Облака с физической точки зрения

Типы облаков

Стратосферные облака:

Стратосферные облака образуются на очень высокой высоте, от 8 до 13 километров. Они обычно имеют плоскую форму и состоят изо льда. Стратосферные облака часто наблюдаются в высоких широтах и являются очень редким явлением в других регионах.

Кучевые облака:

Кучевые облака имеют пушистую форму и выглядят как большие белые клубы. Они обычно образуются в нижней части атмосферы и могут достигать высоты до 2 километров. Кучевые облака часто свидетельствуют о хорошей погоде, но иногда могут превращаться в дождевые или грозовые облака.

Слоистые облака:

Слоистые облака имеют плоскую форму и выглядят как слои или полосы. Они образуются в разных частях атмосферы и могут быть очень тонкими или толстыми. Слоистые облака обычно индикаторы неустойчивой погоды. Они могут превращаться в облака грозового типа и приводить к сильным дождям и грозам.

Пучковые облака:

Пучковые облака образуются в виде небольших пучков или кистей. Они могут быть очень плотными и часто приводить к дождю или снегу. Пучковые облака повсеместно встречаются и часто наблюдаются в холодном времени года.

Штрата:

Штрата представляет собой облако-мейджор. Она образуется, когда определенное количество пара воды нагревается и поднимается ввысь, а затем быстро охлаждается. Штрата может быть китаобразной или более вытянутой формы и обычно свидетельствует о стабильной погоде.

Условия для образование облаков

Мы видели, что для образования облаков необходимым условием является охлаждение атмосферного воздуха, содержащего водяные пары, ниже точки росы. Рассмотрим же, какие причины могут вызвать это.

Охлаждение воздуха благодаря лучеиспусканию

Ночью, когда притока тепла от солнца нет, поверхность земли, отдавая свое тепло вверх в мировое про­странство посредством излучения, охлаждается. Охлаждение бывает особенно интенсивно в ясную погоду, когда облака не оказывает препятствия лучеиспусканию. Охлаждение земли передается и слоям воздуха, которые в свою очередь также охлаждаются.

Охлаждение воздуха благодаря его движению по более холодной земной по­верхности

Аналогичная картина охлаждения нижних слоев атмосферы наблюдается в том случае, когда теплая масса воздуха передвинется в виде воздушного течения в такой район, где поверхность земли, под влиянием предшествующей погоды, была настолько охлаждена, что надвинувшаяся масса воздуха окажется теплее ее. Это обычно наблюдается тогда, когда массы воз­духа из-под тропиков передвинутся далеко на север, где, очевидно, температура земной поверхности холоднее, чем в тропиках. Подобным же примером может служить тот случай, когда зимою, после сильных морозов в степи, на нее при южном ветре надвинется теплый воздух с моря. Аналогичное явление может наблюдаться и на море, когда воздушные массы, расположен­ные над теплым течением и нагретые там, будут перенесены в район, где про­ходит более холодное течение. Очевидно, при движении теплого воздуха над более холодной поверхностью, нижние слои воздуха будут постепенно охла­ждаться и это охлаждение будет постепенно передаваться наверх.

Наоборот, если холодные воздушные массы будут передвигаться по более теплой поверхности — очевидно воздух будет постепенно нагреваться снизу и нагревание будет постепенно передаваться все выше и выше.

Перенос воздуха вдоль земной поверхности носит название «адвекции», почему рассмотренные нами процессы охлаждения и нагревания воздуха мы будем называть «адвективным охлаждением или нагреванием».

Охлаждение воздуха при его поднятии

Рассмотрим теперь наиболее важный процесс, вызывающий образование облаков — именно охлаждение воздуха при его поднятии. Этот процесс рассмотрим более детально, потому что он вызы­вает образование наиболее мощных облаков и наиболее обильных осадков.

Известно, что если мы будем быстро сжимать воздух, например, сдавли­вая его поршнем в какой-либо трубке, воздух будет нагреваться. Это нагре­вание происходит вследствие того, что та работа, которую мы производим при сжатии воздуха, переходит в тепло.

Известно, между прочим, что этим явлением пользуются для производства воспламенения горючей смеси в цилиндрах некоторых систем двигателей внутрен­него сгорания (их называют дизелями). Наоборот, при быстром расширении воздуха происходит его охлаждение. Представим себе, что некоторая масса воздуха, под влиянием той или другой причины, начнет опускаться в атмосфере сверху вниз. Так как атмосферное давление с высотой уменьшается, то опускающаяся воздушная масса, опускаясь с того уровня, где атмосферное давление меньше, к уровню, где оно больше, будет сжиматься, а вследствие сжатия — нагреваться. Наоборот, при поднятии вверх, воздушная масса, попадая в слои с меньшим атмосферным давлением, будет расширяться и вследствие этого охлаждаться.

Таким образом одно только поднятие воздуха уже вызывает его охлаждение.

Физика дает возможность подсчитать, что если поднимающаяся масса воздуха не будет получать тепла со стороны и в то же время не будет отда­вать своего тепла, то при поднятии на каждые 100 метров она только вслед­ствие своего расширения охладится на 1°. Наоборот, опускающаяся масса воздуха, вследствие сжатия, будет нагреваться на каждые сто метров также на 1°.

Когда поднятие или опускание воздуха происходит так, как описано выше, т. е. без отдачи и без получения тепла, то говорят, что поднятие или опускание происходит «адиабатически».

Что происходит с паром в облаках?

Когда пар поднимается в атмосферу, он сталкивается с прохладным воздухом, который является более холодным, чем испаряющаяся вода. В результате этого столкновения пара происходит процесс конденсации.

Конденсация — это переход газообразного состояния вещества в жидкое состояние. При конденсации молекулы пара охлаждаются и сближаются, образуя капли воды.

Образование капель воды в атмосфере приводит к образованию облаков. Облака состоят из множества микроскопических капель воды или иногда замороженного водяного пара.

Когда капли воды в облаках становятся достаточно большими и тяжелыми, они начинают падать вниз в виде дождя, снега, града или других форм осадков.

Таким образом, пар, поднимаясь в атмосферу и конденсируясь в облаках, претерпевает изменения, превращаясь в воду и возвращаясь обратно на землю в виде осадков.

Физические процессы

Для понимания причин превращения пара в воду необходимо изучить несколько физических процессов.

• Испарение: Пар образуется из воды благодаря процессу испарения. Испарение происходит, когда молекулы воды получают достаточно энергии для преодоления силы притяжения друг к другу и перехода в газообразное состояние.
• Конденсация: Когда пар охлаждается, он теряет энергию и переходит в жидкое состояние. Этот процесс называется конденсацией. Молекулы водяного пара связываются вместе, образуя капли воды.
• Превращение воды в облака: Когда молекулы воды испаряются из поверхности океана, рек и других водных источников, воздушные потоки возносят их в атмосферу. Здесь водяной пар поднимается вверх, где встречает более холодные слои атмосферы. При охлаждении он конденсируется образуя облака.
• Возвращение воды на землю: Как только облака достигают определенной точки насыщения, капли воды становятся слишком тяжелыми и начинают падать на землю в виде дождя, снега или других форм осадков. Этот процесс называется выпадением осадков. Таким образом, вода возвращается на землю и вновь может испаряться и образовывать пар, чтобы затем превратиться в облака в бесконечном цикле.

Таким образом, физические процессы испарения и конденсации играют ключевую роль в переходе пара в облака и обратно в воду, обеспечивая непрерывный цикл воды в природе.

Как образуются облака

Приведенные примеры показывают, какое значение имеют облака в куль­турной жизни современного человека. Посмотрим же ближе, что такое облака, как они образуются. А как различаются между собою различные виды облаков вы можете прочитать в отдельной статье.

