Все мы знаем, что если посмотреть на небо, то можно увидеть облака разной формы. Почему они так сильно отличаются друг от друга? В чем причина, что порой у нас над головой плывут причудливые милые барашки, а иногда вместо них нависает хмурая зловещая масса? И как происходит формирование облаков?
Оказывается, все это объяснимо простыми законами физики. А для разновидностей облачности придумана даже международная система классификации. Она учитывает все разнообразие облачных масс, их формы и свойства.
Системы классификации
Систем классификации на самом деле существует несколько.
Первую придумал еще в начале девятнадцатого века английский фармацевт, являвшийся по совместительству метеорологом-любителем, Люк Говард. Недостаток его системы был в том, что его классификация никак не опиралась на физические процессы. Ведь этот ученый был химиком-фармацевтом, а не физиком.
Для понимания явлений, происходящих при формировании облаков и для поиска ответа на вопрос, почему они такие разные, лучше подходит генетическая классификация. Именно она связывает форму с физическими процессами.
Что такое облако?
Облако – это скопление водного конденсата в атмосфере, видимое глазом.
Ключевым в этом определении является то, что процесс формирования происходит в атмосфере, то есть, на некоторой высоте. Потому, что, похожее явление у поверхности земли называется туманом. Оно имеет совсем другую природу, чем облачность. Конденсация на поверхности (на почве, траве) называется росой (когда тепло) или инеем (в морозные дни).
Более того, роса и иней – вообще не относятся к облакам. Они являются разновидностью атмосферных осадков.
Поэтому нужно запомнить, что облака – это скопление на высоте капелек воды или кристаллов льда.
Существует три вида облачности, отличающиеся по составу, и состоящие из:
- водяных капель;
- кристаллов льда;
- смеси капель и льдинок.
Распространенные заблуждения
Многие считают, что раз формирование облаков происходит в атмосфере, то состоят они из водяного пара. Это мнение является ошибочным.
Если бы облачные массы состояли из пара, то мы б их не видели. Так как пар – невидим. Все облака разной формы, которые мы наблюдаем на небе состоят именно из воды.
Еще одним распространенным заблуждением является мнение, что облака могут существовать долго. А как же иначе? Ведь часто мы наблюдаем облачную унылую погоду по несколько дней или недель подряд.
На самом деле любое облако, какой бы формы оно не было, живет всего 15-20 минут. Вода из него постоянно испарятся. Но, в то же время, параллельно происходит постоянный процесс конденсации. И на месте одних облачных масс образуются другие.
То есть, формирование облаков – это постоянный процесс. Ввиду его непрерывности создается впечатление, что облачность на небе висит продолжительное время.
Как происходит формирование облаков?
Первое условие для начала процесса формирования облаков – это наличие влаги в атмосфере. Появиться она может лишь в процессе испарения. Причем, как с поверхности воды или суши, так и из растений. Явление, когда происходит образование испарений из растений, называется трансферацией. Влага в атмосферу попадает в виде пара.
Второй этап процесса формирования облаков – это подъем, насыщенного паром воздуха, вверх. При подъеме воздух охлаждается. Но, становится холоднее он не от того, что там вверху холодно. Его температура снижается за счет того, что воздух попадает в более разреженные слои (с меньшим атмосферным давлением) и расширяется (увеличивается в объеме).
Расширение – это работа, на совершение которой требуется энергия. Извне энергия не поступает. Следовательно, для расширения объема воздушные массы используют внутренние ресурсы, которыми является в данном случае, температура.
Чем выше поднимается воздух – тем больше он разрежается и охлаждается. По законам физики, чем воздушные массы холоднее, тем меньше водяного пара они могут вмещать. Следовательно, излишки пара начинают конденсироваться. В воздухе образуются капельки воды, которые и формируется облачность. Конденсация – это и есть третий этап формирования облаков.
Какой фактор влияет на то, что облака образуются разной формы?
Нам уже известно три главных процесса, в результате которых происходит формирование облаков. Теперь остается выяснить, какой же из них влияет на то, что облака образуются разной формы?
Оказывается, главным фактором формообразования облачных масс является подъем воздуха на высоту. Именно этот процесс является ключевым в том, что мы увидим на небе – нависающие слои туч, барашки или волны. А может, мы увидим вовсе причудливые формы, в которых мозг человека так любит угадывать знакомые очертания привычных предметов или объектов.
Генетическая классификация построена на разнообразии процессов поднятия воздуха в атмосфере. Разобравшись в ней, мы сможем понять, почему облака разной формы.
Облака конвекции
Исходя из названия, нетрудно догадаться, что формирование таких облачных образований происходит в результате перемешивания. В силу вступает закон Архимеда.
