Мікрофізика хмар

Найбільш досконалою теорією утворення хмар і опадів є теорія, розроблена Т. Бержероном і Ст. Фіндайзеном. Згідно цієї теорії водяні хмари можуть дати лише незначна кількість опадів.

Для випадання інтенсивних опадів необхідні хмари змішаного типу. Крім того, вважалося, що тверда фаза з’являється при досягненні хмарами так званого рівня крижаних кристалів і що виникають змішаних хмарах зростання частинок льоду відбувається головним чином внаслідок перегонки на ці частки водяної пари з переохолоджених крапель води.

Новітніми дослідженнями розширені знання про будову хмар, уточнено фізика облакообразования та роль факторів, що викликають укрупнення хмарних крапель і кристалів, встановлені закономірності зміни розміру хмарних крапель і водності хмари і закладені основи кількісної теорії опадів. Вивченням розмірів хмарних крапель і водності купчастих хмар було встановлено, що хмари складаються з крапель радіусом від 2 до 70 мк. За уточненими даними радіус крапель в шаруватих і високо-шаруватих хмарах становить у середньому близько 7 мк, а в шарувато-дощових — 9-10 мк.

Швидкість падіння крапель води з малим радіусом (до 10 мікрон) мізерно мала і становить 1 см/сек, тому такі краплі знаходяться майже в підвішеному стані. Більш великі краплі падають порівняно швидко. Зокрема, краплі радіусом близько 1 мм падають зі швидкістю 2 м/с. Цікаво, що в шаруватих хмарах найбільш дрібні краплі розташовуються переважно біля основи хмар, а великі — у верхній частині. За даними численних спостережень, купчастих хмарах найбільш дрібні краплі також зосереджуються біля основи, а великі краплі — у верхній і центральній їх частині. Так як розмір хмарних крапель дуже малий, в 1 см3 водяного хмари налічується кілька сотень крапель. Число кристалів льоду в 1 см3 крижаного хмари набагато менше: наприклад, у кількох кубічних сантиметрах перистого хмари міститься один кристал льоду або одна сніжинка.

Визначення числа крапель в одиниці об’єму хмари представляє великі труднощі. Тому число крапель нерідко встановлюється за так званою водності хмари, тобто з вмістом води в капельножидком або твердому вигляді в одиниці об’єму хмари. Водність виражається в грамах на кубічний метр хмари. Вимірювання водності хмар, зроблені різними способами, показали, що в хмарах, як правило, капельножидкой вологи менше, ніж пароподібний.

Встановлено, що водність хмар коливається в широких межах, причому у водяних хмарах кількість води значно більше, ніж у крижаних. Так, наприклад, у водяних хмарах в 1 м3 міститься від 0,3 до 4,0 м капельножидкой вологи, а в холодних хмарах — від 0,1 до 0,5 р. Це і зрозуміло, так як льодяні хмари виникають при низьких температурах повітря, що містить невелику кількість водяної пари.

Для утворення первинних крапель недостатньо насичення, а необхідно значне пересыщение, яке в природних умовах не спостерігається. Процес утворення зародкових, або первинних, крапель в природних умовах полегшується тим, що водяна пара осідає на ядрах конденсації, володіють гігроскопічністю, тобто властивістю поглинати молекули водяної пари. Ядра конденсації — це найдрібніші частинки гігроскопічних і розчинних у воді речовин, на яких осідають молекули водяної пари. Ядрами конденсації є частинки морської солі, оксиди сірки, частинки пилу, диму, мікроорганізми та ін. В атмосфері вони є у великій кількості. При відсутності ядер конденсації освіта крапельок відбувалося б при великому пересыщении повітря. Ядер конденсації більше поблизу промислових міст. За вимірюваннями в Долгопрудном, що знаходиться в 19 км від Москви, в 1 см3 міститься до 20 000 цих ядер (В. І. Гайворонський).