Водяные пары в атмосфере

Водяные пары в атмосферном воздухе. Облака представляют собою собрание громадного количества мельчайших капелек воды или кристалликов льда, обра­зовавшихся благодаря превращению водяных паров, находящихся в атмосфере, в жидкое или твердое состояние, или как говорят — благодаря конденсации водя­ных паров.

Водяные пары всегда являются одной из составных частей атмосферного воздуха, однако, количество их вообще не постоянно. Оно зависит в значи­тельной степени от температуры воздуха, а также, до известной степени, и оттого, откуда пришла к нам воздушная масса, в которой сейчас мы нахо­димся. Водяные пары отличаются от других составных частей воздуха тем, что при каждой температуре существует некоторое предельное, наибольшее их количество, которое может содержать в себе воздух. Чем выше температура воздуха» тем большее количество их может содержаться в воздухе. Так, при нормальном атмосферном давлении (при высоте барометра 760 миллиметров), один килограмм насыщенного воздуха содержит в себе следующее количество водяных паров (в граммах) при различных температурах:

• При температуре -20° — 0.66 грамм
• При -10° — 1.64  грамм
• При 0° — 3.77 грамм
• При +10° — 7.53 грамм
• При +20° — 14.35 грамм
• При +30° — 26.23 грамм

Конденсация водяных паров

Нетрудно видеть, что при понижении температуры воздуха, содержащего водяные пары, должна наступить их конденсация, т. е. превра­щение их в жидкое или твердое состояние. Пусть воздух, имеющий вначале температуру 30°, содержит  на каждый килограмм 14.35 грамма водяных паров. Очевидно, он не будет насыщен водяными парами, так как предельное содержание водяных паров при этой температуре ровно 26.23 гр. на 1 кило­грамм воздуха. Допустим, что под влиянием той или иной причины воздух охладится до температуры 20°. Очевидно, он станет уже насыщенным, так как предельное содержание водяных паров при этой температуре равно 14.35 гр. на 1 килограмм. Пусть охлаждение будет продолжаться и темпера­тура воздуха понизится до 10°. При этой температуре предельное содержание водяных паров равно 7.53 грамма, следовательно, излишек водяных паров 14.35 гр. — 7.53 гр. = 6.82 гр. должен выделиться в жидком виде, т. е. про­изойдет конденсация водяных паров.

Когда конденсация водяных паров происходит в атмосфере, водяные пары превращаются или в мельчайшие капельки воды — если температура выше 0°, или в мельчайшие кристаллики льда, если температура ниже 0°. Однако, в некоторых случаях капельки воды могут оставаться в жидком виде и не замерзать даже в том случае, если температура понизится ниже 0°. Тогда говорят, что вода находится в переохлажденном состоянии.

Таким образом для образования облаков необходимо, чтобы произошла конденсация водяных паров, находящихся в воздухе. Так как конденсация водяных паров происходит тогда, когда при понижении температуры водяные пары, находящиеся в воздухе, достигнут состояния насыщения и при дальней­шем понижении температуры излишек их начнет выделяться в жидком или твердом виде, то, очевидно, для образования облаков необходимо достаточное охлаждение воздуха, содержащего водяные пары.

Ядра Конденсации

При детальном исследовании процесса конденсации водяных паров выяснилось, что для облегчения образования капелек или кристалликов льда необходимо, чтобы в воздухе были некоторые первоначальные частицы, так называемые ядра конденсации, на которые и осаждаются водяные пары при пре­вращении их в жидкое или твердое состояние. Роль таких ядер играет мельчайшая пыль, находящаяся в воздухе в громадном количестве даже на больших высотах.

Представление облаков в моделях численного прогноза погоды

В численных моделях прогнозирования погоды и климата (см. Модели прогнозирования погоды и Модели климата ) невозможно индивидуально предсказать эволюцию каждого присутствующего гидрометеора. Поэтому необходимо более синтетически представить характеристики популяции гидрометеоров в каждом блоке сетки модели, что является ролью микрофизических параметризаций или схем облаков .

