Как образуются облака

Всё начинается с испарения. Вода с поверхности океанов, рек и озёр переходит в газообразное состояние — водяной пар попадает в воздух. Когда воздух нагревается (например, от солнца), он становится менее плотным и поднимается вверх. По мере подъёма давление падает, воздух расширяется и адиабатически охлаждается (то есть без обмена теплом с окружающей средой). 

При охлаждении способность воздуха удерживать пар снижается. В какой-то момент достигается точка росы — температура, при которой пар становится насыщенным. Если охлаждение продолжается, пар становится перенасыщенным, и начинается конденсация: водяной пар переходит в жидкое состояние, образуя мельчайшие капельки воды. 

Но есть важный нюанс: в чистом воздухе конденсация идёт плохо. Для этого нужны так называемые ядра конденсации — микроскопические частицы (пыль, соль, сажа, вулканический пепел), на поверхности которых парам воды «есть за что зацепиться», чтобы сформировалась капля.

Высота, на которой начинается конденсация, определяет нижнюю границу облака (уровень конденсации). Дальше процесс может идти дальше: восходящие потоки продолжают подталкивать воздух вверх, и облако растёт в высоту. В верхних, более холодных слоях вместо капель могут образовываться ледяные кристаллы. 

Почему они не рассеиваются сразу?

На первый взгляд парадокс: облако вроде бы состоит из воды, а вода под действием гравитации должна падать. Но дело в масштабах и балансе сил. 

• Капли очень малы. Их размер — от 1 до 100 микрометров. Из-за этого их предельная (конечная) скорость падения крайне мала: они опускаются очень медленно (порядка десятков метров в час). Для человеческого глаза это незаметно. 
• Восходящие потоки воздуха. В атмосфере постоянно есть движения воздуха. Тёплый воздух поднимается, и эти восходящие потоки буквально подхватывают микроскопические капли, не давая им быстро упасть. Получается своеобразный баланс: капли одновременно медленно опускаются под действием тяжести и поднимаются потоком воздуха.
• Динамичность. Облако — не статичная масса. В нём непрерывно идут процессы: капли то конденсируются (добавляя «массу» к существующим), то испаряются (уменьшаясь), перемешиваются с окружающим воздухом. Из-за этого создаётся иллюзия, что облако держится на месте, хотя на самом деле внутри идёт активная жизнь. 

А почему тогда они «плывут»?

Здесь главную роль играет ветер. Облака перемещаются вместе с воздушными массами. При этом на разных высотах ветер может дуть в разных направлениях и с разной скоростью. Поэтому иногда мы видим, как одни облака плывут в одну сторону, а другие (на другой высоте) — в противоположную. На движение также влияют струйные течения — узкие полосы очень быстрого ветра на большой высоте, которые могут переносить облака на тысячи километров. 

Иногда форма облака меняется по ходу движения: с наветренной стороны оно может «нарастать» (там идёт конденсация), а с подветренной — испаряться. Это и создаёт эффект движения. 

В итоге: облако не рассеивается, потому что силы, удерживающие капли (восходящие потоки), уравновешивают силу тяжести, а «плывёт» оно потому, что его несёт ветер. Получается динамичная картина: облако постоянно трансформируется, перемещается и может существовать довольно долго, пока есть условия для этих процессов

Образование облаков — ключевое звено круговорота воды в природе

В круговороте воды выделяют основные этапы, и облака связывают их между собой:

• Испарение. Солнце нагревает водоёмы, почву, растения — вода переходит в газообразное состояние и в виде водяного пара поднимается в атмосферу. Это «старт» для будущего облака.
• Конденсация (образование облаков). Поднявшийся пар охлаждается, конденсируется на частицах пыли, соли и т. п. и формирует облака. То есть облако — это как раз та стадия, когда вода из невидимого пара становится видимой (в виде капелек или ледяных кристаллов).
• Осадки. Когда капли в облаке становятся достаточно крупными и тяжёлыми, они выпадают на землю в виде дождя, снега, града. Это возврат воды на поверхность.
• Сток и просачивание. Вода стекает в реки, озёра, океаны либо просачивается в почву и пополняет подземные воды — чтобы потом снова испариться.

Получается замкнутая система: облака — это «перевалочный пункт» воды между атмосферой и земной поверхностью.

Дополнительные нюансы связи:

• Перенос влаги на большие расстояния. Облака движутся с воздушными потоками, поэтому вода может испариться над океаном, а выпасть осадками за тысячи километров от этого места — так облака перераспределяют влагу по планете.
• Баланс влаги. Скорость конденсации в облаках и выпадения осадков напрямую влияет на водный баланс регионов: где-то из‑за облаков идут дожди и всё зеленеет, а где-то их мало — и наступает засуха.
• Участие в разных ветках круговорота. Есть малый круговорот (вода испарилась над океаном — сформировалось облако — выпала обратно в океан) и большой (пар переносится на сушу, выпадает дождём, стекает реками обратно в океан). Облака работают и там, и там.

Расчёт воды в объёмы воды в облаках

Метеорологи придумали, как рассчитать объём воды в облаках. Суть в следующем, чтобы разбить задачу на два шага: сначала понять, сколько воды в единице объёма, а потом умножить это на весь объём облака. 

Шаг 1: измеряем водность

Водность — это масса воды (капель, а в высоких или холодных облаках ещё и кристаллов льда) в единице объёма воздуха. Обычно её выражают в граммах на кубический метр (г/м³). 

Как её получают на практике?

• Прямые измерения с помощью приборов. Например, используют датчики с нагретой проволокой (иногда их называют датчиками Невзорова). Когда самолёт пролетает сквозь облако, капли воды попадают на проволоку, испаряются и охлаждают её. По изменению сопротивления проволоки вычисляют, сколько воды было в воздухе. Встречаются и другие методы — например, основанные на рассеянии света каплями. 
• Дистанционные методы. Радиолокаторы «видят» облачные частицы: чем больше и плотнее скопление, тем сильнее отражённый сигнал. Существуют эмпирические зависимости, которые переводят радиолокационную отражаемость в значение водности. Также для оценки влагосодержания применяют данные дистанционного зондирования Земли со спутников — анализируют, как атмосфера поглощает излучение в разных спектральных диапазонах (видимом, инфракрасном и др.). 

При этом важно учитывать, что водность внутри одного облака часто меняется с высотой: внизу может быть больше капель, выше появляются ледяные кристаллы, а ещё выше водность снова падает. Поэтому при расчётах смотрят на вертикальное распределение. 

Шаг 2: оцениваем объём облака

Нужно понять, какой объём занимает само облако. Здесь есть нюансы: у облаков нет чётких границ. Метеорологи часто аппроксимируют форму — например, считают облако кубическим или цилиндрическим. Иногда объём оценивают по тени, которую облако отбрасывает на землю. Для больших или сложных систем используют данные с радаров и спутников, которые строят трёхмерную модель облачного слоя. 

Итоговая формула

Когда есть водность (г/м³) и объём облака (м³), общую массу воды в нём находят простым умножением. Иногда для практических задач (например, чтобы оценить, какой слой воды выпадет, если вся влага из облака осядет на землю) вводят понятие водозапаса. Это масса воды в столбе воздуха единичного сечения (например, на квадратный метр под облаком). Водозапас измеряют в кг/м² или в миллиметрах (мм) осаждённой воды. 

Несколько важных оговорок

• В расчётах часто вводят поправки. Например, учитывают, что часть влаги может испаряться, пока частицы растут и движутся, или что происходит коагуляция (слипание капель, из-за чего меняется распределение по размерам). 
• Оценки могут быть приближёнными, особенно для сложных, турбулентных или быстро меняющихся облаков (например, грозовых). 

Источник: при написании контента  использован ИИ 

По теме: