Как образуются облака: от невидимого пара до белых громад в небе
Облака образуются в результате конденсации водяного пара при охлаждении воздуха. Поднимаясь вверх, воздух расширяется и остывает, а когда температура достигает точки росы, пар превращается в мельчайшие капельки воды или кристаллики льда, которые удерживаются в воздухе. Миллиарды таких частиц и составляют то, что мы называем облаком.
Почему воздух поднимается и охлаждается
Главная причина образования облаков состоит в том, что воздух вблизи земли нагревается сильнее, чем высоко в атмосфере. Нагретый воздух расширяется, становится легче и поднимается вверх, как пузырь в воде. По мере подъёма давление вокруг него падает, воздух расширяется дополнительно и при этом охлаждается. Это хорошо известный закон термодинамики: при адиабатическом расширении температура газа снижается. Скорость охлаждения сухого воздуха при подъёме составляет около 1 градуса на каждые 100 метров высоты. Когда пар начинает конденсироваться, выделяется скрытое тепло и скорость охлаждения снижается вдвое, до 0,5 градуса на 100 метров: конденсация подогревает воздух и позволяет ему подниматься выше. Помимо прогрева снизу, воздух поднимают горы, фронтальные разделы масс и неравномерный прогрев суши и воды.
Как капля вырастает из пара
Сам по себе водяной пар не может конденсироваться в воздухе без посторонней помощи. Для этого необходимы ядра конденсации, то есть мельчайшие твёрдые или жидкие частицы, на которых пар может оседать. Роль таких ядер играют кристаллы морской соли, частицы дыма и сажи, пыль, пыльца растений, продукты жизнедеятельности бактерий. В одном кубическом сантиметре воздуха над городом может содержаться до миллиона таких ядер, тогда как над океаном их лишь несколько сотен. Это напрямую влияет на характер облаков: над промышленными районами образуются более плотные и непрозрачные облака с более мелкими капельками. Когда влажный воздух охлаждается до точки росы, пар начинает конденсироваться на ядрах, образуя облачные капли диаметром от 5 до 50 микрометров. Они настолько лёгкие, что не падают, а парят. Вертикальные потоки скоростью от 0,1 до нескольких метров в секунду удерживают их в воздухе. Именно поэтому нижняя граница облаков обычно выровнена: это высота, на которой конкретная порция влажного воздуха достигает точки росы.
Почему облака такие разные
Международная классификация, разработанная ещё в XIX веке, выделяет несколько основных форм облаков в зависимости от высоты и способа образования. Кучевые облака формируются при конвекции и вертикальном развитии. В ясный летний день хорошо видно, как с прогревом почвы они нарастают, а к вечеру, когда нагрев ослабевает, рассеиваются. Если конвекция мощная и воздух очень влажный, кучевые облака вырастают в кучево-дождевые, и начинается гроза. Слоистые облака образуются при горизонтальном смещении воздушных масс и постепенном охлаждении. Они стелются низко над землёй или возникают как сплошная серая пелена, закрывающая небо на весь день. Перистые облака существуют на высоте 7-12 километров. Там температура ниже минус 40 градусов и они состоят исключительно из кристаллов льда. Именно поэтому перистые облака белые и имеют характерный волокнистый или перьевидный вид. Высота нижней границы разных типов облаков в умеренных широтах, включая большую часть России, существенно меняется по сезонам. Летом нижний ярус начинается до 2 километров, средний ярус от 2 до 7 километров, а высокие облака от 7 до 12 километров.
Сколько воды содержит облако
Несмотря на внушительный вид, обычное кучевое облако содержит на удивление мало воды. В каждом кубическом метре облачного воздуха растворено лишь около полуграмма воды в виде капель. Типичное кучевое облако объёмом один кубический километр содержит около 500 тонн воды. Много это или мало? Кучево-дождевое грозовое облако объёмом в десятки кубических километров может содержать сотни миллионов тонн воды, хотя выпадает из него обычно лишь малая её часть. Водность облаков непостоянна: в кучевых умеренных широт она составляет 0,1-0,3 грамма на кубический метр, в мощных грозовых достигает 3-4 граммов. Российская служба Росгидромет ведёт непрерывный мониторинг облачного покрова с помощью спутников и радаров, потому что облака определяют не только погоду, но и водный баланс целых регионов страны.
