пусть имеется закупоренная банка с небольшим количеством воды на дне. Если относительная влажность воздуха в банке, когда наливаем в нее воду, составляла 50 %, то вода должна испаряться. Молекулы водяного пара будут вырываться из жидкости в воздух, а некоторые молекулы водяного пара будут поступать из воздуха в воду, но таких окажется меньше. Постепенно число молекул водяного пара в воздухе будет возрастать, а относительная влажность повышаться. В результате будет уменьшаться разница между количеством молекул, переходящих из воды в воздух и наоборот. Это в свою очередь приведет к тому, что скорость увеличения влажности воздуха будет уменьшаться[4].

Хорошо известно, что количество паров воды, которое может находиться в воздухе, зависит от его температуры. Чем выше температура, тем выше насыщение[6].

В данном эксперименте предполагалось, что температура остается неизменной. Если, после того как воздух достигнет состояния насыщения, банку поместить в холодильник, чтобы понизить ее температуру, молекулы водяного пара вновь начнут возвращаться в воду. При более низкой температуре упругость (давление) насыщающих паров в воздухе уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество молекул водяных паров, которые он может содержать[4].

Точка росы. Возьмем пример со стаканом ледяной воды. Так как воздух, окружающий стакан, охлаждается, его относительная влажность возрастает. Через некоторое время она достигнет 100% и наступит насыщение. Дальнейшее охлаждение означает, воздух становится пересыщенным, т. е. в нем будет молекул пара больше, чем в условиях насыщения. Эти молекулы начинают оседать на поверхности стакана, чтобы вернуть воздух в насыщенное состояние. Все время, пока будет падать температур, будет продолжаться процесс конденсации[5].

Тот момент в процессе охлаждения, при котором начинается конденсация, называется точкой расы. Он наступает тогда, когда относительная влажность воздуха достигает 100%. Температура воздуха, при которой начинается конденсация, носит название температуры точки росы. Эта величина зависит от температуры воздуха, содержания влаги и давления. Например, если температура и относительная влажность 50%, температура точки росы при нормальном атмосферном давлении равна [4].

Рост облака. Процесс укрупнения облачных частиц. Природа располагает различными способами охлаждения воздуха до температуры, при которой могут образовываться облака. В ясные ночи большое количество тепла излучается вверх нижними слоями атмосферы. Когда слои воздуха вблизи земной поверхности достаточно влажные, а более высокие слои – сухие, наблюдается резкое охлаждение поверхности земли и приземного слоя воздуха. При некоторых условиях охлаждение продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура точки росы[5].

Наиболее важную роль в образовании облака играет вертикальное перемещение больших масс воздуха.

С высотой давление падает. Когда массы воздуха поднимаются, они переходят из области сравнительного высокого давления в область более низкого давления. При этом воздух расширяется, значит, его температура понижается. Сухой воздух, если он не получает и не отдает тепла во время перемещения, охлаждается на при подъеме на каждые 100 метров. Эта величина называется сухоадиабатическим градиентом. Термин «адиабатический» означает, что данная масса воздуха не получает и не теряет тепла за счет излучения и теплопроводности. Термин «градиент» означает скорость, с которой температура изменяется в зависимости от высоты[4].

По мере того как воздух поднимается и его температура понижается, относительная влажность воздуха растет, пока не наступит насыщение и не начнется конденсация[4].

Когда облака начали образовываться, эффекты, вызываемые расширением поднимающегося воздуха, частично компенсируются за счет тепла, выделяющегося во время конденсации. Конденсация приводит к выделению тепла[6].

Температура поднимающейся массы воздуха, в котором происходит конденсация, понижается со скоростью примерно на каждые 100 метров. Именно выделением скрытой теплоты объясняется тот факт, что градиент насыщенного воздуха на меньше, чем при адиабатическом подъеме сухого воздуха[3].

Если скорость подъема воздуха, которая называется скорость восходящего потока, достаточно велика, охлаждение может происходить столь быстро, что конденсация будет запаздывать. В этом случае воздух становится пересыщенным. Однако, пересыщение даже в исключительных условиях вряд ли способного превысить 1%[4].

В движущемся вверх воздухе находятся миллионов ядер конденсации различных типов. Некоторые из них гигроскопичны и притягивают молекулы водяного пара, другие же с трудом смачиваются[4].

Облака обычно являются указателями областей, где воздушные массы поднимаются и где происходит конденсация на ничтожно маленьких ядрах конденсации. Форма облаков зависит от характера вертикальных движений[4].