Наиболее точные микрофизические схемы делят гидрометеоры на очень большое количество классов в зависимости от их типа (капли, кристаллы…) и размера и предсказывают количество гидрометеоров в каждом классе. Например, переменная на схеме может представлять количество капель дождя диаметром от 1 мм до 1,1 мм. Таким образом, эти схемы позволяют точно представить состав облака и его эволюцию во времени от образования облака из аэрозолей до образования осадков и рассеивания облака. Однако количество требуемых переменных делает их слишком дорогими для оперативного прогнозирования погоды .и поэтому они зарезервированы для академического использования и не свободны от приближений: остаются источники ошибок, связанные с пространственной и временной дискретизацией, чувствительностью к выбору количества классов и пределом неопределенности в представлении большинства процессов. . Изображение ледяных гидрометеоров еще более тонкое. Действительно, размер гидрометеора неправильной формы определить уже сложно, а при заданном размере его характеристики (площадь поверхности, плотность, масса, скорость падения и т. д.) могут значительно различаться, что делает классификацию по размерам недостаточной.

Более простые микрофизические схемы делят гидрометеоры на разные категории (облачные капли воды, дождь, снег…) и предполагают, что пространственное распределение каждого типа гидрометеоров следует заранее определенному закону вероятности.с несколькими степенями свободы. Простейшие схемы, называемые одномоментными схемами, имеют только одну степень свободы и обычно предсказывают только общую массу гидрометеора каждого типа. Поэтому они не точно отражают состав облаков и воздействие аэрозолей на облака. Для этого более сложные схемы имеют две (или более) степени свободы и обычно представляют, помимо массы, количество гидрометеоров каждого типа (или даже отражательную способность, или другие характеристики гидрометеоров). Затем влияние каждого микрофизического процесса (включающего взаимодействие одного или нескольких типов гидрометеоров) на переменные, предсказываемые моделью, представляется индивидуально. Например,

Эти схемы значительно дешевле и чаще используются в моделях прогнозирования погоды и климата. Например, модель прогнозирования погоды с высоким разрешением Météo-France , AROME , которая предоставляет подробные прогнозы на срок до 36 часов над метрополией Франции и заморскими департаментами, использует одномоментную схему . Для улучшения представления облаков и учета взаимодействий аэрозолей и облаков тестируется двухмоментная схема, добавляющая прогноз числовых концентраций гидрометеоров и аэрозолей .

Физические свойства облаков и их разновидности

Облака — это наборы видимых взвешенных в атмосфере частиц воды или льда. Они имеют различные физические свойства и классифицируются по разнообразным признакам.

Физические свойства облаков

Физические свойства облаков определяют их характеристики и влияют на их внешний вид и поведение. Некоторые из самых важных физических свойств облаков включают:

1. Высота облаков: облака могут образовываться на разных высотах в атмосфере, начиная от низких облаков, образующихся на нескольких километрах над землей, до высоких облаков, образующихся на высоте более 10 километров.
2. Толщина облаков: облака могут иметь различную толщину, от нескольких метров до нескольких километров.
3. Плотность облаков: облака могут быть более или менее плотными в зависимости от количества частиц воды или льда в них.
4. Цвет облаков: облака могут иметь разные оттенки белого, серого или даже розового цвета, что зависит от преломления и рассеивания света в частицах облаков.
5. Форма облаков: облака могут иметь разные формы, такие как кучевые, перистые, извилистые или орошаемые.

