Утворення хмар

Чудова властивість водяної пари, що відрізняє її від інших газів, що входять до складу атмосфери, полягає в зміні її кількості в залежності від температури повітря. Якщо вести рахунок вмісту водяної пари в одиницях ваги, то виявиться, наприклад, що при температурі 27° в 1 кг повітря може міститися максимум 23 г водяної пари, а при 0° — всього 4 р. При низьких температурах кількість водяної пари в повітрі мізерно мало. Наприклад, в 1 кг повітря при температурі 33° нижче нуля може міститися лише 0,2 г водяної пари. Це в 115 разів менше кількості пари, що міститься в 1 кг повітря при температурі 27° вище нуля. Так як з висотою температура повітря знижується, то і кількість водяної пари швидко зменшується з висотою. Тому в шарі від поверхні землі до висоти 1,5 км зосереджена половина усієї вологи, що міститься в тропосфері.

З цією властивістю водяної пари пов’язано багато процеси — конденсація, випар» освіта різних форм хмар, випадання атмосферних опадів, настільки необхідні для існування життя на Землі.

Як ми знаємо, повітря стає насиченим водяною парою, коли кількість останнього при даній температурі досягає максимуму. Тому якщо насичений повітря охолоджується, то з’являються надлишки водяної пари, які конденсуються, тобто переходять у рідкий або твердий стан, і випадають у вигляді опадів. Характер опадів (рідкі або тверді) залежить від температури повітря. Якщо ж насичене водяною парою повітря нагрівається, то, навпаки, відбувається видалення його від стану насичення і конденсація припиняється. Тоді створюються сприятливі умови для випаровування з поверхні морів і океанів, зволоженій поверхні землі, рослинності і звідусіль, де є запаси води, так як повітря, прагнучи поповнити нестачу вологи, вбирає в себе відсутню кількість її при даній температурі. При сприятливих умовах повітря збагачується вологою навіть шляхом випаровування з поверхні снігового покриву і льодовиків.

Випаровування відбувається тим швидше, чим більше повітря віддалений від стану насичення. Тому в ясні дні при денному прогріванні приземного шару повітря випаровування з вологої поверхні землі і з поверхні водойм відбувається найбільш інтенсивно. Навпаки, вночі при охолодженні повітря і наближенні його до стану насичення починається конденсація міститься в ньому водяної пари, утворення туману, випадання роси. У цих випадках випаровування з поверхні землі припиняється.

Щоб сталася конденсація водяної пари, що приводить до утворення хмар, необхідний деякий надлишок водяної пари понад насичення. Такий надлишок може з’явитися внаслідок збільшення вологовмісту повітря, або внаслідок зниження його температури нижче точки роси.

Збільшення вологовмісту повітря відбувається внаслідок випару з підстильної поверхні. Температура повітря знижується або в результаті зіткнення його з холодною поверхнею, що підстилає, і випромінювання, або при підйомі внаслідок розширення та адіабатичного охолодження повітря. У природі обидва чинники зазвичай діють спільно, але у великих обсягах і найбільш часто повітря охолоджується при підйомі вгору. Що стосується збільшення вмісту вологи в результаті випаровування, то воно відбувається повільно і рідко має вирішальне значення для утворення рясних опадів.

Найбільш істотно повітря охолоджується внаслідок випромінювання в темний час доби біля землі і на верхній межі хмар. Інтенсивність випромінювання поверхні землі та охолодження повітря залежать від ступеня покриття неба хмарами. Особливо інтенсивно охолоджується приземний шар повітря за рахунок випромінювання поверхні землі при безхмарній погоді, що часто призводить до утворення туману. Та все ж найголовнішою причиною утворення хмар, як уже сказано, є адиабатическое розширення, що здійснюється за при висхідних рухах повітря. Швидкість вертикальних рухів невелика, в середньому близько 3-5 м/сек. Однак якщо врахувати, що, процес підняття або опускання мас повітря здійснюється протягом тривалого часу, то стане ясно, яку величезну роль відіграють висхідні рухи великих обсягів повітря в утворенні хмар і опадів. Справді, якщо прийняти, що середня швидкість підйому повітря дорівнює 3 м/с, то маса повітря протягом доби може піднятися більш ніж на 2,5 км і при звичайних умовах охолодитися на 20-25°. При оптимальному вологовмісту повітря таке охолодження достатньо для утворення потужної хмарності і випадання рясних облогових опадів.