На підставі дослідів, а також теоретичних досліджень Б. В. Кирюхии (1950 р.) і Л. Р. Качурін (1951) прийшли до висновку, що в результаті первинної конденсації виникають краплі, які при низьких температурах замерзають і стають зародками крижаних кристалів і сніжинок. Швидкість утворення зародків крижаних кристалів залежить від розмірів крапель, температури повітря і швидкості охолодження. Кристалізація хмар зазвичай відбувається при температурі 10-15° нижче нуля. Аналогічні висновки були отримані раніше Л. Крыстановым (1944), Н. С. Шишкіним (1947-1950) та ін.

Зародкові краплини в хмарах збільшуються під впливом двох чинників — конденсації і коагуляції, тобто злиття крапель. Процес злиття крапель грає важливу роль в їх укрупнення. Злиття крапель відбувається як при їх зіткненні, так і при падінні.

В результаті уточнення колишніх поглядів загальну схему утворення хмар і опадів можна представити наступним чином. Внаслідок, головним чином, висхідних рухів повітря відбувається його адиабатическое розширення, охолодження і насичення. В результаті подальшого підйому, охолодження і пересичення утворюються первинні хмарні краплі. Їх зростання відбувається внаслідок злиття (коагуляції), причому краплі ростуть тим швидше, чим вони більші. Великі краплі починають падати.

Так як швидкість падіння краплі залежить від її розміру, то недостатньо великі краплі, маючи невелику швидкість падіння, не можуть подолати висхідні рухи повітря і залишаються в підвішеному стані або навіть переносяться ними у верхню частину хмари. Однак по мірі укрупнення крапель швидкість падіння їх зростає, і коли вона перевищить швидкість висхідних рухів повітря, тоді великі краплі випадають у вигляді опадів.

Для опадів з водяних хмар необхідно, щоб хмари мали вертикальну потужність понад 3 км і водність, що перевищує 1 г/м3. У цьому випадку у високих і середніх широтах вони зазвичай дають мрячать або обложні опади середньої інтенсивності. У низьких широтах, де вологовміст повітря висока, а рівень нульової ізотерми знаходиться на висоті 5-6 км, що утворюються в результаті конвекції водяні хмари мають велику вертикальну потужність, однак вони також не дають сильних опадів.

З холодних хмар зазвичай випадають опади середньої і малої інтенсивності, так як водність крижаних хмар менше, ніж водяних.

Найбільш інтенсивні опади випадають з змішаних хмар, які складаються з суміші водяних крапель і сніжних кристалів. Завдяки наявності різнорідних за величиною і фазі елементів змішані хмари є коллоидально нестійкими. Поява твердої фази в середовищі переохолоджених крапель призводить до прискореного зростання крижаних частинок, внаслідок чого краплі швидко досягають великих розмірів і випадають у вигляді опадів. Типовими прикладами змішаних хмар є высокослоистые, шарувато-дощові і купчасто-дощові. З високо-шаруватих хмар, які складаються з найдрібніших крапельок і сніжинок, взимку випадає дрібний сніг або сніг, а влітку крапельки дощу часто не досягають землі, так як випаровуються по мірі падіння; їх можна спостерігати в цей час у вигляді так званих смуг падіння. З шарувато-дощових хмар внаслідок їх великої потужності по вертикалі зазвичай випадають інтенсивні обложні опади (сніг або дощ). Найбільш розвинені по вертикалі — купчасто-дощові хмари. При сильному розвитку їх верхня частина приймає волокнисту структуру і нерідко має вигляд ковадла. Верхня частина купчасто-дощових хмар складається з кристалів льоду, а нижня — з кристаликів і крапельок води. Їх купчасто-дощових хмар випадають зливові дощі, іноді з градом, взимку — густий сніг або крупа.

Кількісний облік факторів, що беруть участь в утворенні хмар і опадів, дозволив створити основи теорії опадів.

ПОДІЛИТИСЯ: