Что туча с точки зрения физики

В метеорологии осадками называется вода, которая падает на поверхность земли из атмосферы в жидкой или твердой формах под действием силы тяжести. Поэтому такие явления, как дождь, снег, град, — это осадки. Рассмотрим вопрос о том, как образовывается дождь, снег, град, а также роса и иней.

Перед тем как разобрать вопрос, как образовывается дождь и другие типы осадков, рассмотрим такие природные объекты, как облака и тучи, с точки зрения физики, поскольку они играют важную роль в процессе появления осадков.

Облака и тучи представляют собой скопление небольших капелек или кристалликов воды, которые находятся во взвешенном состоянии в атмосфере. Состоит ли данное облако из кристалликов или мелких капелек воды, зависит от высоты над поверхностью земли этого облака и температуры. Образуются облака в результате того, что теплые и влажные массы у поверхности воды в морях и океанах поднимаются, охлаждаются и конденсируются в мелкие капли. Эти капли настолько маленькие, что не видны невооруженным глазом. Их совокупность и образует облака и тучи. Если эти капли по той или иной причине станут увеличиваться в размерах, то они упадут на землю.

Образование дождя

Чтобы понять, как образовывается дождь, следует обратить внимание на размер взвешенных в атмосфере капель воды, которые составляют облако. Когда эти капли начнут сталкиваться и соединяться друг с другом, то при определенном критическом размере сила тяжести заставит их падать вниз, на землю. При этом они приобретают скорость от 4 до 8 м/с.

Дождевая капля имеет размер порядка 1 мм (от 0,7 мм до 5 мм). Чтобы достигнуть этого размера, капельки облака должны увеличить свою массу в миллионы раз. В связи с этим толщина облака должна быть больше некоторого размера. Некоторые облака могут достигать в толщину 12 км, при этом они способны приводить к образованию мощных и продолжительных ливней, а в некоторых случаях даже града.

Большая толщина облаков и туч позволяет капелькам подниматься в их толще вверх, соединяясь при этом с другими капельками. В результате этого процесса образуются крупные капли, которые и падают в виде дождя. Еще один механизм, который объясняет, как образовывается дождь, заключается в следующем: поднимаясь в толще тучи, мелкая капелька охлаждается и кристаллизуется. Эти кристаллики падают на землю, при падении они нагреваются и превращаются в воду.

Феномен вирга

Вирга — это дождь, который идет в атмосфере, но поверхности земли не достигает. Этот природный феномен можно объяснить, если рассмотреть вопрос с точки зрения физики. Как образуется дождь такого рода? Дело в том, что между большой тучей, способной к образованию осадков, и поверхностью земли могут существовать слои воздушных масс, которые будут сильно разогретыми и сухими. В таком случае падающие из толщи тучи капли воды при попадании в эти горячие и сухие воздушные массы будут просто-напросто испаряться снова и никогда не достигнут поверхности земли.

Образование снега

Продолжим разбирать вопрос, как образуется дождь, роса и снег. Теперь остановимся на процессе образования твердых осадков — снега.

Снег — это твердая форма существования воды, которая падает на поверхность земли в виде снежинок. Снежинки образуются, когда маленькие капельки воды в тучах охлаждаются до температур ниже 0 °C и кристаллизуются. Для того чтобы образовывался снег, недостаточно низких температур, еще должен существовать некоторый уровень влажности в атмосфере. Существуют места на земле, которые являются достаточно холодными, но из-за сухого воздуха снег в них практически не идет.

Образование града

Исследуя вопрос, как образуется роса, иней, дождь и снег, нельзя не упомянуть про град. В отличие от снега, которому достаточно для образования небольших низких температур, град образуется тогда, когда температура ниже -15 °C. Поскольку температура в атмосфере уменьшается с увеличением высоты, град образуется в верхней части толстых облаков, где температуры опускаются до -50 °C. Такие облака называются кучево-дождевыми. В их нижней части вода находится в виде маленьких жидких капелек, а в верхней части — в виде кристалликов льда. Эти кристаллики постепенно растут благодаря капелькам воды, поднимающимся из нижней части тучи из-за восходящих воздушных потоков. Когда кристаллик достигает критического размера, он падает на землю. Отметим, что не все кристаллики льда достигают поверхности земли, поскольку они тают в процессе падения.

Роса и иней

Завершим рассмотрение вопроса, как образуется дождь, снег, роса и иней, физическим объяснением двух последних явлений, то есть образования росы и инея.

Оба этих явления связаны с суточными колебаниями температур в атмосфере. Для их понимания следует знать, что растворимость воды в газообразном виде в атмосфере зависит от температуры. Чем больше температура воздуха, тем больше воды в виде пара может в нем раствориться. Днем солнце разогревает воздух и приводит к испарению воды и повышению влажности в атмосфере. Ночью воздух охлаждается, растворимость водяного пара в нем снижается, лишняя вода конденсируется в виде маленьких капелек, которые выпадают в форме росы.

Иней образуется аналогичным образом, только в этом случае либо температура воздуха опускается ниже нуля, что приводит к замерзанию капелек воды в атмосфере, либо поверхность земли является достаточно холодной, и выпавшая на нее роса кристаллизуется.

