Облака и определение погоды по ним. По форме облаков, плывущих по небу, можно с достаточной долей уверенности угадать, какая погода будет преобладать в течение дня.
Бывают следующие виды облаков.
Перистые
Тонкие, легкие, похожие на дымку белые облака, прозрачные для солнца. Изменчивы по форме, чаще имеют вид полос, дуг или прожилок, собранных в пучки. Ночью эти облака могут рассеивать свет звезд. В основном указывают на изменение погоды. В сочетании с низкими кучевыми и последующими перисто-слоистыми могут предвещать приближение циклона с дождями.
Перисто-кучевые
Располагаются ниже, чем перистые. На небе видны как упорядоченные скопления из клочковатых мелких клубов или полосок, имеют пятнистую или рябую текстуру. Ночью могут затмевать тусклые звезды. В основном ассоциируются с сухой погодой. Однако, если они сгущаются, становятся серыми и опускаются ниже, надо ждать дождя.
Перисто-слоистые
Молочно-белая тонкая вуаль из облаков.
Может смешиваться с перистыми и формировать параллельные полосы на небе. Солнце или луна, просвечивая через эти облака, приобретают оттенок гало. Предполагают изменения погоды. Как и в случае с перисто-кучевыми, если они опускаются и сгущаются, то в течение суток можно ожидать дождя.
Высококучевые
Небольшие уплощенные, округлые скопления, серые с нижней стороны. Собираются в свободные, неорганизованные формации, между которыми нередко проглядывает голубое небо. Иногда имеют вид мчащихся групп облаков, перекатывающихся, наподобие волн. Могут быть достаточно густыми, чтобы затмевать солнце. На рассвете и на закате создают красочные узоры на небосклоне. Если облака сгущаются и снижаются, стоит ожидать короткие грозовые ливни. Если высоко-кучевые облака расположены выше, приобретая формы башен, гроза может быть еще более сильной.
Высокослоистые
Жилковатый и более густой вариант перисто-слоистых облаков.
Рассеивают свет звезд и, когда особенно густые, могут делать диск солнца или луны размытым. Если они снижаются, сгущаются и темнеют или, если под ними формируются низкие, серые рваные облака, то через несколько часов, вероятно, начнется сильный и продолжительный дождь или снег.
Слоистые
Очень низкие облака, похожие на туман, но поднятые над землей на 150-600 м. Формируют непрерывный слой. Обычно предвещают дождливую погоду, особенно в сочетании с сильным ветром.
Слоисто-дождливые
Однородный, темно-серый слой облаков, закрывающих солнечный свет. Обычно являются частью основной области низкого давления. Обычно приносят продолжительные, устойчивые дожди или снега.
Слоисто-кучевые
Мягкие, округлые белые облака, собранные в упорядоченные слои, линии, волны или удлиненные клубы. Часто серые внизу. Слоисто-кучевые облака обычно рассеиваются ночью, оставляя после себя хорошую погоду.
Кучевые
Классические белые, "пуховые" облака с завитой поверхностью, подчеркнутой тенями, и куполообразной верхушкой. Могут быть частью антициклона, несущего ясную погоду. Но если начинают темнеть, то это может предвещать сильный ветер и дождь.
Кучево-дождевые
Кучевые облака, имеющие вид гор темного, угрожающего цвета и с плоским основанием. Предвещают сильные, проливные дожди, возможны и грозовые условия.
Облако как явление природы (Реферат, сделанный школьником 10 класса)
В толковом словаре В. Даля дано короткое и в то же время достаточно точное определение облака: «Облако - туман в высоте». Как и туман, облако представляет собой взвесь в воздухе мелких и мельчайших капелек воды. Наряду с водяными капельками в облаке могут находиться также мелкие кристаллики льда. Облако может целиком состоять из таких кристалликов.
Различаются облака между собой ещё и своей видимой толщиной, высотой над землёй, площадью распространения и окраской. Словом, разнообразие их велико.
Классификация облаков
Согласно международной классификации облака по внешнему виду делятся на 10 основных форм, а по высотам – на 4 класса.
1. Облака верхнего яруса – располагаются на высоте от 6 км и выше, представляют собой тонкие белые облака, состоят из ледяных кристаллов, имеют маленькую водность, поэтому осадков не дают. Мощность мала – 200 – 600 м. К ним относятся:
перистые облака, имеющие вид белых нитей, крючков. Являются предвестниками ухудшения погоды, приближения теплого фронта (рис.2г);
перисто-кучевые облака – мелкие барашки, мелкие белые хлопья, рябь;
перисто-слоистые имеют вид голубоватой однородной пелены, которая покрывает все небо, виден расплывчатый диск солнца, а ночью - вокруг луны возникает круг гало.
2. Облака среднего яруса – располагаются на высоте от 2 до 6 км, состоят из переохлажденных капель воды в смеси со снежинками и ледяными кристаллами. К ним относятся:
высоко-кучевые , имеющие вид хлопьев, пластин, волн, гряд, разделенных просветами. Вертикальная протяженность 200 - 700 м., осадки не выпадают (рис.2 в);
высоко-слоистые представляют собой сплошную серую пелену, тонкие высоко-слоистые имеют мощность – 300 - 600 м, а плотные – 1 - 2 км. Зимой из них выпадают обложные осадки.
