Почему идёт дождь: как рождается осадки от капли до ливня
Дождь идёт потому, что водяные капли в облаке укрупняются до такого размера, при котором сила тяжести преодолевает восходящие потоки воздуха, и они падают на землю. Весь процесс начинается с испарения воды с поверхности морей, рек, почвы и заканчивается возвращением влаги обратно в виде осадков. Это называется круговоротом воды в природе, и дождь является его ключевым звеном.
Как вода попадает в атмосферу
Солнечное тепло нагревает поверхность водоёмов и влажной почвы. Молекулы воды разгоняются, преодолевают силы сцепления и уходят в воздух в виде невидимого пара. Этот процесс называется испарением. В среднем с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется слой воды толщиной около 1000 миллиметров. Над сушей испарение значительно ниже, но всё равно существенно: в Центральной России, например, с одного квадратного метра почвы за тёплый сезон испаряется 300-500 литров воды. Испарившаяся влага поднимается вместе с тёплыми воздушными массами, которые легче холодного воздуха. Чем выше поднимается воздух, тем холоднее становится окружающая среда. При подъёме на каждые 100 метров температура падает примерно на 0,65 градуса по шкале Цельсия.
Почему в облаке образуются капли
Когда воздух охлаждается до точки росы, пар начинает конденсироваться. Но для этого нужны твёрдые частицы, на поверхности которых пар может собираться. Такие частицы называются ядрами конденсации: это пыль, сажа, кристаллы морской соли, частицы почвы. Без них пар оставался бы перенасыщенным, но не превращался бы в капли. Вокруг каждого ядра конденсации собирается крошечная капелька диаметром от 0,005 до 0,05 миллиметра. Такие капельки настолько лёгкие, что не падают, а удерживаются восходящими потоками воздуха. Из миллиардов подобных капель и состоит облако. Именно поэтому облака выглядят белыми и пушистыми: маленькие капельки рассеивают солнечный свет равномерно, отражая все длины волн одновременно.
Как маленькая капля становится дождевой
Дождевая капля в сотни раз крупнее облачной. Диаметр дождевой капли составляет от 0,5 до 5 миллиметров. Чтобы капля выросла до такого размера, существуют два механизма. Первый называется коалесценцией: капли сталкиваются друг с другом и сливаются. Этот механизм работает в тёплых облаках над тропиками и в умеренном климате летом. Второй механизм активен в холодных облаках, где одновременно присутствуют переохлаждённые капли и кристаллы льда. Поскольку давление насыщенного пара над льдом ниже, чем над жидкой водой, пар охотнее осаждается на кристаллы льда. Кристаллы растут за счёт испарения капелек. Когда кристаллы льда достигают достаточного размера, они тяжелеют, падают вниз, проходят через слои более тёплого воздуха и тают, превращаясь в дождевые капли. Именно этот механизм, открытый метеорологом Торбьёрном Бержероном в 1930-х годах, ответственен за большую часть осадков в умеренных широтах, включая Россию.
Почему дождь бывает разным
Характер дождя определяется типом облаков и атмосферными условиями. Моросящий дождь формируется в низких слоистых облаках: капли в них небольшие и падают медленно. Обложной дождь типичен для фронтальных систем, когда тёплый воздух поднимается над холодным на протяжении сотен километров: такой дождь может идти много часов подряд и охватывает огромные площади. Ливневый дождь, напротив, рождается в мощных кучево-дождевых облаках с сильными восходящими потоками. В таком облаке вершина достигает высоты 10-15 километров, а перепад температур внутри достигает 50-70 градусов. Восходящие потоки в грозовом облаке могут разгоняться до 100 километров в час, поэтому капли успевают сильно укрупниться, прежде чем вырываются наружу. Поэтому ливень кратковременный, но интенсивный: за 30-40 минут может выпасть столько осадков, сколько при обложном дожде выпадает за несколько часов. На территории России наибольшее количество осадков в виде дождя выпадает в районах Кавказа и Дальнего Востока, где влажный морской воздух поднимается по горным склонам и быстро охлаждается.
