Сайт Ключиковой С.С., Ключикова Светлана Сергеевна

Подъем больших масс воздуха вызывает и термическая конвекция при неустойчивой стратификации воздуха. Скорость подъема нередко достигает 10 метров в секунду и более, и все это приводит к образованию конвективных облаков и выпадению ливневых осадков.

 Встречая на пути горные хребты, возвышенности, воздух стремится обтекать их. Однако если препятствие значительно, то, поднимаясь по склонам, воздух переваливает через гребень на подветренную сторону. При устойчивой стратификации воздуха подъем его по наветренной стороне возвышенностей или горных хребтов приводит к образованию облаков слоистых форм, из которых выпадают осадки. Это чаще всего наблюдается зимой. Летом при неустойчивой стратификации воздуха, при встрече его с возвышенностями, образуется мощная кучевая и кучево-дождевая облачность, выпадают обильные ливневые осадки.

 Образование облаков и осадков — сложный процесс. Изучение процесса облакообразования производится не только в природных условиях с помощью приборов, поднимаемых вместе с наблюдателями на самолетах, но и в лабораториях, где в специальных камерах искусственным образом создаются и рассеиваются облака. Благодаря этому многие детали этого процесса стали более понятны.

 Для возникновения облаков, помимо восходящих движений воздуха, необходимо такое количество водяного пара в нем, которое достаточно для того, чтобы начался процесс конденсации. Уровень конденсации зависит от влагосодержания воздуха и температуры: чем выше влагосодержание воздуха при данной температуре, тем ниже располагается уровень конденсации, зимой обычно ближе к поверхности Земли, чем летом.

 

 Процесс конденсации водяного пара вблизи поверхности Земли приводит к образованию тумана. При этом относительная влажность обычно приближается к 100%. При туманах, уровень конденсации лежит у поверхности земли.

 По своему строению облака делятся на водяные, ледяные и смешанные. Водяные, или капельно-жидкие, состоят из капелек воды. Они существуют не только при положительной температуре, но и при отрицательной ( — 10, —20° С и даже —30° С) — это переохлажденные водяные облака. По мере понижения температуры возрастает количество ледяных кристаллов, а при температуре ниже —30° С облака, как правило, состоят из них — это ледяные (кристаллические) облака. Смешанные облака состоят из переохлажденных капель, воды и кристаллов льда.

 Различны облака не только по строению, но и по форме и высоте. Соответственно этому выпадающие из них осадки бывают мелкокапельными, жидкими и твердыми. Чтобы понять детали образования различных видов облаков и атмосферных осадков, необходимо знать микрофизические особенности строения облаков: фазовое строение их (состоят они из водяных капель или кристаллов льда), водность, причину роста капель и т. д.

 По структуре облаков и выпадающих из них осадков можно судить не только о состоянии атмосферы, но и о ближайших ее изменениях. Наблюдения за облачностью ведутся визуально, поэтому определение форм облаков, их вида и характера развития относится к наиболее трудным из наблюдений, ведущихся на метеорологических станциях.

 В основе современной международной классификации лежат два признака — внешний вид и высота расположения.

 По внешнему виду облака делят на 10 родов. Каждый из них имеет различные виды и разновидности. Здесь приведены русские и латинские названия облаков и их сокращения:

 

1)    перистые — cirrus (Ci);

2)    перисто-кучевые — cirrocumulus (Cc);

3)    перисто-слоистые — cirrostratus (Cs);

4)    высококучевые — altocumulus (Ac);

5)    высокослоистые — altostratus (As);

6)    слоисто-дождевые — nimbostratus (Ns);

7)    слоисто-кучевые — stratocumulus (Sc);

8)    слоистые — stratus (St);

9)    кучевые — cumulus (Cn);

10)   кучево-дождевые — cumulonumbus (Cb).

 

 Все они встречаются между поверхностью Земли и тропопаузой. По высоте расположения их делят на три яруса. Границы этих ярусов зависят от температурных условий и высоты тропопаузы.

