Как появляются облака¶

Облака — видимые скопления капель воды или кристаллов льда, взвешенных в атмосфере. Образование облаков (конденсация) происходит, когда воздух охлаждается до точки росы — температуры, при которой водяной пар начинает конденсироваться. Этот процесс лежит в основе круговорота воды в природе и определяет погоду.

¶Основные условия образования

Для появления облака необходимы три условия:

1. Наличие влаги. Атмосферный воздух всегда содержит водяной пар, но его количество (влажность) сильно различается — от почти нуля в полярных пустынях до насыщения в тропиках.
2. Источник подъёма воздуха. Воздух должен подняться на высоту, где давление ниже и он охлаждается. Скорость охлаждения влажного воздуха — около 1 °C на каждые 100 метров подъёма.
3. Ядра конденсации. Чистый пар не конденсируется сам по себе даже при насыщении. Для образования капель нужны мельчайшие частицы — пыль, сажа, морской соль, пыльца, бактерии. Их размер обычно 0,1–10 мкм.

¶Источники подъёма воздуха

¶Конвекция

Самый распространённый механизм. Солнце нагревает земную поверхность, та нагревает прилегающий слой воздуха. Тёплый воздух легче холодного и поднимается вверх, охлаждаясь. На высоте конденсации он образует кучевые облака (Cumulus) — характерные «пышные» облака с плоским основанием. В жаркие дни такие облака могут превращаться в грозовые кучево-дождевые (Cumulonimbus) высотой до 12–15 км.

¶Фронтальное поднятие

На границе воздушных масс разной температуры (фронт) более тёплый воздух вынужден подниматься над холодным. Так возникают слоистые и слоисто-дождевые облака (Stratus, Nimbostratus), часто приносящие затяжные дожди. Фронтальные облака могут тянуться на сотни километров.

¶Орографический подъём

Воздушный поток, сталкивающийся с горным хребтом, поднимается по склону. На подветренной стороне гор формируются облака, а на наветренной — осадки. В России этот эффект хорошо выражен на Кавказе и в Прибайкалье.

¶Конвергенция

Схождение воздушных потоков на уровне земли заставляет воздух подниматься. Так возникают фронтальные зоны и зоны межтропического схождения.

¶Процесс конденсации

Когда воздух поднимается и охлаждается, его относительная влажность растёт. При достижении 100 % (точка росы) начинается конденсация на ядрах. Образуются капли радиусом около 5–15 мкм. Капли настолько малы, что почти не оседают — их держит в воздухе восходящий поток и турбулентность.

Дальнейшее развитие зависит от типа облака:

• Кучевые облака живут 10–20 минут: капли растут, выпадают в виде ливня, облако рассеивается.
• Слоистые облака могут существовать часами, постепенно насыщаясь влагой.
• Грозовые кучево-дождевые развиваются в вертикальном течении до 15 км, где температура падает до −40 °C, и капли замерзают.

¶Высота образования и классификация

Высота основания облака определяется тем, на какой высоте воздух охлаждается до точки росы. В средних широтах она составляет 500–2000 м, в тропиках — до 2000–4000 м. По высоте различают:

Высокоширотные перистые облака (Cirrus) состоят из кристаллов льда и образуются на высотах 6–12 км, где температура ниже −40 °C.

¶Роль аэрозолей

Исследования последних десятилетий показали, что количество ядер конденсации существенно влияет на свойства облаков. При избытке частиц (например, из-за промышленных выбросов или лесных пожаров) образуется много мелких капель, которые хуже сливаются в осадки. Такие облака более светлые и живут дольше. Этот эффект (эффект Твоми) учитывается в климатических моделях.

¶Интересные факты

• Облако средних размеров (кучевое) содержит около 500 000 литров воды, но его плотность в 500 раз меньше воздуха, поэтому оно держится в атмосфере.
• Самые низкие облака — приземный туман — фактически находятся на уровне земли.
• В 2021 году в России приняты обновлённые стандарты облачной классификации, учитывающие новые данные спутниковых наблюдений.

Источники:

• Роджерс Р., Яо М.-П. «Физика облаков и осадков»
• Монин А. С. «Метеорология»
• Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации»