Почему образуются облака?

Лев Тарасов
«Наука и жизнь» №7, 2016

Фото Натальи Домриной («Наука и жизнь» №7, 2016)

Как и туманы, облака возникают в результате конденсации водяного пара в жидкое и твёрдое состояния. Конденсация происходит или вследствие увеличения абсолютной влажности воздуха, или в результате понижения температуры воздуха. На практике в образовании облаков участвуют оба фактора.

Понижение температуры воздуха обусловлено, во-первых, подъёмом (восходящим движением) воздушных масс и, во-вторых, адвекцией воздушных масс — их перемещением в горизонтальном направлении, благодаря чему тёплый воздух может оказаться над холодной земной поверхностью.

Ограничимся обсуждением образования облаков, вызванного понижением температуры воздуха при восходящем движении. Очевидно, что такой процесс существенно отличается от образования тумана — ведь туман практически не поднимается вверх, он остаётся непосредственно у земной поверхности.

Что заставляет воздух подниматься вверх? Отметим четыре причины восходящего движения воздушных масс. Первая причина — конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передаёт тепло приземным массам воздуха — и начинается их подъём. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно конвективное происхождение.

Процесс образования облака начинается с того, что некоторая воздушная масса поднимается вверх. По мере подъёма будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и поэтому при достаточно большом его объёме (а в образовании облака участвует действительно большой объём воздуха) теплообмен между поднимающимся воздухом и окружающей средой просто не успевает произойти за время подъёма. При адиабатном расширении воздух, не получая теплоты извне, совершает работу только за счёт собственной внутренней энергии, а потом охлаждается. Итак, поднимающийся вверх воздух будет охлаждаться.

Формирование облаков в результате конвекции («Наука и жизнь» №7, 2016)

Формирование облаков в результате конвекции

Когда начальная температура T0 поднимающегося воздуха понизится до точки росы Tр, соответствующей упругости содержащегося в нём пара, станет возможным процесс конденсации этого пара. При наличии в атмосфере ядер конденсации (а они практически всегда присутствуют) этот процесс действительно начинается. Высота H, на которой начинается конденсация пара, определяет нижнюю границу формирующегося облака. Её называют уровнем конденсации. В метеорологии применяют приближённую формулу для высоты H (так называемую формулу Ферреля):

H = 120(T0Tр),

где H измеряется в метрах.

Продолжающий поступать снизу воздух пересекает уровень конденсации, и процесс конденсации пара происходит уже выше этого уровня — облако начинает развиваться в высоту. Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух, охладившись, перестанет подниматься. При этом сформируется нечётко выраженная верхняя граница облака. Её называют уровнем свободной конвекции. Он располагается несколько выше уровня, на котором температура поднимающегося воздуха становится равной температуре окружающего воздуха.

Вторая причина подъёма воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своём пути горы или иные природные возвышения. Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. Образующиеся в данном случае облака называют облаками орографического происхождения (от греческого слова όρος, означающего «гора»). Понятно, что такие облака не получают существенного развития в высоту (она ограничена высотой преодолеваемого воздухом возвышения); в этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.

Третья причина подъёма воздушных масс — возникновение тёплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над тёплым фронтом — когда тёплая воздушная масса, надвигаясь на холодную массу воздуха, вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Фронтальная поверхность (поверхность холодного клина) очень пологая — тангенс угла её наклона к горизонтальной поверхности составляет всего 0,005–0,01. Поэтому восходящее движение тёплого воздуха мало отличается от горизонтального движения; как следствие облачность, возникающая над холодным клином, слабо развивается в высоту, но имеет значительную горизонтальную протяжённость. Такие облака называют облаками восходящего скольжения. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высокослоистые облака, а в верхнем ярусе — перисто-слоистые и перистые (понятно, что облака верхнего яруса образуются уже далеко за линией атмосферного фронта). Горизонтальная протяжённость облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.

Формирование облаков над тёплым атмосферным фронтом («Наука и жизнь» №7, 2016)

Формирование облаков над тёплым атмосферным фронтом

Образование облаков происходит также и над холодным атмосферным фронтом — когда наступающая холодная воздушная масса подвигается под массу тёплого воздуха и тем самым поднимает её. В этом случае наряду с облаками восходящего скольжения могут возникать также кучевые облака.

Формирование облаков над холодным атмосферным фронтом («Наука и жизнь» №7, 2016)

Формирование облаков над холодным атмосферным фронтом

Четвёртая причина подъёма воздушных масс — циклоны. Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх. Интенсивный подъём воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облакообразованию — возникают облака циклонического происхождения. Это могут быть слоисто-дождевые, высокослоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона.

По книге Л. В. Тарасова «Ветры и грозы в атмосфере Земли» (Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011).


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»