Образование дождя: цикл и механизмы¶

Образование дождя — процесс выпадения жидких осадков из атмосферы, представляющий собой завершающую стадию круговорота воды в природе. Дождь возникает в результате конденсации водяного пара в облачных каплях и их последующего роста до размеров, при которых сила тяжести преодолевает подъёмные потоки воздуха. Средний диаметр капли дождя составляет 0,5–6 мм; капли меньшего размера относят к мороси, большего — к граду.

¶Круговорот воды

Вода в атмосфере появляется преимущественно за счёт испарения с поверхности Мирового океана, который даёт около 86 % общего испарения. Дополнительный вклад вносят испарение с суши (с почвы, растительности) и транспирация растений. Под действием солнечной радиации водяной пар поднимается вверх вместе с восходящими потоками воздуха, охлаждается и по достижении точки росы начинает конденсироваться.

Годовой объём испарения с поверхности Земли оценивается примерно в 500 тыс. км³ воды. Около 430 тыс. км³ осадков выпадает над океаном и 100 тыс. км³ — над сушей; разница компенсируется стоком рек и подземным водообменом. Средний срок пребывания молекулы воды в атмосфере — около 8–10 суток.

¶Образование облаков

Облако формируется, когда восходящий поток воздуха поднимается до высоты, на которой температура падает ниже точки росы. Для конденсации необходимы ядра конденсации — мельчайшие частицы пыли, сажи, солевых кристаллов, на поверхности которых оседают молекулы пара. Чистый пар при отсутствии таких ядер может охладиться ниже точки насыщения без перехода в жидкое состояние (переохлаждение).

В тропосфере температура в среднем снижается на 6,5 °C на каждый километр высоты. На высотах 2–6 км формируются слоисто-дождевые и кучевые облака, способные давать устойчивый дождь; высокие кучево-дождевые (кумулонимбусы) поднимаются до 10–12 км и дают ливни, грозы и град.

¶Капельные и кристаллические облака

Облака делятся на две большие группы. В капельных (тёплых) облаках вода существует в жидкой фазе — капли переохлаждены, но не замёрзшие. В кристаллических (холодных) облаках, расположенных выше слоя изотермии −12…−18 °C, вода представлена ледяными кристаллами. Смешанные облака содержат обе фазы.

¶Механизмы роста капель

Капли в облаке имеют крайне малые размеры (5–15 мкм) и весят столь мало, что удерживаются восходящими потоками. Чтобы выпасть дождём, капля должна вырасти в тысячи раз. Для этого работают два основных механизма.

¶Коалесценция (слияние капель)

В капельных облаках капли, различающиеся по размеру, имеют разную скорость падения. Более крупные догоняют мелкие, сливаются с ними и продолжают расти. Процесс ускоряется турбулентными перемешиваниями. Этот механизм преобладает в тёплых умеренных широтах и даёт большую часть дождей средней интенсивности.

¶Процесс Бержерона — Финдайзена

В холодных облаках одновременно сосуществуют переохлаждённые капли и ледяные кристаллы. При этом давление насыщенного пара над льдом примерно на 10 % ниже, чем над водой той же температуры. В результате водяной пар переиспаряется с капель и осаждается на кристаллах. Кристаллы быстро растут, слипаются между собой и, достигая 2–3 мм, начинают падать. В нижних тёплых слоях облака кристаллы тают, превращаясь в дождевые капли. Этот механизм преобладает в высоких широтах и в высокогорных районах.

¶Выпадение осадков

Дождевая капля в падении испытывает три силы: гравитацию, подъёмную силу и аэродинамическое сопротивление. Капли диаметром до 2 мм сохраняют сферическую форму; крупные капли сплющиваются снизу и приобретают вид булочки. Скорость падения крупной капли достигает 6–9 м/с. Если подъёмный поток в облаке сильнее скорости падения капли, осадки не выпадают — так называемые нависающие облака.

Капли, проходя через подстилающий слой воздуха, частично испаряются. При очень сухом воздухе и большой высоте облака осадки могут полностью испариться до достижения земли (явление вирги).

¶Виды дождей

• Разлитые (стратиформные) — выпадают из слоисто-дождевых облаков, длятся часами и даже сутками, интенсивность обычно не превышает 2–4 мм/ч.
• Ливневые (конвективные) — связаны с кучево-дождевыми и кумулонимбусами, интенсивность 10–50 мм/ч и выше, продолжительность — от нескольких минут до 1–2 часов.
• Фронтальные — возникают на границах воздушных масс, могут сочетать черты обоих типов.

Интенсивность измеряется в миллиметрах осадков за единицу времени; 1 мм осадков соответствует слою воды толщиной 1 мм на горизонтальной поверхности.

¶Климатические аспекты

Распределение дождей по земной поверхности крайне неравномерно. Экваториальный пояс получает более 2000 мм осадков в год, а субтропические пустыни — менее 100 мм. Наибольшая годовая сумма осадков на Земле зарегистрирована в индийском городе Черапунджи (около 11 000 мм), наименьшая — в Атакаме, где отдельные метеостанции не фиксировали осадков десятилетиями.

В России наибольшие осадки выпадают на побережье Тихого океана (до 2500 мм в год на Камчатке), наименьшие — в Прикаспийской низменности (менее 150 мм). Наблюдения за количеством и интенсивностью дождей ведутся через сеть метеостанций Росгидромета; данные используются в гидрологии, сельском хозяйстве и климатологии.

Источники: Большая русская энциклопедия (статьи «Дождь», «Осадки атмосферные», «Круговорот воды в природе»); учебник «Общая метеорология» Б. П. Алисова, П. Н. Комкова; «Физика атмосферы» под ред. А. С. Гуверникова; материалы Всемирной метеорологической организации (WMO).