Разновидности облаков

Существует несколько основных разновидностей облаков, которые основываются на их высоте и форме:

• Кучевые облака: это пушистые и рыхлые облака с размытыми границами. Они образуются на низких или средних высотах и имеют форму белых клубков или башенок.
• Перистые облака: это тонкие и перистые облака, которые образуются на высоких высотах. Они имеют перистую структуру и могут быть разного цвета, включая розовый при восходе или закате солнца.
• Слоистые облака: это плоские и горизонтально располагающиеся облака, которые занимают большую область неба. Они могут иметь различные формы и толщину.
• Извилистые облака: это длинные и извилистые облака с кружащейся структурой. Они образуются на средних высотах и могут быть связаны с турбулентными погодными условиями.
• Орошаемые облака: это облака, из которых выпадает осадок в виде дождя, града или снега. Они могут быть различного вида и формы, и их появление обычно сопровождается атмосферными условиями, благоприятными для образования осадков.

Изучение физических свойств и разновидностей облаков помогает понять их роль в формировании погоды и климата на Земле.

Воздействие атмосферных процессов

Атмосферные процессы имеют значительное воздействие на фазовый переход пара в облаках в воду. Они оказывают своё влияние на различные этапы этого перехода, от конденсации до образования капель воды и дальнейшего роста этих капель.

Один из важных атмосферных процессов, влияющих на фазовый переход пара в воду, — это конденсация. Пар воздуха поднимается в атмосфере и охлаждается вместе с возрастанием высоты. При определенной температуре пар достигает точки росы и начинает конденсироваться в капли воды. Эти капли воды собираются вместе, образуя облака.

Другой важный атмосферный процесс — это адвекция. Адвекция — это горизонтальное перемещение воздуха с разными температурами и влажностью. Когда теплый и влажный воздух переносятся в холодные области, он охлаждается, что способствует конденсации и образованию облаков. Этот процесс может иметь место в различных масштабах, от локальных до межконтинентальных.

Также следует упомянуть о накапливании водяного пара. Водяной пар накапливается в атмосфере благодаря процессам испарения с поверхности морей, океанов, рек и растений. Накопленный водяной пар может стать источником для образования облаков и последующего фазового перехода воды.

Атмосферные процессы играют ключевую роль в превращении пара в облаках в воду. Через конденсацию, адвекцию и накапливание водяного пара, атмосфера формирует облачные образования и атмосферные явления, включая дождь, снег и лед. Понимание этих процессов помогает нам лучше понять и прогнозировать погоду и климатические изменения.

Как ускорить процесс конденсации?

Процесс конденсации, при котором пар превращается в жидкость, может занимать значительное количество времени в зависимости от условий окружающей среды. Однако, существуют способы ускорить этот процесс, что может быть полезным при проведении экспериментов или в промышленности. Вот несколько способов, как ускорить процесс конденсации:

1. Увеличить поверхность контакта:

Чем больше поверхность для соприкосновения водяных молекул с поверхностью, тем быстрее проходит процесс конденсации. Можно использовать специальные устройства, такие как конденсационные колбы или фильтры, чтобы увеличить поверхность контакта. Например, можно использовать сетку с маленькими отверстиями, чтобы повысить эффективность конденсации.

2. Понизить температуру:

Уменьшение температуры окружающей среды может ускорить конденсацию пара в воду. Холодная среда способствует скорейшему охлаждению пара и его конденсации. Однако, необходимо помнить, что слишком низкая температура может привести к образованию льда вместо жидкости.

3. Использовать повышенное давление:

Увеличение давления окружающей среды также может способствовать более быстрой конденсации пара. Повышенное давление создает условия, при которых пару труднее оставаться в газообразном состоянии, и он превращается в конденсированную жидкость.

4. Добавить конденсационные ядра:

Конденсационные ядра — это микроскопические частицы, которые служат инициаторами конденсации пара. Добавление конденсационных ядер, таких как пыль или аэрозоли, может ускорить процесс конденсации, так как они предоставляют поверхность для образования капель воды.