Значний підйом великих мас повітря викликається і термічної конвекцією при нестійкій стратифікації повітря. У цьому випадку швидкість підйому нерідко досягає 10 м/с і більше, тому утворення конвективних хмар і опадів відбувається бурхливо.

Серед інших причин, що викликають вертикальні рухи повітря, чималу роль грають тертя повітря об поверхню землі, турбулентність, зустріч повітряного потоку з гірськими перешкодами і т. д. В одних випадках (зокрема, в циклонах) тертя викликає збіжність потоків і висхідний рух повітря, в інших (зокрема, в антициклонах) — конусність потоків і низхідний рух повітря.

При зустрічі з гірськими хребтами і взагалі з підвищеннями повітря прагне обходити їх. Однак якщо гірниче перешкоду значно по ширині, то повітря піднімається по схилах і перевалює через гребінь на підвітряний бік. При нестійкій стратифікації повітря підйом його за наветренным схилах хребтів відбувається бурхливо. Тому на навітряної сторони пагорбів або гірських хребтів в стійко стратифікованої масі повітря утворюються хмари шаруватих форм, з яких випадають тривалі опади слабкої та помірної інтенсивності. Це найчастіше спостерігається взимку. Влітку маси повітря з нестійкою стратифікацією при зустрічі з підвищеннями з великими швидкостями спрямовуються вгору, що призводить до утворення потужної кучевой і купчасто-дощової хмарності, що дає при достатньому вологовмісту повітря рясні зливові опади.

Процес утворення хмар і опадів на перший погляд здається простим, сводящимся до того, що внаслідок підйому і охолодження повітря відбувається конденсація водяної пари, а потім краплі води, зливаючись один з одним, укрупнюються й випадають на землю у вигляді опадів. Проте в дійсності утворення хмар і опадів є досить складним фізичним процесом. В останні два-три десятиліття вивчення процесу облакообразования проводиться не тільки в лабораторних умовах, де у спеціальних камерах штучним чином створюються і розсіюються хмари, але і в природних умовах за допомогою приладів, що порушуються разом зі спостерігачами на літаках-лабораторіях. За останні роки багато деталі процесу облакообразования стали більш зрозумілі.

Для виникнення хмар, крім висхідних рухів повітря, необхідно, щоб у ньому містилося таке кількість водяної пари, що достатньо для того, щоб при підніманні і охолодженні повітря на кілька градусів почався процес конденсації. Чим вище вологовміст повітря при даній температурі, тим нижче розташовується рівень конденсації. Взимку зазвичай він знаходиться ближче до поверхні землі, ніж влітку.

Процес конденсації водяної пари поблизу поверхні землі призводить до утворення туману. При цьому відносна вологість зазвичай наближається до 100%. При туманах рівень конденсації лежить біля поверхні землі.

Водяні, або капельножидкие, хмари складаються з крапельок води. При цьому нижче рівня нульової температури повітря крапельки води мають позитивну температуру, а вище — негативну, тобто є переохолодженими. Найдрібніші крапельки води можуть існувати при температурі -10°, -20° і навіть -30°. З них складаються переохолоджені водяні хмари. При декількох градусах нижче нуля (до -10°, -20°) в хмарах переважають переохолоджені краплі. По мірі зниження температури кількість крижаних кристалів зростає, і при температурі нижче — 30° хмари, як правило, складаються з крижаних кристалів. Змішані хмари складаються з переохолоджених крапель, води і кристалів льоду. Як показали дослідження, в середній смузі Європи чисто водяні, чисто льодяні та мішані хмари зустрічаються майже однаково часто. Природно, що чисто водяні хмари найбільш часто бувають в теплу половину року, а льодяні хмари — в холодну.

За своєю будовою, формою і висоті хмари різні. Відповідно до цього випадають з них опади бувають мелкокапельными і крупнокапельными, рідкими і твердими. Щоб розібратися в деталях освіти різних видів хмар та атмосферних опадів, необхідно знати микрофизические особливості будови хмар, насамперед їх фазовий будова (тобто складаються вони з водяних крапель або кристалів льоду), водність, причину зростання крапель і т. д.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Кейптаун