Теплый воздух (более легкий) по законам физики поднимается вверх. Но устремляется ввысь он лишь до тех пор, пока вокруг него находятся воздушные массы более холодные.
Оптимальными условиями формирования облаков конвекции является ситуация, когда температура около земли высокая, а в атмосфере она резко снижается.
Суша прогревается в теплое время года лучше, чем водная гладь морей. Поэтому, вполне закономерно, что конвективные облака наблюдаются в средних широтах чаще всего над континентом летом, а также в теплые деньки весны и осени.
Формирование в теплое полугодие – это основная главная черта конвективных облачных масс. А это и есть те самые облака разной формы в виде башенок или кумулюсов (по международной классификации). Для нас более привычное их название – кучевые.
Башенки из капелек воды могут быть небольшими, а могут быть огромными кучево-дождевыми, из которых проливается на землю дождь. Иногда он может сопровождаться градом, грозами, шквалистым ветром.
Этот вид облачности является типичным для представления в умах большинства людей. Кучевые облака разной формы мы видим на картинках прогнозов погоды, детских рисунках, красивых фото небесной глади.
Термическая конвенция или закон подлости
Формирование кучевых облаков – это еще процесс, который называется термическая конвекция. Спросите, почему его сравнивают с законом подлости? Виной всему типичная ситуация, в которую попадал хоть раз каждый из нас.
Проснувшись утром в летний выходной, вы видите в окне голубое ясное небо. Естественно, в голову приходит мысль, отправиться погулять на природу, в лес, на пляж.
Пока вы обзваниваете друзей, договариваетесь о встрече и собираете бутерброды, воздух в атмосфере прогревается. По неумолимым законам физики теплые воздушные массы устремляются ввысь. И, если вы внимательно читали предыдущие разделы, то уже понимаете, почему пока вы добрались до речки – небо заполонили кучевые облака разной формы. Не исключено, что начнется ливень, гроза или даже град.
Вам ничего не остается, как собрать корзины для пикника и отправиться назад домой.
Вечером, когда температура снижается, облака рассеиваются. Вернувшись домой, вы с удивлением замечаете, что над головой уже чистое небо. Процесс формирования облаков закончился. Те, что образовались раньше, уже пролились дождем. Чем не закон подлости?
Нет, на самом деле, вы ошибаетесь. Это, вполне предсказуемый, закон физики.
Даже когда вы считаете, что закон подлости не сработал, и вам просто повезло, вы все равно ошибаетесь. Это циклон высокого давления помешал формированию конвекционных облаков. И везение тут вовсе не причем.
Слоистообразные (слоистые)
Формирование слоистых облаков происходит при столкновении огромных масс теплого и холодного воздуха, протяженность которых может достигать нескольких тысяч километров. Линия столкновения воздушных масс называется воздушным фронтом.
В зоне такого взаимодействия теплые воздушные массы скользят по клину холодного фронта. Поднимаются вверх они медленно, спокойно. Но, при этом процесс формирования облаков происходит на огромном протяжении.
Если в предыдущем случае, в результате конвекции получались облака разной формы, то теперь они представляют собой слои.
Но, слоистообразные облачные массы также бывают разные. Они могут иметь формы:
- перистослоистые (цирростратусы с гало);
- высокослоистые;
- слоисто-дождевые, дающие долгие обложные осадки.
Формирование слоистых облаков – это всегда затянутое тучами хмурое небо, длительные осадки.
Волнообразные облака
Волновые движения – это естественный процесс для атмосферы Земли. Образуются они чаще всего в областях раздела, в местах, где присутствует скачок плотности.
Место формирования волнообразных облаков – это слои инверсии. Находятся они на высоте, где температура воздуха перестает падать и начинает подниматься. Теплый воздух оказывается сверху холодного. Образуется поверхность раздела, где формируются облака волнообразные. Разные их формы присущи для разных высот.
Инверсия не дает воздуху подниматься дальше. Возникает интересный эффект, напоминающий крышку кастрюли, где скапливается конденсат.
Воспроизвести волнообразные облака смогли искусственно создатели фантастического фильма Стивена Спилберга. Для того чтобы не дожидаться подходящей погоды, нужной для съемок, умельцы изобрели уникальную установку. В ней находилась теплая вода внизу и холодная вверху. Между ними впрыскивалась белая краска. В результате инверсии образовывалось подобие облачного слоя, который был очень похож на настоящий. Особая подсветка позволяла создать нужную атмосферу на съемочной площадке.
Это изобретение претендовало на премию Оскар. Но, к сожалению, высокая комиссия не смогла по достоинству оценить идею изобретателей.
