Рост облака

Природа располагает различными способами охлаждения воздуха до температуры, при которой могут образовываться облака. В ясные ночи большое количество тепла излучается вверх нижними слоями атмосферы. Когда слои воздуха вблизи земной поверхности достаточно влажные, а более высокие слои - сухие, наблюдается резкое охлаждение поверхности земли и приземного слоя воздуха. При некоторых условиях охлаждение продолжается до тех пор, пока не будет достигнута температура точки росы. Когда же это случается, образуется туман. Вы, вероятно, замечали, что туман возникает в первую очередь в низких местах - по обочинам дорог, в долинах и т. д. Это объясняется тем, что холодный воздух, как более тяжелый, заполняет впадины на местности.

Туманы возникают и тогда, когда теплый влажный воздух перемещается над холодной водой. В этом случае воздух охлаждается, отдавая свое тепло воде. Если температура воздуха понижается до точки росы, происходит конденсация и образуется туман.

Еще один вид тумана возникает при прохождении холодного воздуха над поверхностью теплой воды. В этом случае конденсация обусловлена тем, что холодный воздух получает дополнительное количество водяных паров, достаточное для его насыщения. Это напоминает эффект, создаваемый паровым двигателем.

Хотя перечисленные процессы, обусловливающие увеличение относительной влажности, часто приводят к образованию тумана, но наиболее важную роль в образовании облаков, несомненно, играет вертикальное перемещение больших масс воздуха.

Хорошо известно, что с высотой давление падает. Когда массы воздуха поднимаются, они переходят из области сравнительно высокого давления в область более низкого давления. При этом воздух расширяется, значит, его температура понижается. Можно вычислить величину охлаждения воздуха в результате подъема его на определенную высоту. Сухой воздух, если он не получает и не отдает тепла во время перемещения, охлаждается на 1С^о при подъеме на каждые 100 м. Эта величина называется сухоадиабатическим градиентом. Термин "адиабатический" означает, что данная масса воздуха не получает и не теряет тепла за счет излучения или теплопроводности. Термин "градиент" означает скорость, с которой температура изменяется в зависимости от высоты.

По мере того как воздух поднимается и его температура понижается, относительная влажность воздуха растет, пока не наступит насыщение и не начнется конденсация. Это обстоятельство можно использовать при определении высоты основания облаков. Замечали ли вы, что основание летних кучевых облаков обычно представляет собой ровную, почти горизонтальную поверхность? Это свидетельствует о том, что воздух вблизи нижней границы облаков довольно однороден; подъем повсеместно вызывает насыщение и конденсацию.

Когда облака начали образовываться, эффекты, вызываемые расширением поднимающегося воздуха, частично компенсируются за счет тепла, выделяющегося во время конденсации. Всем известно, что испарение приводит к охлаждению. Когда вы выходите из ванной или из бассейна на свежий воздух, испарение воды охлаждает ваше тело, иногда вызывая даже озноб. Конденсация же приводит к обратному эффекту - тепло выделяется. Количество тепла не зависит от того, происходит испарение или конденсация. Это так называемая скрытая теплота испарения; она равна приблизительно 600 кал. на 1 г воды.

Температура поднимающейся массы воздуха, в котором происходит конденсация, понижается со скоростью примерно 0,6° С на каждые 100 м. Именно выделением скрытой теплоты объясняется тот факт, что градиент для насыщенного воздуха на 0,4° С меньше, чем при адиабатическом подъеме сухого воздуха.

Если скорость подъема воздуха, которую можно назвать скоростью восходящего потока, достаточно велика, охлаждение может происходить столь быстро, что конденсация будет запаздывать. В этом случае воздух становится пересыщенным. Однако, как мы уже отмечали, пересыщение даже в исключительных условиях вряд ли способно превысить 1 % .

В движущемся вверх воздухе находятся миллионы ядер конденсации различных типов (глава 2). Некоторые из них гигроскопичны и притягивают молекулы водяного пара, другие же с трудом смачиваются. Тщательное изучение роста капель в таких условиях выполнил в 1948 г. У. Хауэлл из Массачусетского технологического института (США). Он взял фактическое распределение ядер и рассчитал, как они должны расти при той или иной скорости подъема. Эта работа сводилась к решению сложной системы уравнений, которые учитывали размер и состав ядер, изменение концентрации раствора солей в капельках, скорость переноса тепла во время их роста и взаимодействие капелек. Хауэлл установил, что вначале растут капли, возникшие на больших ядрах, но по мере того как воздух становится слабопересыщенным, конденсация начинается и ,на ядрах меньшего размера.

Из уравнений следует, что, когда процесс начался, меньшие по размеру капли растут быстрее, чем более крупные. В конце концов облако оказывается состоящим из капель, размеры которых близки друг к другу.

Как упоминалось выше, в действительности размеры облачных капель колеблются в гораздо более широких пределах. Этот результат противоречит расчетам Хауэлла и других исследователей. Однако Хауэлл не учитывал наличия гигантских ядер, а ведь их присутствием можно было бы объяснить существование наиболее крупных облачных капель. Другие ученые предполагают, что разнообразие размеров облачных капелек объясняется также столкновением между ними.

В итоге можно сделать вывод, что облака, которые мы видим ежедневно, обычно являются указателями областей, где воздушные массы поднимаются и где происходит конденсация на ничтожно маленьких ядрах конденсации. Форма облаков зависит от характера вертикальных движений. В следующей главе будут рассмотрены типы облаков и причины их образования.