 Верхний ярус облаков в высоких широтах распространяется от 3 до 8 километров, в средних широтах — от 5 до 13 километров и в низких широтах — от 6 до 18 километров. Средний ярус облаков — от 2 до 4 километров в высоких широтах, от 2 до 7 километров — в средних и от 2 до 8 километров — в низких широтах. Нижний ярус облаков ограничен поверхностью Земли и высотой 2 км.

 К облакам верхнего яруса относятся перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые. К облакам среднего яруса — высококучевые. К облакам нижнего яруса — слоисто-кучевые, слоистые, слоисто-дождевые. Высокослоистые облака обычно бывают в среднем ярусе, но нередко проникают и в верхний ярус, а слоисто-дождевые из нижнего проникают в средний и даже в верхний. Кучевые и кучево-дождевые облака, находясь основанием в нижнем ярусе, при развитии проникают в вышележащие ярусы.

 Облака верхнего яруса состоят из ледяных кристаллов. Они имеют волокнистую и нитевидную структуру. Перистые облака иногда возникают в результате распада верхней части кучево-дождевых облаков в верхней тропосфере.

 Высокослоистые и слоисто-дождевые облака нередко образуют мощные слои, из которых в зависимости от температуры воздуха выпадает дождь или снег. Чаще всего это смешанные облака.

 Слоистые облака нижнего яруса являются водяными или смешанными. Плотность их бывает различна. При малой плотности через них просвечивает солнце. Если слоистые облака состоят из кристаллов льда, то около солнца наблюдаются световые круги (гало), образующиеся вследствие преломления и отражения света в ледяных кристаллах.

 Слоисто-кучевые и высококучевые облака образуются в тех случаях, когда поднимающийся воздух встречает слой, препятствующий дальнейшему подъему воздуха. Эти облака обычно имеют небольшую вертикальную мощность. При большом влагосодержании воздуха и конвекции в подоблачном слое воздуха слоисто-кучевые облака могут дать небольшие осадки.

 Кучевые и кучево-дождевые облака формируются вследствие нагревания влажного приземного слоя воздуха. Вертикальная мощность их зависит от мощности неустойчивого слоя воздуха. Если влагосодержание воздуха мало и воздух неустойчив до высоты 2—3 км, то возникают невысокие кучевые облака, так называемые кучевые облака хорошей погоды. Они характерны для спокойной летней погоды в антициклонах. Наоборот, при большом влагосодержании воздуха и неустойчивой стратификации его происходит развитие мощной кучевой облачности и переход ее в кучево-дождевую. Выпадающие из этих облаков осадки имеют ливневый характер и часто сопровождаются грозами, градом и шквалами.

Осадки выпадают, когда капли воды или кристаллы льда становятся такими тяжелыми, что скорость их падения превосходит скорость движения воздуха вверх. Покинув облако, падающие ледяные кристаллы в течение какого-то времени продолжают расти во влажном воздухе. Однако, в конце концов, они, как и капли дождя, начинают испаряться. Достаточно тяжелые капли достигают поверхности земли в виде осадков, остальные образуют висящие пучки, или полосы падения осадков, напоминающие рваный занавес между землей и облаками. Сколько времени будет висеть этот «занавес», не испаряясь, зависит от размеров капель и от относительной влажности в подоблачном слое.

 Английский метеоролог Б. Дж. Мейсон вычислил, что капли радиусом 0,01 миллиметра (из таких капель состоят облака) в воздухе с влажностью 90% проходили в падении путь, равный лишь 3 сантиметрам и затем испарялись. Капля радиусом 0,1 мм падала бы 150 метров, а радиусом 1 мм — около 40 километров при той же влажности воздуха. Так как облака обычно располагаются на высоте нескольких сотен метров над поверхностью земли, то минимальный радиус капель, достигающих земли в виде осадков, составляет 0,1 мм. Морось — самый мелкий дождь — состоит из капель радиусом от 0,1 до 0,25 мм. Радиус капель дождя не может превышать 2,5 миллиметра. Такие капли обязательно деформируются воздухом и разрываются во время падения. Типичная дождевая капля имеет радиус около 1 миллиметра и падает с установившейся скоростью, то есть со скоростью, при которой гравитационное ускорение уравновешено трением о воздух (6,5 м/с). Снежинки, имеющие поверхность значительно большую, опускаются со скоростью примерно 1 метр в секунду.