3. Облака нижнего яруса располагаются от 50 до 2000 м, имеют плотную структуру. К ним относятся:
слоисто-дождевые , имеющие темно-серый цвет, большую водность, дают обильные обложные осадки. Под ними в осадках образуются низкие разорванно-дождевые облака. Высота нижней границы слоисто-дождевых облаков зависит от близости линии фронта и составляет от 200 до 1000 м, вертикальная протяженность 2 - 3 км, сливаясь часто с высоко-слоистыми и перисто-слоистыми облаками;
слоисто-кучевые состоят из крупных гряд, волн, пластин, разделенных просветами. Нижняя граница 200 - 600 м, а толщина облаков 200 - 800 м, иногда 1 - 2 км. Это облака внутримассовые, в верхней части слоисто-кучевых облаков наибольшая водность. Осадки из этих облаков, как правило, не выпадают (рис 2 б);
слоистые облака представляют собой сплошной однородный покров, низко нависший над землей с неровными размытыми краями. Высота бывает 100-150 м и ниже 100 м, а верхняя граница – 300-800 м. Могут опускаться до земли и переходить в туман (рис 2 а);
разорванно-слоистые облака имеют нижнюю границу 100 м и ниже 100 м, образуются в результате рассеивания тумана. Осадки из них не выпадают.
4. Облака вертикального развития. Нижняя граница их лежит в нижнем ярусе, верхняя достигает тропопаузы. К ним относятся:
кучевые облака – плотные облачные массы, развитые по вертикали с белыми куполообразными вершинами и с плоским основанием. Нижняя граница их порядка 400 - 600 м и выше, верхняя граница 2 - 3 км, осадков не дают (рис 2,д);
мощно -кучевые облака представляют собой белые куполообразные вершины с вертикальным развитием до 4 - 6 км, осадков не дают;
кучево-дождевые (грозовые) являются самыми опасными облаками, представляют собой мощные массы клубящихся облаков с вертикальным развитием до 9 - 12 км. С ними связаны грозы, ливни, град (рис 2 е, ж).
Облака
переносятся ветрами на огромные
расстояния, в результате чего осуществляется
постоянный влагообмен между различными
областями нашей планеты. Крайне упрощенная
схема влагообмена такова: вода из моря
попадает в облака, образующиеся над
поверхностью моря, затем ветры переносят
эти облака на материк, где они изливаются
дождями, наконец, через реки вода
возвращается обратно в море.
Облачный покров нашей планеты достаточно велик. Облака покрывают в среднем около половины всего небосвода. В них содержится во взвешенном состоянии 10 12 кг воды (льда).
В зависимости от причин возникновения различают следующие виды облачных форм:
Кучевообразные . Причина их возникновения - термическая, динамическая конвекция и вынужденные вертикальные движения. К ним относятся: а) кучевые б) кучево-дождевые в) мощно-кучевые г) высоко-кучевые д) перисто-кучевые
Слоистообразные возникают в результате восходящих скольжений теплого влажного воздуха по наклонной поверхности холодного вдоль пологих фронтальных разделов. К этому виду относятся облака: а) слоисто-дождевые б) высоко-слоистые в) перисто-слоистые г) перистые
Волнистые возникают при волновых колебаниях на слоях инверсии и в слоях с небольшим вертикальным градиентом температуры. К ним относятся: а) слоисто-кучевые б) высоко-кучевые, волнистые в) слоистые г) разорванно-слоистые.
Существует еще одна важная характеристика – облачность , т.е. количество облаков – число условных частей неба, закрытых облаками. Раньше такое число выражалось в баллах (от 0 до 10), сейчас принято выражать в октантах (от 0 до 8).
На рисунке 1 перечисленные типы облаков схематически изображены все вместе, что позволяет представить себе в целом структуру облачного покрова. Все эти облака образуются в пределах нижнего слоя атмосферы, называемого тропосферой. В более высоких слоях атмосферы облаков почти нет; лишь на высотах около 30 км можно обнаружить перламутровые облака да на высотах около 80 км - серебристые облака. Перламутровые облака очень тонкие, они просвечивают; в сумерки вблизи солнца они окрашиваются в красный, золотистый и зеленоватый цвета. Серебристые облака также очень тонкие. Они светятся серебристым цветом ночью, вскоре после захода солнца или незадолго до восхода. Это рассеянный облаками солнечный свет.
Строение
земной атмосферы.
В
известном смысле земную атмосферу можно
уподобить слоеному пирогу, она состоит
из ряда слоев или, точнее говоря, ряда
вложенных одна в другую сфер. Разделение
на слои (сферы) проводят, учитывая
характер изменения температуры
атмосферного воздуха с высотой. На
рисунке 3 выделены четыре слоя атмосферы
тропосфера,
стратосфера, мезосфера, гермосфера
-
и изображена кривая, отражающая изменение
температуры воздуха с высотой.
По мере подъема от поверхности земли температура воздуха сначала убывает. Это известно всем - ведь вершины высоких гор круглый год покрыты снегом и льдами. Тот, кто летал на авиалайнерах, неоднократно слышал сообщения бортпроводниц о том, что температура воздуха за бортом самолета 60-70 градусов мороза. Напомним, что современные авиалайнеры летают на высотах 8-10 км.
Оказывается, уменьшение температуры воздуха с высотой происходит лишь до определенных высот до 17 км над тропиками и 10 км над полярными областями. Эти числа как раз и определяют высоту верхней границы тропосферы (она зависит от географической широты). Температура воздуха на границе тропосферы составляет над тропиками около -75°С, а над полюсами около -60°С.