Важно помнить, что ускорение процесса конденсации может зависеть от различных факторов, таких как влажность, температура и наличие примесей в воздухе. Поэтому, при проведении экспериментов или промышленных процессов, необходимо учитывать все факторы и выбирать соответствующие методы для ускорения конденсации

Методы воздействия на облака

Совр. нау­ка и тех­ни­ка дос­тиг­ли уров­ня раз­вития, по­зво­ляю­ще­го управ­лять не­ко­торы­ми про­цес­са­ми в О., ис­кус­ст­вен­но из­ме­няя их фа­зо­вое со­стоя­ние и мик­ро­струк­ту­ру. Наи­боль­шие ус­пе­хи дос­тиг­ну­ты в рас­сеи­ва­нии пе­ре­ох­ла­ж­дён­ных О. и ту­ма­нов, в воз­дей­ст­вии на гра­до­опас­ные О. в це­лях пре­дот­вра­ще­ния гра­до­би­тий. Для рас­сея­ния пе­ре­ох­ла­ж­дён­ных О. и ту­ма­нов в них вно­сят­ся (с по­мо­щью спец. на­зем­ных ус­та­но­вок-ге­не­ра­то­ров или с са­мо­лё­та) хла­до­реа­ген­ты (час­ти­цы су­хо­го льда – твёр­дой уг­ле­ки­сло­ты) или час­ти­цы льдо­об­ра­зую­щих ве­ществ (ио­ди­стое се­реб­ро, ио­ди­стый сви­нец и др.), спо­соб­ст­вую­щие об­ра­зо­ва­нию в О.

Ос­нов­ные фор­мы об­ла­ков по ме­ж­ду­на­род­ной клас­си­фи­ка­ции и их ха­рак­те­ри­сти­ки
Формы облаков, их латинские названия и обозначения	Размеры облаков	Преимущественное фазовое строение	Время жизни облака	Максимальные вертикальные скорости	Виды осадков у земли
высота нижней границы, км	толщина, км	горизонтальная протяженность, км
Перистые,	6-10	0,2-3	102-103	Кристаллические	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют
Перисто-кучевые, Cirrus (Ci)	6-9	0,2-1,0	10-102	Кристаллические	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют
Перисто-слоистые, Cirrostratus (Cs)	5-9	0,5-5	102-103	Кристаллические	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют
Высококучевые, Altocumulus (Ac)	2-6	0,1-0,8	10-102	Капельные, смешанные	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют
Высокослоистые, Altostratus (As)	3-6	0,5-3	102-103	Смешанные, кристаллические	Сутки и более	Десятки см/сек	Дождь, снег
Слоисто-дождевые, Nimbostratus (Ns)	0,1-1,0	1-10	102-103	Смешанные	Сутки и более	Десятки см/сек	Дождь, снег
Слоисто-кучевые, Stratocumulus (Sc)	0,4-2,0	0,1-1,0	10-103	Капельные	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют или морось
Слоистые, Stratus (St)	0,1-0,7	0,1-1,0	10-103	Капельные	Сутки и более	Десятки см/сек	Отсутствуют или морось
Кучевые, Cumulus (Сu)	0,8-2,0	0,3-3	1-5	Капельные	Десятки минут	1 м/сек	Отсутствуют
Кучево-дожевые, Cumulonimbus (Cb)	0,4-1,5	5-12	5-50	Смешанные	Десятки минут	15-20 м/сек	Ливень, град

