Механизмы формирования облаков

Географ Дарья Гущина о генетической классификации облаков, процессе формирования облаков и атмосферном фронте

Процесс формирования облаков включает в себя три этапа: испарение, подъем, конденсацию. Но только один из этапов влияет на форму облака. Какой именно? Сколько живет облако? И какой закон подлости объясняется законом физики? Об этом и не только рассказывает географ Дарья Гущина.

Сегодня мы поговорим об облаках. Облака очень разные, поэтому для их изучения существует международная классификация облаков, которую предложил английский фармацевт Люк Говард в начале XIX века. Говард не изучал физику, поэтому его классификация не опирается на физические закономерности образования облаков. После классификации Говарда создали более корректную — генетическую классификацию, которая связывает все разнообразие существующих облачных форм с процессами их формирования. Но тот факт, что классификация Говарда появилась раньше и успешно использовалась метеорологами на протяжении трех столетий, сделал ее общепринятой. Несмотря на популярность классификации Говарда, для понимания всего разнообразия облаков важно обсудить и генетическую классификацию. 

Популярные заблуждения

Все облака состоят из водяных капелек или ледяных кристаллов, поэтому их разделяют на водяные (только из водяных капель), смешанные (содержат воду и кристаллы) и кристаллические (состоят только из кристалликов льда). Многие заблуждаются, считая, что облака состоят из водяного пара. Водяной пар невидимый, а облака, напротив, мы можем наблюдать. Водяной пар может находиться в молекулах воздуха между капельками, но это не основная составляющая облака.

Другое ошибочное представление — что облака могут существовать очень долго. Например, конец 2019 года был достаточно пасмурным и унылым, небо было затянуто сплошным серым покровом облаков, из которых шли моросящие дожди или интенсивные осадки. Многим казалось, что эти облака вечны и что они существуют уже второй месяц. На самом деле каждое отдельное облако живет 15–20 минут. Облака постоянно испаряются, но параллельно происходит процесс конденсации, и образуются новые облака. 

Три этапа формирования облаков

Процесс образования облаков включает несколько этапов. Первый: в атмосферу поступает влага. Это происходит при процессе физического испарения с поверхности воды или суши или испарения растениями — транспирации. Второй важный этап: влага в виде водяного пара поднимается вверх вместе с объемами воздуха, после чего пар охлаждается. Важно, что процесс охлаждения происходит адиабатически, без обмена тепла с окружающей атмосферой. Объем воздуха не успевает провзаимодействовать с окружающей атмосферой и охладиться от нее. Когда человек, который едет на велосипеде в жаркий день по асфальту, проезжает под деревом, его организм тоже не успевает охладиться. 

Разберемся с этим адиабатическим процессом падения температуры подробнее. Известно, что с высотой падает давление и плотность. Поднимаясь, объем воздуха попадает в более разреженные слои и расширяется, но для этого необходимо совершить работу. Для этой работы нужно взять энергию, но, так как она не поступает извне, приходится брать внутреннюю энергию объема — это температура. В итоге работа, которая идет на расширение облака, черпается из запасов энергии самого объема воздуха, поэтому он охлаждается.

Воздух как губка, он может впитывать только определенный объем влаги. Чем ниже температура воздуха, тем меньше водяного пара он может содержать, поэтому при понижении температуры излишки водяного пара начинают конденсироваться, затем образуются капельки воды и облака.

Генетическая классификация облаков

Первый тип, который выделяют в генетической классификации, — облака конвекции. Конвекция — интенсивное перемешивание, основанное на законе Архимеда. Более теплый воздух всегда легче и обладает меньшей плотностью. Он поднимается вверх, пока не становится холоднее окружающего воздуха. Чтобы воздух всегда оказывался теплее окружающего воздуха, температура в окружающем воздухе должна быстро падать. Если температура не будет быстро снижаться, то температура воздуха, который идет вверх, и окружающего его воздуха быстро сравняется, и облако не сформируется. Оптимальные условия для развития конвективных облаков — когда внизу температура высокая, а на высотах низкая. Суша прогревается лучше, чем океан, потому что ее теплоемкость меньше, поэтому конвективные облака в наших умеренных широтах наблюдаются над континентами в летнее время, а такие облака характерны для теплого полугодия.