К тропосфере примыкает стратосфера. В стратосфере температура воздуха при подъеме сначала остается постоянной (до высот 25- 30 км), а затем начинает возрастать - вплоть до высоты 55 км, отвечающей верхней границе стратосферы; при этом температура достигает значений, близких к 0°С. В следующем атмосферном слое- мезосфере температура снова начинает уменьшаться по мере подъема; она падает до -100°С и даже до -150°С на уровне верхней границы мезосферы, имеющей высоту около 80 км. Еще выше начинается термосфера; здесь температура по мере подъема возрастает.
Итак, в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается, в стратосфере температура сначала не меняется, а затем растет, в мезосфере она снова уменьшается и, наконец, в термосфере снова начинает расти. Заметим, что слово «тропосфера» происходит от греческого «тропос», означающего «поворот»; над тропосферой совершается первый поворот температуры. Атмосфера действительно напоминает слоеный пирог: слои, где температура понижается, чередуются со слоями, где она повышается.
Происхождение такого «слоеного пирога» нетрудно объяснить. Ведь снизу атмосфера подогревается земной поверхностью, а сверху солнечным излучением; поэтому ее температура должна возрастать при приближении как к поверхности земли, так и к верхней границе атмосферы. В результате температурная кривая должна, казалось бы, иметь вид, показанный на рисунке 3 пунктиром. В действительности же температура изменяется с высотой не по пунктирной, а по непрерывной линии и обнаруживает некоторое увеличение в области стратосферы. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения в слое озона (О 3), который занимает интервал высот примерно от 20 до 60 км.
Для образования облаков надо, чтобы воздух был влажным (или, во всяком случае, не слишком сухим) и чтобы происходило достаточно сильное понижение температуры воздуха. Наиболее влажен воздух вблизи земной поверхности, в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому неудивительно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы. Серебристые облака образуются значительно выше тропосферы - вблизи верхней границы мезосферы. Существенно, что на этих высотах температурная кривая проходит через очередной и притом относительно сильный минимум. Отметим, что на высотах вблизи максимума температурной кривой (на границе стратосферы и мезосферы) облака никогда не наблюдаются.
Адиабатическое расширение газа
Одним из главных процессов, приводящих к образованию облака, является процесс адиабатического расширения воздуха при его подъеме над поверхностью земли.
Предположим, что некоторая масса газа (в частности, воздуха) расширяется. При этом газ совершает работу А против сил внешнего давления. Пусть Q - теплота, которую газ получает извне в процессе расширения. Совершенная газом работа А и полученная им теплота Q определяют изменение внутренней энергии газа ∆ U :
∆U = Q - A . (1)
Это есть первое начало термодинамики; оно представляет собой не что иное, как закон сохранения энергии для рассматриваемой массы газа.
Изменение внутренней энергии газа связано с изменением его температуры. Пусть Т 1 и Т 2 - соответственно начальная и конечная температуры газа. Будем полагать, что газ состоит из двухатомных молекул и что его молярная масса есть М (для воздуха можно принять М =0.029 кг/моль). Для такого газа
где m - масса газа, кг; R - универсальная газовая постоянная, R =8,3 · Дж/(моль·К); М – молярная масса, кг/моль.
Если Q > A , то ∆ U > 0. В этом случае Т 2 > Т 1 , следовательно, газ при расширении нагревается. Если Q = A , то ∆ U = 0. В этом случае Т 2 = Т 1 - температура расширяющегося газа остается неизменной (изотермическое расширение).
Для нас интересен случай, когда можно принять Q = 0, т.е. когда можно пренебречь теплообменом между газом и окружающей его средой. В данном случае соотношение (1) принимает вид
∆U = - А. (3)
Видно, что теперь ∆ U < 0 и, следовательно, Т 2 < T 1 -газ при расширении охлаждается.
Рассматриваемый процесс называют адиабатическим расширением газа. При таком расширении газ не получает теплоты извне и поэтому совершает работу только за счет собственной внутренней энергии (в результате чего и охлаждается). Подставляя (2) в (3), получаем формулу, связывающую уменьшение температуры адиабатически расширяющегося двухатомного газа и работу, совершенную газом:
Приведем без вывода формулу для работы адиабатически расширяющегося двухатомного газа:
Здесь p 1 и Т 1 - начальное давление и начальная температура газа, а p 2 - его конечное давление.
Используя две последние формулы найдем, что при адиабатическом расширении воздух при подъеме на 1 км охлаждается на 6 градусов. Адиабатический температурный градиент воздуха
γ а = 0.6 о С/100 м.
О бразование облаков.
Процесс образования облака начинается с того, что некоторая масса достаточно влажного воздуха поднимается вверх. По мере подъема будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и при достаточно большом его объеме (а в образовании облака принимает участие действительно большой объем воздуха) теплообмен между рассматриваемым воздухом и окружающей средой за время подъема попросту не успевает произойти.
Как мы уже знаем, при адиабатном расширении газа его температура понижается. Значит, поднимающийся вверх влажный воздух будет охлаждаться. Когда температура охлаждающегося воздуха понизится до точки росы, станет возможным процесс конденсации пара, содержащегося в воздухе. При наличии в атмосфере достаточного количества ядер конденсации (пылинок, ионов) этот процесс действительно начинается. Если ядер конденсации в атмосфере мало, конденсация начинается не при температуре, равной точке росы, а при более низких температурах.