 Морось обычно выпадает из низких тонких облаков с рваным основанием, тогда как крупные капли радиусом до 2 миллиметров — из облаков, связанных с теплым фронтом. Самый сильный дождь выпадает из кучево-дождевых облаков толщиной в несколько километров. Это, как правило, кратковременный и интенсивный ливень, так как активная жизнь таких облаков достаточно коротка. Когда слоистые облака поднимаются значительно выше уровня с температурой 0° С, то образуются ледяные кристаллики, которые соединяются в снежинки, в холодную погоду достигающие земли. В теплую погоду они тают и падают в виде дождя. Часто в мощных потоках кучевых облаков ледяные частички соединяются и могут достигать земли или как снежная крупа, или как дождь.

Происхождение крупных градин в течение долгого времени было предметом споров среди метеорологов. Это неудивительно, так как трудно было объяснить, почему куски льда, несущиеся вниз со скоростью 100 километров в час и больше, вырастают до размеров теннисного мяча всего за 20—30 минут. А исследовать, что происходит внутри облака, несущего град, было довольно опасно. Сегодня, однако, мы можем изучать облака с помощью радиолокационных станций и даже измерять размер градин, падающих еще в облаках. Град чаще всего выпадает летом в средних широтах, где наблюдается высокая водность облаков, а с хорошо прогретой земли поднимаются сильные потоки теплого воздуха. Это два существенных условия, необходимых для образования града.

Град не всегда имеет сферическую форму. Встречаются крупные градины в виде дисков или конусов, а иногда они имеют вид глыб с сосульками на вершине. Самые большие градины, когда-либо наблюдаемые, весят от 0,5 до 0,8 кг. Большой интерес представляет внутреннее строение градин, отдаленно напоминающих луковицу. На разрезе можно легко различить чередующиеся слои прозрачного и белого льда, окружающие ядро градины, которым часто служит замерзшая капля дождя. По-видимому, строение града указывает нам на историю формирования его. Сначала при температуре немного ниже 0° С, растущая градина соударяется на большой скорости с относительно крупными переохлажденными каплями и снежными кристалликами. Капли и кристаллики растекаются по поверхности градин и замерзают, образуя оболочку очень плотного прозрачного льда. Затем при некоторых условиях замерзание переохлажденных капель на поверхности градин может высвободить достаточно скрытого тепла, чтобы поднять поверхностную температуру града до 0° С. Тогда градину покрывает смесь тающего снега и воды. При температуре ниже — 20°С небольшие капли облаков, ударившись о град, быстро замерзают. И так как между ними задержалось некоторое количество воздуха, они образуют неплотный непрозрачный белый слой льда.

Когда град состоит из чередующихся слоев прозрачного и белого льда (а не однородного), это значит, что в облаке присутствуют достаточно мощные потоки воздуха, поднимающие и опускающие град между уровнями замерзания и образования ледяных кристаллов (— 40° С). Эти потоки и способствуют разрастанию градины за 20 минут. Конечно, в кристаллической вершине облака град не растает. Облака, состоящие в основном из ледяных кристаллов, не способны создавать град, но с большей вероятностью производят снег или дождь. Может случиться и так, что одни и те же грозовые облака, продвигаясь над какой-то территорией, дадут дождь в одном районе, а град в другом районе.

Сильный град может выпадать много раз. Это объясняется тем, что одно градовое облако не кардинально меняет обстановку в тропосфере и условия погоды способствуют возникновению новых гроз. Кроме того, гроза связана с системой мощных восходящих и нисходящих течений. Холодный опускающийся воздух ответствен за понижение температуры, порывистый ветер и повышение давления, которые предваряют каждую грозу. Если число одновременных гроз велико, то опускающийся перед ними воздух может даже вызвать небольшой антициклон.