По международной классификации конвективные облака называют кучевыми (лат. Cumulus). Это те самые облака-башенки, которые дети рисуют в детском саду и которые часто встречаются на картинках, связанных с метеорологией. Кучевое облако — типичный образ облака для каждого человека. Процесс подъема происходит быстро, поэтому облака не проходят все одинаково и формы у них от этого самые разные — от маленьких башен кучевых плоских облаков до гигантов кучево-дождевых облаков, которые сопровождаются градом и грозами.

Другой важный процесс, который развивается летом над континентами и связан с прохождением кучевыми облаками всех стадий, — термическая конвекция. Для обывателей этот процесс часто ассоциируется с законом подлости. Представьте, вы летом проснулись, посмотрели на голубое безоблачное небо и собрались погулять, но, пока вы строили свои планы, от земли воздух прогрелся, начал подниматься, охлаждаться, и начали образовываться облачка. Если вы собираетесь быстро, то у вас есть шансы, а если, как большинство, вы собираетесь медленно, то к тому моменту, когда вы доберетесь до исходной точки, все небо в лучшем случае уже покроется большими башнями облаков. В худшем случае эти облака достигнут стадии Cumulonimbus, и начнется ливень. В итоге вы быстро бежите домой, а к тому моменту, когда вы оказались дома, ближе к вечеру, прогрев ослабевает, подъем воздуха прекращается, и облака рассеиваются. Настоящий закон подлости, но на самом деле не закон подлости, а закон физики. Если область высокого давления и в нем нисходящее движение, свойственное антициклонам, помешает развитию конвекции, то вы будете счастливыми свидетелями голубого неба в течение целого дня.

Другой тип облаков — слоистообразные. Они образуются на линии атмосферного фронта — это зона протяженностью тысячи километров, где сталкиваются холодный и теплый воздух. В этой зоне взаимодействия теплый воздух скользит по клину холодного и затем медленно поднимается, охватывая огромные площади в тысячи километров. В итоге получаются сплошные слои. Это все облака, которые связаны с теплым фронтом: перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые. Такой сплошной слой облаков всегда сопровождается длительными осадками и серым небом. 

Третий тип — волнообразные облака. Интересный факт: у нас в атмосфере всегда существуют волновые движения, которые чаще образуются в местах, где есть скачок плотности. Это можно проиллюстрировать на примере воды. Если вы бросите камень, то по поверхности воды пойдут волны. В атмосфере таких сильных волн нет, но есть слои инверсии температуры, где температура с высотой перестает падать и начинает подниматься. Наверху, где расположен более теплый воздух, возникает поверхность раздела. Под этой поверхностью раздела, под инверсией, возникают волнообразные облака. В зависимости от того, на какой высоте инверсия, облака будут разной формы. Инверсия работает как крышка кастрюли, она не дает воздуху дальше подниматься. Под ней скапливаются продукты конденсации, и слой насыщается влагой, создавая эффект гребня волны.

К третьему типу относят высококучевые облака (лат. Altocumulus), которые находятся на высоте 2–5 километров. Также к нему относят перисто-кучевые облака, в форме маленьких белых барашков. Такие облака образуются, когда инверсия расположена выше 5 километров. Ниже 2 километров расположены серые слоисто-кучевые облака. Интересный факт: у западных побережий материков в тропиках, недалеко от экватора, небо почти круглый год покрыто свинцово-серыми облаками, которые не дают осадков. Поэтому на побережье океана образуются пустыни — например, в районе Чили и Перу, Анголы, западного побережья Африки, западного побережья Австралии. Благодаря волнообразным облакам (лат. Stratocumulus) в прекрасных теплых тропиках существуют области с неприветливым климатом.

Источник: postnauka.ru