Итак, достигнув некоторой высоты Н , поднимающийся влажный воздух охладится (в результате адиабатного расширения) настолько, что начнется конденсация водяных паров. Высота Н есть нижняя граница формирующегося облака (рис. 4а). Продолжающий поступать снизу воздух проходит сквозь эту границу, и процесс конденсации паров будет происходить уже выше указанной границы - облако начнет развиваться в высоту (рис. 4б). Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух перестанет подниматься; при этом сформируется верхняя граница облака (рис. 4в).
Теперь рассмотрим, что же заставляет воздух подниматься вверх .
Во-первых , подъем воздушных масс может происходить вследствие конвекции - когда в жаркий день солнечные лучи сильно прогреют земную поверхность, и она передаст теплоту приземным слоям воздуха (рис.5,а). В этом случае говорят об облаках конвекционного происхождения. Кучевые облака имеют чаще всего именно такое происхождение.
Во-вторых , дующий по горизонтальному направлению, вдоль поверхности земли ветер может встретить на своем пути горы или иные природные возвышения. Обтекая их, ветер переместит вверх воздушные массы (рис.5,б). Это тоже внутримассовые облака. Такое происхождение могут иметь слоистые и слоисто-дождевые облака.
В-третьих
,
облака образуются на теплых и холодных
фронтах. Если массы теплого воздуха,
перемещаясь в горизонтальном направлении,
теснят холодный воздух, возникает так
называемый теплый
фронт.
Если
же наступает холодный воздух, то говорят
о холодном
фронте.
Теплый
фронт изображен схематически на рисунке
6,а, где красными стрелками показаны
перемещения теплого воздуха, а черными
- холодного. Вблизи границы между теплой
и холодной воздушными массами возникают
восходящие потоки воздуха (как теплого,
так и холодного). В результате могут
образоваться облака горизонтального
развития всех ярусов - слоисто-дождевые,
высококучевые, перистые. На рисунке 6б
показан холодный фронт. Здесь образуются
восходящие потоки только теплого
воздуха. При этом формируются, как и на
теплом фронте, облака всех ярусов. Итак,
на теплом фронте наступающий теплый
воздух как бы «наваливается» на стелющийся
понизу холодный воздух и по нему
поднимается вверх. На холодном же фронте
наступающий холодный воздух проникает
под теплый воздух и как бы приподнимает
его.
В-четвертых , вертикальные перемещения воздушных масс могут быть связаны с циклонической деятельностью, которая, в свою очередь, связана с взаимодействием теплых и холодных фронтов.
Циклоны и антициклоны представляют собой мощные атмосферные вихри диаметром до нескольких тысяч километров и высотой 10...20 км.
Циклоны. Вблизи поверхности земли ветры направляются от периферии к центру циклона, поскольку в центре циклона давление воздуха меньше, чем на его периферии. В Северном полушарии ветры «закручиваются» к центру циклона против часовой стрелки, а в Южном - по часовой стрелке. На рисунке 7а красным изображены изобары циклона у поверхности земли; синими стрелками показано направление ветров (для Северного полушария). Стекающиеся к центру циклона воздушные массы устремляются затем вертикально вверх (рис.76). Это приводит к образованию мощных слоистых и слоисто-дождевых облаков, выпадают осадки. В верхней тропосфере возникают горизонтальные ветры, направленные по спирали от центра циклона; они выносят к его периферии воздушные массы, захваченные циклоном. Зарождение или приход уже сформировавшегося циклона всегда приводит к значительному ухудшению погоды, сопровождается длительными дождями.
Приближение
центральной области циклона мы чувствуем
по понижению атмосферного давления. Мы
говорим: «Давление упало - пойдут дожди,
будет пасмурно».
Антициклоны. Для антициклонов характерна обратная картина процессов. В центре антициклона давление выше, чем на периферии. В верхней тропосфере ветры «закручиваются» к центру антициклона, а вблизи земной поверхности - от центра; в центре возникают мощные нисходящие потоки воздуха. Опускающийся вниз воздух нагревается, относительная влажность уменьшается, облачность исчезает - устанавливается ясная погода. Недаром повышение атмосферного давления мы справедливо связываем с улучшением погоды.
Физическая
природа кучевого облака
.
Остановимся немного подробнее на физике процессов, приводящих к образованию обычного кучевого облака конвекционного происхождения. Такое облако имеет значительные вертикальные размеры, указывающие на то, что конвекционные потоки могут подниматься на большую высоту - значительно выше нижней границы облака. Для объяснения обратимся к рисунку 8. На нем приведены (качественно) три зависимости температуры воздуха от высоты. Зависимость 1 относится к воздуху, не участвующему в образовании облака. Этот воздух окружает облако с боков; будем считать, что в нем нет вертикальных потоков. Падение температуры с высотой отражает в данном случае естественный ход температурной кривой в пределах тропосферы. Зависимость 2 относится к поднимающемуся (и, следовательно, адиабатически расширяющемуся) сухому воздуху. При адиабатическом расширении воздух охлаждается, поэтому температурная кривая 2 опускается более круто, чем кривая 1. Следует, однако, иметь в виду, что в действительности вверх поднимается не сухой, а влажный воздух; в результате охлаждения воздуха содержащийся в нем пар будет конденсироваться (начиная с некоторой высоты Н, фиксирующей нижнюю границу облака). При конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования. Количество выделившейся теплоты оказывается довольно заметным. Это приводит к тому, что температура поднимающегося влажного воздуха будет понижаться с высотой медленнее, чем даже температура неподвижного воздуха (температурная кривая 3). Данное обстоятельство является весьма важным. В самом деле, с учетом конденсации пара температура поднимающегося воздуха понижается, оставаясь в то же время выше температуры окружающего неподвижного воздуха. Тот факт, что охлаждающийся воздух остается более нагретым, чем окружающая его среда, обеспечивает способность продолжать подъем все выше и выше. В результате и происходит существенное развитие облака в вертикальном направлении.