дос­та­точ­но­го ко­ли­че­ст­ва кри­стал­ли­ков льда, ко­то­рые за­тем ук­руп­ня­ют­ся и вы­па­да­ют из О. При этом уп­ру­гость во­дя­но­го па­ра в О. по­ни­жа­ет­ся, ка­п­ли ис­па­ря­ют­ся и на­сту­па­ет рас­сея­ние О. (ту­ма­на). О. мо­гут быть ис­кус­ст­венно соз­да­ны с по­мо­щью те­п­ло­вых ис­точ­ни­ков кон­век­ции – ме­тео­тро­нов или с по­мо­щью вне­се­ния до­пол­нит. вла­ги. Так, при сго­ра­нии 1 кг ке­ро­си­на об­ра­зу­ет­ся ок. 1,2 кг во­дя­но­го па­ра. Это­го обыч­но дос­та­точ­но для об­ра­зо­ва­ния кон­ден­са­ци­он­ных сле­дов за са­мо­лё­та­ми, ле­тя­щи­ми на выс. 8–12 км. Дли­тель­ность су­ще­ст­во­ва­ния та­ких сле­дов за­ви­сит от влаж­но­сти ат­мо­сфе­ры. В разл. го­су­дар­ст­вах про­во­дят­ся на­уч. ра­бо­ты по ис­кусств. ре­гу­ли­ро­ва­нию и пе­ре­рас­пре­де­ле­нию осад­ков. Боль­шая при­род­ная из­мен­чи­вость ко­ли­че­ст­ва ес­те­ст­вен­но вы­па­даю­щих осад­ков су­ще­ст­вен­но ос­лож­ня­ет про­бле­му оп­ре­де­ле­ния ре­аль­ной эф­фек­тив­но­сти при­ме­няе­мых ме­то­дов воз­дей­ст­вия. Од­на­ко раз­ви­тие этих ме­то­дов име­ет боль­шие эко­но­мич., юри­дич. и со­ци­аль­ные ас­пек­ты. Не­кон­тро­ли­руе­мое управ­ле­ние О., вы­зы­ваю­щее за­су­хи, лес­ные по­жа­ры или на­вод­не­ния, мо­жет иметь гло­баль­ные не­га­тив­ные по­след­ст­вия для че­ло­ве­че­ст­ва.

Что такое 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.

Почему дует ветер?152854.311

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).

Микрофизика облачности: какие процессы происходят на молекулярном уровне

Пар в облаках представляет собой множество водных молекул, которые слипаются вместе и образуют видимые облака. Но как и почему пар превращается в воду? Этот процесс обусловлен рядом микрофизических явлений, происходящих на молекулярном уровне.

Один из основных процессов — конденсация. Когда воздух насыщен водяным паром, молекулы воды начинают соударяться и слипаться, образуя капельки. Это происходит благодаря взаимодействию между молекулами, которое приводит к образованию слабых химических связей. Чем больше водяного пара в воздухе, тем больше возможностей для соударения молекул и образования капель.

Еще один важный процесс — конденсация на поверхности. Воздух может содержать пыли, соли или другие частицы, на поверхности которых молекулы воды могут собираться. Это явление называется ядерным конденсационным явлением. Небольшие частицы являются точками, на которых молекулы воды начинают слипаться и образовывать капельки. Поэтому в облаках часто можно увидеть капли воды, окруженные пылинками или другими частицами.

Также в облачности происходит процесс испарения. Когда облако оказывается в более теплом окружении или в более сухом воздухе, молекулы воды начинают испаряться и переходить в состояние пара. Этот процесс обратен конденсации и происходит, когда связи между молекулами ослабевают из-за внешних условий.

Микрофизика облачности изучает все эти процессы на молекулярном уровне и пытается понять, как они взаимодействуют друг с другом. Понимание механизмов, которые приводят к образованию и исчезновению облаков, помогает улучшить прогнозирование погоды и лучше понять климатические изменения.

Невидимые облака

Все облака образуются в результате испарений, но не все они видны глазу. Когда пары поднимаются в атмосферу, насыщая ее, и до момента, пока их не видно, можно говорить о том, что облако невидимое. Но когда создадутся определенные температурные условия, эти пары станут видны глазу. После того, как образуются облака, они приобретают причудливую форму. Это связано со скоростью подъема паров в верхние слои атмосферы, температуры, при которой происходит этот процесс, наличия ветра и других факторов. К примеру, водяной пар в жаркую погоду очень быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где происходит накапливание влаги. Во время подъема пар охлаждается, но молекулы воды удерживаются воздушными массами. После того, как образуются облака, и количество влаги в них достигнет критического уровня, капельки воды вновь падают на землю в виде осадков.