 Так как было доказано, что только при одном процессе конденсации осадки не выпадают, то появилось несколько гипотез относительно образования дождя. Установлено, однако, что часть их, хотя и можно принять теоретически, отражает слишком медленные процессы. Осадки образуются за 20 минут или меньше во всех облаках, кроме слоистых (за час) или многослойных (20 часов). По гипотезам же, объясняющим процессы образования дождя в кучевых облаках, для этого требуется несколько дней. В 1933 году, норвежский метеоролог Бержерон создал теорию процесса образования дождя, которая еще сегодня имеет много сторонников. Этот процесс назван его именем.

 Бержерон построил свою теорию на взаимодействии переохлажденных капель и кристалликов льда в вершине облаков при температуре ниже 0° С. Так как воздух в таких облаках еще не насыщен относительно воды и перенасыщен относительно льда, влага испаряется с капель, но конденсируется на кристаллах льда. Кристаллы растут в сильном восходящем потоке воздуха, пока их диаметр не достигнет нескольких миллиметров (за время от 10 до 30 минут) Продажа квартир в Сочи и http://www.v-dosky.ru/. В Геленджике квартиры . . Затем они падают в облаке до тех пор, пока не растают и не превратятся в капли ливня. Как мы уже указали, превращение кучевых облаков в кучево-дождевые с характерной кристаллической наковальней служит сигналом к началу дождя. Этот процесс чаще всего происходит при температуре, облаков от —10 до —30° С. При более высокой температуре активных ядер замерзания — кристаллов недостаточно, а в более холодных облаках, хоть их и много, они слишком малы, чтобы могли достичь поверхности земли в виде дождя. В конечном итоге, если облако содержит слишком мало воды, образование дождя идет по другим законам.

Таким образом, процесс Бержерона, хоть и важный для объяснения сильных ливней, все же, по-видимому, не единственный механизм образования дождя. Часто дождь выпадает из облаков, состоящих из капель, а иногда из облаков, в которых температура ниже 0° С. Это означает, что при некоторых условиях дождь должен образоваться без промежуточного процесса замерзания поздравления с днем рождения коллеге . Чтобы объяснить это явление, английский метеоролог Лад-лам и австралиец Боуэн проанализировали механизм возникновения ливней с помощью процесса слияния капель: капли одинакового размера, например образующиеся в тумане, легко не соединяются, но большие капли, радиус которых более 20 мкм, могут соединяться или сливаться с меньшими каплями, встречающимися на их пути.

По мере того как капля растет, она становится все более способной к слиянию с другими каплями, в особенности к концу периода роста. В большей части облаков капли в зависимости от происхождения имеют различные размеры. Крупные капли, имея большую естественную скорость, чем мелкие, постоянно наскакивают на них, соударяются, соединяются друг с другом и образуют капли дождя в течение 20 минут — 1 часа. Облака, образовавшиеся над океаном, имеют особенно благоприятные условия для такого процесса, так как содержат крупные гигроскопические ядра соли. Такой процесс происходит также и в облаках с большим содержанием воды, какими являются долгоживущие кучевые облака, которые наблюдаются летом. Восходящий поток воздуха со скоростью от 1 до 5 метров/с также может играть полезную роль. Даже слабый восходящий поток в летних кучевых или слоисто-кучевых облаках может способствовать образованию слабого дождя, усиливая процесс слияния капель.

 В очень тонких (1 км и менее) слоистых и слоисто-кучевых облаках из-за очень слабых потоков воздуха и небольшого содержания воды выпадает слабый дождь или морось за счет того же процесса слияния. Такие осадки могут, однако, усиливаться, если облако будет охлаждаться, поднимаясь над возвышенной частью суши. В Северной Америке и Англии много осадков выпадает из многослойных облаков как раз в результате этого процесса. Ледяные кристаллы, образующиеся в верхней части облака, тают и затем растут в нижних частях облаков уже за счет слияния капель — это сочетание процессов Бержерона и слияния капель может привести к выпадению умеренных и даже сильных дождей.

 Этим описанием процесса выпадения осадков мы завершим наше исследование круговорота воды в природе — непрерывного обмена воды между Землей и атмосферой. В конце концов, осадки — обычное явление в земной атмосфере.

http://klimat-factor.ru/osadki.html