Конечно, такое развитие не может быть неограниченным. По мере того как конденсируются водяные пары, воздух становится все менее влажным; он все более подсушивается. Поэтому температурная зависимость 3 уже не реализуется; происходит переход к зависимости 2, отвечающей сухому воздуху (этот переход условно показан на рисунке 8 штриховой стрелкой). Вследствие такого перехода температура поднимающегося воздуха на какой-то высоте сравняется с температурой окружающего воздуха и даже окажется немного ниже ее. В результате вертикальное развитие облака прекратится; холодные массы воздуха, отдавшего свою влагу в облако, начнут растекаться в стороны и опускаться вниз вокруг кучевого облака, формируя характерные для таких облаков барашки.
Макрофизика и микрофизика облаков
Различают макрофизику и микрофизику облаков. Макрофизика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков.
Облака могут состоять из капелек воды (водяные, или капельные облака), ледяных кристалликом (ледяные или кристаллические облака), а также одновременно из капель и из кристалликов (смешанные облака). Водяные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (примерно до -20 о С) это переохлажденные водяные облака. Например, при -10°С облака в 50% случаев водяные, в 30% смешанные и только в 20% ледяные.
Водяные капли в облаке имеют различные диаметры - от долей микрометра до нескольких миллиметров. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1...0,5 мм.
Как бы ни была мала ледяная капля, она все же существенно тяжелее воздуха. Поэтому возникает вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?
Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Эти удары вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории (броуновское движение).
Чем массивнее капля, тем труднее молекулам воздуха отбросить ее и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения, но больше влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским; капля начинает падать под действием силы тяжести. И тогда «вступает в игру» новый фактор, препятствующий падению капли вниз,- сопротивление воздушной среды.
Пусть в некоторой точке пространства водяная капля радиусом R (пусть, например, R =10 мкм). В этот момент времени на каплю действует только сила тяжести Р
где ρ 0 - плотность воды, g - ускорение свободного падения (– объем капли). Под действием силы тяжести капля начинает падать вниз, ее скорость начинает расти. Одновременно возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздухаF . Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли u :
F = 6πη Ru , (7)
где η - коэффициент вязкости воздуха. (Вязкость , или, иначе, внутреннее трение - свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой; по этой причине, например, скорость газового или жидкого потока в трубе уменьшается при переходе от оси трубы к ее стенкам.) По мере возрастания силы сопротивления F уменьшается разность Р - F , поэтому скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха сравняется по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекратится, и далее капля будет падать равномерно (ведь теперь равнодействующая сила, приложенная к капле, равна нулю: Р - F = 0) . Скорость равномерного движения капли u определяется из условия Р - F = 0 с учетом (6) и (7):
Равномерно падающая капля может быть остановлена и даже подброшена вверх восходящим потоком воздуха, если вертикальная скорость потока больше скорости падения капли.
Совсем не просто ответить на вопрос, почему облако не падает на землю. Здесь надо учитывать многое: тепловое движение молекул воздуха, сопротивление воздуха, испарение капель. Надо принимать во внимание также и ряд других факторов. Так, следует иметь в виду, что с увеличением радиуса капли сила сопротивления воздуха начинает играть все более существенную роль из-за того, что относительно большие капли (радиусом более 100 мкм) при своем падении вызывают турбулентные движения в воздушной среде. Надо учитывать также, что в процессе падения радиус капли вовсе не остается неизменным: наряду с испарением происходит дополнительная конденсация пара на поверхности капли, увеличивающая ее радиус. Возможно также слияние данной капли с другими каплями или, напротив, раздробление ее на несколько более мелких капель. Одним словом, микрофизика облака оказывается достаточно сложной.
Перистые облака (Cirrus, Ci) имеют толщину от сотен метров до нескольких километров.Они состоят из ледяных кристаллов в форме игл, столбиков, пластинок.Сквозь них просвечивают светила.Различаются такие виды перистых облаков:нитевидные, когтевидные, башенкообразные, плотные, хлопьевидны, перепутанные, радиальные, хребтовидные, двойные.
Перисто-кучевые облака (Cirrocumulus, Cc) характеризуются небольшой шириной - 200–400 м. Структура облаков комковая.Они прозрачные. Различаются волнистые, кучевообразные с башенками, хлопьевидные разновидности перисто-кучевых облаков.
Перисто-слоистые облака (Cirrostratus, Cs) имеют вид белой или голубоватой полупрозрачной пелены.Их толщина колеблется от 100 м до нескольких километров.
Высоко-кучевые облака (Altocumulus, Ac) выглядят как белые,иногда сероватые волны, состоящие из пластин или хлопьев,разделенных просветами голубого неба,но могут сливаться и в сплошной покров. Толщина слоя высоко-кучевых облаков около 200–700 м.Из них выпадает дождь,снег.
Высоко-слоистые облака (Altostratus, As) образуют сплошной серый или синеватый "ковер" на небе с нижней границей обычно на высоте 3–5 км. Толщина облачных слоев 1–2 км.
