Образование облаков
Облако образуется, когда влажный воздух поднимается, расширяется и охлаждается до температуры насыщения. После достижения точки росы водяной пар начинает превращаться в мельчайшие капли воды или кристаллы льда на частицах пыли и соли — так возникает облако.
Главное условие: подъём воздуха
У поверхности Земли воздух нагревается от суши или воды, становится менее плотным и может подниматься. Воздух также поднимается, когда его вытесняет более холодная воздушная масса, когда он встречает горный склон или когда сходятся потоки воздуха. Во всех случаях важен именно подъём: в верхних слоях атмосферы давление меньше, поэтому поднимающийся воздух расширяется.
- Конвективный подъём — нагретый у поверхности воздух поднимается вверх; так часто образуются кучевые облака.
- Фронтальный подъём — тёплый воздух поднимается над холодным на атмосферном фронте; характерны слоистые облака.
- Орографический подъём — воздух поднимается по склону горы; на наветренной стороне облачность и осадки обычно увеличиваются.
- Сходимость потоков — воздух движется к области пониженного давления и вынужден подниматься.
Облако — скопление мельчайших капель воды, кристаллов льда или их смеси в атмосфере. Оно появляется не из водяного пара напрямую, а в результате его конденсации или сублимации на аэрозольных частицах.
Охлаждение при подъёме
Поднимающийся воздух расширяется и совершает работу против окружающего давления. Поэтому его внутренняя энергия и температура уменьшаются. Если воздух не обменивается теплом с окружающей средой, охлаждение называют адиабатическим.
В среднем ненасыщенный поднимающийся воздух охлаждается примерно на \(1\,^{\circ}\mathrm{C}\) на каждые 100 м высоты, то есть на \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\) на 1 км. Насыщенный воздух охлаждается медленнее — примерно на \(0{,}5–0{,}6\,^{\circ}\mathrm{C}\) на 100 м, потому что при конденсации выделяется скрытая теплота.
До насыщения воздух обычно охлаждается быстрее. После начала конденсации часть водяного пара превращается в жидкую воду, и выделяющаяся теплота замедляет дальнейшее охлаждение. Поэтому граница образования облака — уровень конденсации — имеет большое значение.
Насыщение и уровень конденсации
Способность воздуха удерживать водяной пар зависит прежде всего от температуры. Тёплый воздух может содержать больше пара, чем холодный. При охлаждении количество пара в воздухе может оставаться почти прежним, но максимально возможное содержание уменьшается. Относительная влажность тогда возрастает.
Когда относительная влажность достигает 100%, воздух становится насыщенным воздухом. Если охлаждение продолжается, избыток водяного пара уже не может оставаться в газообразном состоянии. Он конденсируется на ядрах конденсации, образуя капли, либо переходит в лёд при подходящих условиях.
Уровень конденсации — высота, на которой поднимающийся воздух охлаждается до температуры точки росы и становится насыщенным. Примерно с этой высоты начинается образование видимого облака.
Здесь \(T\) — температура воздуха у поверхности в градусах Цельсия, \(t_d\) — температура точки росы у поверхности. Приближённая формула показывает: чем больше разница между температурой и точкой росы, тем выше основание облака. Если воздух почти насыщен у поверхности, облако может образоваться на небольшой высоте.
У поверхности температура воздуха равна \(20\,^{\circ}\mathrm{C}\), а точка росы — \(12\,^{\circ}\mathrm{C}\). Где примерно начнётся образование облака?
Ядра конденсации и типы облаков
В чистом воздухе водяному пару трудно начать конденсироваться. В атмосфере есть мельчайшие частицы — пыль, морская соль, дым, продукты вулканической деятельности. На их поверхности образуются капли. Такие частицы называют ядрами конденсации. При отрицательных температурах важную роль играют ядра льдообразования, на которых формируются кристаллы льда.
Характер облака зависит от способа подъёма воздуха и устойчивости атмосферы. При сильном вертикальном движении возникают кучевые и мощные кучево-дождевые облака. При плавном подъёме на большой площади формируются слоистые облака. На наветренных склонах гор облака могут сохраняться длительно, а на подветренной стороне воздух опускается, нагревается и становится суше.
| Условие подъёма | Как движется воздух | Типичный результат |
|---|---|---|
| Сильный нагрев поверхности | Быстро поднимается отдельными потоками | Кучевые облака, ливни |
| Тёплый фронт | Плавно поднимается над холодным воздухом | Слоистые облака, длительные осадки |
| Горный склон | Поднимается вдоль склона | Облака и осадки на наветренной стороне |
| Область низкого давления | Сходится к центру и поднимается | Облачная, часто дождливая погода |
Разобранный пример: высота основания облака
У поверхности температура воздуха равна \(18\,^{\circ}\mathrm{C}\), температура точки росы — \(10\,^{\circ}\mathrm{C}\). Воздух поднимается. Определите примерную высоту основания облака.
Следовательно, при данных условиях основание облака будет примерно на высоте 1 км. Реальная высота может отличаться из-за движения воздуха, рельефа, распределения температуры и влажности.
1. Считают, что облако образуется просто из-за низкой температуры. Нужны одновременно влажность, подъём и охлаждение до насыщения. 2. Используют \(1\,^{\circ}\mathrm{C}\) на 100 м после начала конденсации: для насыщенного воздуха скорость охлаждения меньше. 3. Путают абсолютную и относительную влажность: при охлаждении относительная влажность растёт даже без добавления водяного пара. 4. Думают, что любое облако сразу даёт осадки: капли и кристаллы должны укрупниться, чтобы выпасть.
Если даны температура воздуха и точка росы, сначала вычислите их разность, затем умножьте её на 125 м. Если спрашивают причину облачности, ищите цепочку: подъём → расширение → охлаждение → насыщение → конденсация.
Связь с туманом и осадками
Если насыщение достигается непосредственно у земной поверхности или рядом с ней, образуется туман, а не обычное облако над поверхностью. В горах облако может соприкасаться со склоном, но физический процесс остаётся тем же: влажный воздух охлаждается до насыщения.
Образование облака ещё не означает выпадение осадков. Капли облака очень малы и удерживаются восходящими потоками. Для дождя или снега они должны вырасти за счёт столкновений, слияния или роста кристаллов льда. Поэтому изучение облаков связано с темой облаков, но также ведёт к изучению осадков и их измерения.
Быстрая проверка
Главное
- Облако образуется при подъёме влажного воздуха, его расширении и охлаждении до точки росы.
- Главные механизмы подъёма — конвекция, фронтальный и орографический подъём, а также сходимость потоков.
- После достижения насыщения водяной пар конденсируется или сублимирует на атмосферных частицах.
- Приближённая высота основания облака: \(h\approx125\,(T-t_d)\) м.
- До насыщения воздух охлаждается примерно на 1 °C на 100 м, после насыщения — медленнее.
- Туман — это облако, образовавшееся у земной поверхности; наличие облака не гарантирует выпадения осадков.