Чтобы лучше понять процесс, можно провести опыт. В зимний день открыть окно комнаты. В этот момент снаружи сразу же появится облачко, но как только окно закроется, оно пропадет. Это происходит в тот момент, когда теплый воздух сталкивается с холодным и начинает охлаждаться. Исходя из этого, можно сделать вывод, как образуются облака: они появляются в результате конденсирования или при охлаждении пара, который соединяется в капельки воды.

Молекулярный уровень

Процесс превращения воды в пар и росу на молекулярном уровне объясняется физическими причинами. Вода состоит из молекул, каждая из которых состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Молекулы воды обладают положительными и отрицательными зарядами.

При нагревании воды энергия вносит возмущения в молекулы, вызывая их более активное движение. В результате молекулы воды начинают изменять свою структуру и оригинальное расположение. Под действием тепла молекулы воды разрывают связи между собой и проявляют физическую активность.

Когда молекулы воды находятся в жидком состоянии, они уплотнены и связаны друг с другом с помощью водородных связей. Водородные связи образуются между положительно заряженным водородным атомом одной молекулы и отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул.

При нагревании воды, энергия вызывает вибрации и колебания молекул воды, и это нарушает водородные связи. Молекулы воды начинают двигаться быстрее и разбивать водородные связи между собой. В результате образуется отдельная пара с высокой энергией, и эта пара может перейти в газообразное состояние – пар.

После этого пара может подняться в атмосферу, где она охлаждается и конденсируется. Когда пара находится в атмосфере, она сталкивается с другими молекулами воды и формирует росу. Процесс конденсации происходит при снижении температуры, и уровень энергии молекулы позволяет ей стать веществом жидким или твердым.

Таким образом, на молекулярном уровне происходит превращение воды в пар и росу благодаря энергии, которая вызывает движение молекул, нарушает водородные связи и вызывает изменения в состоянии воды.

Основные причины фазового перехода

1. Охлаждение: когда пар охлаждается, его молекулы замедляются и сближаются, образуя жидкость.
2. Сжатие: при увеличении давления пара, его молекулы также сближаются и образуют жидкость.
3. Конденсация: при соприкосновении пара с прохладной поверхностью, энергия молекул понижается, что приводит к образованию капель жидкости.
4. Ядерная конденсация: наличие аэрозольных частиц в атмосфере может служить основой для образования капелек, так как вокруг них пара образуется, и они выступают в качестве ядер конденсации.

Эти причины могут взаимодействовать друг с другом, и необходимые условия для фазового перехода могут быть разными в разных ситуациях

Понимание механизмов фазового перехода важно для понимания различных явлений, таких как облачность, осадки и изменение состояний вещества

1Откуда берутся облака

Человек смог дотронуться рукой до облака с появлением воздушного шара. Поднявшись высоко в небо, отважные воздухоплаватели оказались в плену тумана. Они не ошиблись, облако – это не что иное, как мельчайшие капельки воды или кристаллы льда, образующиеся в результате конденсации водяного пара. Частички воды настолько малы, что могут поддерживаться в слоях атмосферы при незначительном движении восходящих воздушных масс.

При нагревании Солнцем поверхности нашей планеты, состоящей из 71% воды, происходит испарение и невидимый водяной пар, перемешиваясь с теплыми воздушными потоками воздуха, поднимается в тропосферу. Достигнув точки росы, становится возможной конденсация водяных паров в облако за счет:

• понижения температуры воздуха при его восхождении
• увеличение абсолютной влажности воздуха

Теплые воздушные потоки поднимаются и на определенной высоте (уровень конденсации), водяной пар становится облаком, которое растет и может достигать в диаметре 10 км – высота полета пассажирского самолета. Есть точка, на которой облако прекращает свой рост – этот предел называется уровень свободной конвекции. Если абсолютная влажность внутри облака достигает критического значения, капли воды слипаются между собой и, достигнув определенной массы, выпадают на Землю, преодолевая восходящие потоки воздуха.