Высоко-слоистые просвечивающие (Altostratus translucidus, As trans)
Слоисто-кучевые облака (Nimbostratus, Ns) - это серые облака, состоящие из крупных гряд, волн, пластин, разделенных просветами или сливающимися в сплошной серый волнистый покров. Состоят преимущественно из капель. Толщина слоя от 200 до 800 м. Осадки, как правило, не выпадают. Слоисто-кучевые облака бывают волнистые, кучевообразные, рассекающиеся, вымеобразные.
Слоистые облака (Stratus, St) представляют из себя однородный серый или серо-желтый покров.различаются виды: туманообразные, волнистые и разорванные.Под пеленой слоистых облаков нередко наблюдаются разорванно-дождевые облака.
Слоисто-дождевые облака выглядят как сплошная серая пелена, закрывающий все небо в виде гряд и валов.Они состоят из водяных капель,редко в смеси со снежинками.Нижнее основание облаков может опуститься ниже 100 м, а верхнее- простираться выше 5 км. Из такого вида облаков выпадают обложные осадки.
Кучевые облака (Cumulus, Cu) одразделяют на кучевые, кучевые средние и кучевые мощные.Толщина 1-2 км, иногда 3-5 км. Верхние части кучевых облаков имеют вид куполов или башен с округлыми очертаниями.
Кучево-дождевые облака (Cumulonimbus, Cb) - очень мощные облачные скопления; они бывают «лысые» и «волосатые», с грозовым дугообразным валом спереди.
Облака необычной формы
встречаются редко,чаще всего в тропиках. Их появление связано с образованием тропических циклонов.
тоже очень редкое явление.
Лёгкие, пушистые и воздушные облака – они ежедневно проплывают над нашими головами и заставляют поднимать вверх голову и любоваться причудливыми формами и оригинальными фигурами. Иногда сквозь них пробивается удивительного вида радуга, а бывает – утром или вечером во время заката или восхода Солнца облака озаряют солнечные лучи, придавая им невероятный, зачаровывающий дух оттенок. Ученые уже давно исследуют воздушные облака и другие виды облаков. Они дали ответы на вопросы, что это за явление и какие бывают облака.
На самом деле, не так уж и просто дать объяснение. Потому что состоят они из обыкновенных капелек воды, которые с поверхности Земли поднял вверх тёплый воздух. Самое большое количество водяных паров образуется над океанами (за один год вода здесь испаряется не менее 400 тыс. км. куб.), на суше – в четыре раза меньше.
А так как в верхних слоях атмосферы значительно холоднее, чем внизу, воздух там довольно быстро остывает, пар конденсируется, образуя малюсенькие частички из воды и льда, вследствие чего появляются белые облака. Вполне можно утверждать, что каждое облако является своеобразным генератором влаги, через который проходит вода.
Вода в облаке находится в газообразном, жидком и твердом состоянии. Вода в облаке и наличие в них ледяных частичек, влияют на внешний вид облаков, его формирование, а также на характер осадков. Именно от типа облака и зависит вода в облаке, например, у ливневых облаков наблюдается наибольшее количество воды, а у слоисто-дождевых этот показатель в 3 раза меньше. Вода в облаке характеризуется также тем количеством, которое запасено в них - водозапас облака (вода или лед, который содержится в столбе облака).
Но всё не так просто, поскольку для того, чтобы образовалось облако, капельки нуждаются в конденсационных зёрнах – мельчайших частицах пыли, дыма или соли (если речь идёт о море), к которым они должны прилипнуть и вокруг которых должны образоваться. Это значит, что даже если состав воздуха будет полностью перенасыщенный водяным паром, без пыли он не сможет превратится в облако.
Какую именно форму примут капли (вода), прежде всего зависит от температурных показателей в верхних слоях атмосферы:
- если температура воздуха атмосферы превышает -10°С, белые облака будут состоять из водяных капель;
- если температурные показатели атмосферы станут колебаться между -10°С и -15°С, то состав облаков будет смешанным (капельные + кристаллические);
- если температура в атмосфере ниже -15°С, белые облака будут содержать в себе ледяные кристаллики.
После соответствующих преобразований получится, что в 1 см3 облака содержится около 200 капель, при этом их радиус будет составлять от 1 до 50 мкм (средние показатели – от 1 до 10 мкм).
Классификация облаков
Каждый наверняка задавался вопросом, какие бывают облака? Обычно образование облаков происходит в тропосфере, верхняя граница которой в полярных широтах находится на расстоянии в 10 км, в умеренных – 12 км, в тропических – 18 км. Нередко можно наблюдать и другие виды. Например, перламутровые обычно расположены на высоте от 20 до 25 км, а серебристые – от 70 до 80 км.
В основном мы имеем возможность наблюдать за тропосферными облаками, которые подразделяются на такие виды облаков: верхнего, среднего и нижнего ярусов, а также вертикального развития. Практически все они (кроме последнего типа) появляются тогда, когда влажный тёплый воздух поднимается наверх.
Если воздушные массы тропосферы находятся в спокойном состоянии, образуются перистые, слоистые облака (перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые) и если воздух в тропосфере движется волнообразно, появляются кучевые облака (перисто-кучевые, высококучевые и слоисто-кучевые).
Облака верхнего яруса
Речь идёт о перистых, перисто-кучевых и перисто-слоистых облаках. Небо облака внешне напоминает перья, волны или вуаль. Все они полупрозрачные и более-менее свободно пропускают солнечные лучи. Они могут быть как чрезвычайно тонкими, так и довольно плотными (перисто-слоистые), значит, свету пробиваться через них тяжелее. Погода облаков сигнализирует о приближении теплового фронта.
Перистые облака также могут возникать выше облаков. Они располагаются полосами, которые пересекают небесный свод. В атмосфере они располагаются выше облаков. Как правило, осадкой из них не выпадает.
В средних широтах расположены белые облака верхнего яруса обычно на высоте от 6 до 13 км, в тропических – значительно выше (18 км). При этом толщина облаков может составлять от несколько сотен метров до сотен километров, которые могут располагаться выше облаков.
Движение облаков верхнего яруса по небосводу прежде всего зависит от скорости ветра, поэтому может варьироваться от 10 до 200 км/ч. Небо облака состоит из мелких ледяных кристалликов, но погода облаков осадков практических не дает (а если и дает, то измерить их на данный момент нет никакой возможности).
Облака среднего яруса (от 2 до 6 км)
Это кучевые облака и слоистые облака. В умеренных и полярных широтах они находятся на расстоянии от 2 до 7 км над Землёй, в тропических могут подниматься немного выше – до 8 км. Все они имеют смешанную структуру и состоят из водяных капелек, смешанных с ледяными кристаллами. Поскольку высота небольшая, в тёплое время года в основном состоят из водяных, в холодное – из ледяных капелек. Правда, осадки из них до поверхности нашей планеты не доходят – испаряются в дороге.
Кучевые облака немного прозрачные и располагаются выше облаков. Цвет облаков белого или серого оттенков, местами затемнённые, имеющие вид слоёв или параллельных рядов из округлых масс, валов или огромных хлопьев. Туманные или волнистые слоистые облака представляют собой пелену, которая постепенно закрывает небеса.
Образуются в основном тогда, когда холодный фронт вытесняет наверх тёплый. И, хотя осадки до земли не долетают, появление облаков среднего яруса почти всегда (кроме, может, башенковидных) сигнализирует о перемене погоды в худшую сторону (например, к грозе или к снегопадам). Происходит это из-за того, что сам по себе холодный воздух намного тяжелее тёплого и двигаясь вдоль поверхности нашей планеты, он очень быстро вытесняет нагретые воздушные массы наверх – поэтому из-за этого при резком вертикальном подъёме тёплого воздуха образуются сначала белые облака среднего яруса, а затем и дождевые облака, небо облака которого несет громы и молнии.
Облака нижнего яруса (до 2 км)
Слоистые облака, дождевые облака и кучевые облака содержат капельки воды, которые в холодное время года замерзают и превращаются в частицы снега и льда. Расположены они довольно невысоко – на расстоянии от 0,05 до 2 км и являют собой плотный, однородный низко нависающий покров, редко размещаются выше облаков (других видов). Цвет облаков серый. Слоистые облака похожи на большие валы. Погода облаков часто сопровождается осадками (мелкий дождь, снег, туман).
Облака вертикального развития (конвенции)
Кучевые облака сами по себе довольно плотные. По форме немного напоминают купола или башни с округлыми очертаниями. Кучевые облака при порывистом ветре могут становиться разорванными. Находятся они на расстоянии 800 метров от земной поверхности и выше, толщина составляет от 1 до 5 км. Некоторые из них способны преобразоваться в кучево-дождевые облака и располагаться выше облаков.
Кучево-дождевые облака могут находиться на довольно большой высоте (до 14 км). Нижние их уровни содержат воду, верхние – ледяные кристаллики. Их появление всегда сопровождается ливнями, грозами, в отдельных случаях – градом.
Кучевые и кучево-дождевые, в отличии от других облаков образуются только при очень быстром вертикальном подъеме влажного воздуха:
- Влажный тёплый воздух чрезвычайно интенсивно поднимается вверх.
- Наверху капельки воды замерзают, верхняя часть облака тяжелеет, опускается и вытягивается по направлению к ветру.
- Через четверть часа начинается гроза.
Облака верхних слоёв атмосферы
Иногда в небе можно наблюдать за облаками, которые находятся в верхних слоях атмосферы. Например, на высоте от 20 до 30 км образуются перламутровые небесные облака, которые состоят в основном из ледяных кристаллов. А перед заходом или восходом Солнца нередко можно увидеть серебристые тучки, которые находятся в верхних слоях атмосферы, на расстоянии около 80 км (интересно, что эти небесные облака открыли только в 19 веке).
Облака этой категории могут размещаться выше облаков. Например, облако-шапка — это небольшое, горизонтальное и высоко-слоистое облако, которое зачастую располагается выше облаков, а именно выше кучево-дождевых и кучевых. Данный вид облака может образовываться выше облака из пепла или огненного облака в период извержения вулканов.
Сколько живут облака
Жизнь облаков напрямую зависит от влажности воздуха в атмосфере. Если её мало, они довольно быстро испаряются (например, есть белые облака, которые живут не более 10-15 минут). Если много – могут продержаться довольно длительное время, дождаться образования определённых условий, и выпасть на Землю в виде осадков.
Сколько бы не жило облако, оно никогда не находится в неизменном состоянии. Частицы, из которых оно состоит, постоянно испаряются и появляются снова. Если даже внешне облако не изменяет своей высоты, на самом деле оно находится в постоянном движении, поскольку находящиеся в нём капли опускаются, переходят в воздух под облаком и испаряются.
Облако в домашних условиях
Белые облака довольно нетрудно сделать в домашних условиях. Например, один нидерландский художник научился создавать его в квартире. Для этого он при определённой температуре, уровне влажности и освещения из дымовой машины выпустил немного пара. Облако, которое получается в состоянии продержаться несколько минут, чего будет вполне достаточно, чтобы сфотографировать удивительное явление.
Всем доводилось видеть облака. Они бывают большими и маленькими, почти прозрачными и совсем густыми, белыми или темными, предгрозовыми. Принимая различную форму, они напоминают животных и предметы. Но и почему они так выглядят? Об этом расскажем ниже.
Что такое облако
Тот, кто летал на самолете, наверняка "проходил" сквозь облако и заметил, что оно похоже на туман, только находится он не прямо над землей, а высоко в небе. Сравнение вполне логичное, ведь и то, и другое представляет собой обычный пар. А он, в свою очередь, состоит из микроскопических капелек воды. Откуда же они берутся?
Эта вода поднимается в воздух в результате испарения с поверхности земли и водоемов. Поэтому наибольшее скопление облаков наблюдается над морями. За год с их поверхности испаряется около 400 тысяч кубических километров, что в 4 раза превышает аналогичный показатель суши.
Какие бывают? Все зависит от состояния воды, которая их образует. Она может быть газообразной, жидкой или твердой. Может показаться удивительным, но некоторые облака действительно состоят из льдинок.
Мы уже выяснили, что облака образуются в результате скопления большого количества частичек воды. Но для завершения процесса необходимо связующее звено, к которому будут "липнуть" капли и собираться вместе. Зачастую эту роль выполняет пыль, дым или соль.
Классификация
От высоты расположения во многом зависит, из чего образуются облака и как они будут выглядеть. Как правило, белые массы, которые мы привыкли видеть на небе, появляются в тропосфере. Ее верхняя граница варьируется в зависимости от географического положения. Чем ближе территория к экватору, тем выше могут формироваться стандартные облака. Например, над местностью с тропическим климатом граница тропосферы располагается на высоте примерно 18 км, а за Полярным кругом - 10 км.
Образование облаков возможно и на больших высотах, но они в настоящее время мало изучены. Например, перламутровые появляются в стратосфере, а серебристые - в мезосфере.
Облака тропосферы условно делятся на типы в зависимости от того, на какой высоте они расположены - в верхнем, среднем или нижнем ярусе тропосферы. Движение воздуха также оказывает большое влияние на формирование облака. В спокойной среде образуются перистые и слоистые облака, но если тропосферы движутся неравномерно, повышается вероятность появления кучевых.
Верхний ярус
Этот промежуток охватывает участок неба на высоте более 6 км и до края тропосферы. Учитывая, что температура воздуха здесь не поднимается выше 0 градусов, несложно догадаться, из чего образуются облака в верхнем ярусе. Это может быть только лед.
По внешнему виду облака, расположенные здесь, подразделяются на 3 рода:
- Перистые . Имеют волнистую структуру и могут выглядеть как отдельные нити, полосы или целые гряды.
- Перисто-кучевые состоят из мелких шариков, завитков или хлопьев.
- Перисто-слоистые представляют собой полупрозрачное подобие ткани, "накрывающей" небо. Облака такого типа могут растягиваться на все небо или занимать только небольшой участок.
Высота облака, находящегося в верхнем ярусе, может сильно варьироваться в зависимости от различных факторов. Это могут быть и несколько сотен метров, и десятки километров.
Средний и нижний ярус
Средний ярус - это часть тропосферы, расположенная обычно в промежутке между 2 и 6 км. Здесь встречаются высококучевые облака, представляющие собой объемные серые или белые массы. Состоят они из воды в теплое время года и, соответственно, изо льда в холодное. Второй тип облаков - высокослоистые. Они имеют и зачастую полностью накрывают небо. Такие облака несут осадки в виде моросящего дождя или мелкого снега, но они редко долетают до поверхности земли.
Нижний ярус представляет собой непосредственно находящееся над нами небо. Облака здесь могут быть 4 типов:
- Слоисто-кучевые в виде глыб или валов серого цвета. Могут нести осадки, кроме тех случаев, когда температура слишком низкая.
- Слоистые . Располагаются ниже всех остальных, имеют серый цвет.
- Слоисто-дождевые. Как можно понять по названию, несут осадки, причем, как правил, они имеют обложной характер. Это серые облака, не имеющие определенной формы.
- Кучевые . Одни из самых узнаваемых облаков. Выглядят, как мощные кучи и клубы с практически плоским основанием. Осадков такие облака не приносят.
Существует еще один вид, не входящий в общий список. Это кучево-дождевые облака. Они развиваются вертикально и присутствуют в каждом из трех ярусов. Такие облака приносят ливни, грозы и град, поэтому зачастую их называют грозовыми, или ливневыми.
Продолжительность жизни облака
Для тех, кто знает, из чего образуются облака, интересным может быть и вопрос о сроке их жизни. Здесь большое значение играет уровень влажности. Она является своеобразным источником жизненных сил для облаков. Если воздух в тропосфере достаточно сухой, то облако не сможет просуществовать долго. Если же влажность высока, оно может дольше парить в небе, пока не станет более мощным для того, чтобы произвести осадки.
Что касается формы облака, то срок ее жизни совсем мал. Частицы воды имеют свойство постоянно перемещаться, испаряться и появляться снова. Поэтому одна и та же форма облака не может сохраниться даже на 5 минут.