Что туча с точки зрения физики

Большой информационный архив

Физика облаков и осадков

Физика облаков — один из наиболее молодых разделов физики атмосферы. Правда, еще в XIX в. ученые как в нашей стране, так и за рубежом в той или иной степени занимались изучением облаков. Однако в большинстве своем эти исследования носили либо описательный характер — составлялись различные морфологические классификации облачных форм, либо имели синоптическое направление — облака рассматривались как признаки погоды. В других случаях эти работы представляли собой климатологические исследования — изучалось географическое распределение количества и форм облачности. Иногда это были весьма подробные, а часто и очень красочные описания вида облаков и их эволюции, сделанные во время полетов на свободных аэростатах. Таким образом, при всей ценности и обстоятельности упомянутых работ они в основном имели описательно-географический, а не физический характер.

Исследования физики облаков и осадков, т. е. изучение их физического строения и физических процессов, приводящих к образованию и развитию облаков, по-настоящему развернулись уже в XX в., причем основные результаты получены в последние два-три десятилетия. Дело в том, что изучение этой сложной и весьма интересной проблемы не только имеет чисто познавательное значение, но и играет большую роль при решении многих прикладных задач, актуальность которых с каждым годом возрастает. К таким задачам относится развитие методов усовершенствования прогноза погоды, развитие методов искусственного* воздействия на нее, борьба с обледенением самолетов, решение ряда транспортных, строительных и многих других задач.

Все это обусловило бурное развитие физики облаков, которое оказалось возможным только благодаря интенсивной деятельности ученых многих стран. В нашем очерке мы остановимся вкратце лишь на основных исследованиях, проводившихся советскими учеными.

Исследования по физике облаков и осадков в Советском Союзе начались уже в первые годы Советской власти. Только-только закончив гражданскую войну и приступив к восстановлению народного хозяйства, молодая Советская республика в числе заданий, выдвинутых перед учеными страны, уже поставила задачу искусственного вызывания осадков. В 1921 г. при Наркомземе был организован Научно-мелиоративный институт, в задачи которого входила и разработка упомянутой проблемы. В 1931 г. в Москве был создан Институт экспериментальной гидрометеорологии, продолжавший те же работы. Он имел с самого начала филиалы в Ленинграде, Одессе и Ашхабаде.

Однако уже первые опыты со всей очевидностью показали, что уровень знаний об облаках — их природе, строении, физических параметрах, процессах, в них происходящих, совершенно недостаточен для разработки эффективных методов воздействия на облака. Поэтому основными работами того этапа стали исследования физики естественных облаков и осадков. Особенно широко эти работы развернулись в руководимом В. Н. Оболенским Ленинградском филиале упомянутого института, вскоре преобразованном в Ленинградский институт экспериментальной метеорологии (ЛИЭМ). Здесь были начаты исследования микроструктуры облаков и туманов, их электрических и оптических характеристик, разработан комплекс аппаратуры для измерения различных параметров облаков, поставлены лабораторные опыты по воспроизведению естественных облаков, проведен ряд специальных экспедиций.

В 1934 г. в Москве в Центральном институте экспериментальной гидрометеорологии (ЦИЭГМ) под руководством С. Н. Горбачева начались работы по исследованию процессов конденсации и испарения, слияния и замерзания капель. В созданной в 1940 г. Центральной аэрологической обсерватории развернулись экспериментальные исследования непосредственно в изучаемом объекте — в облаках — с помощью полетов на свободных аэростатах и самолетах. В последующие годы они были дополнены лабораторными опытами и широким кругом теоретических исследований. В это же время начались работы по физике облаков и в Институте теоретической геофизики АН СССР.

Великая Отечественная война вызвала длительный перерыв в этих исследованиях. Зато после войны они быстро развернулись с еще большей широтой. К институтам, уже ведущим работы в данной области,— Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова (куда в 1941 г. влился ЛИЭМ), Центральной аэрологической обсерватории, Геофизическому институту АН СССР, позже преобразованному в Институт прикладной геофизики,— присоединились Московский и Ленинградский государственные университеты, Институт физической химии АН СССР,

Ленинградская военно-инженерная Краснознаменная академия имени А. Ф. Можайского, а позднее Высокогорный геофизический институт, Украинский и Закавказский научно-исследовательские гидрометеорологические институты и ряд других. Круг и объем исследований значительно расширились, и в целях координации работ различных ведомств был создан совет, возглавивший все работы по этой проблеме, проводящиеся в СССР.

Облака представляют собой одно из интереснейших явлений природы. Это не просто видимое скопление продуктов конденсации водяного пара, а динамическая система, находящаяся в непрерывном движении и развитии. При этом постоянно меняются не только форма и положение облака в пространстве, но и его структура и микроструктура, ибо частицы облаков (капли, кристаллы) возникают и испаряются, перемещаются в пространстве и просто выпадают из облака. В основных чертах физические законы, управляющие формированием и развитием облаков и осадков, можно считать известными, однако построение количественной теории, отражающей детали явлений (структуру и микроструктуру облаков, их эволюцию и т. д.), по существу лишь только начинается.

Облака возникают при условии, что количество водяного пара превосходит насыщающее значение. Увеличение относительной влажности в атмосфере возможно либо при повышении общего содержания водяного пара, либо при понижении температуры, либо при действии обоих факторов одновременно. Определение условий образования пересыщения в атмосфере, их эволюции и перемещения соответствующих областей в пространстве является одной из сложнейших задач термогидродинамики атмосферы. Выделение скрытой теплоты фазовых преобразований заставляет включить в общую систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движение атмосферы, дополнительные члены, что не позволяет в ряде случаев применить известные методы упрощения и чрезвычайно затрудняет решение такой общей системы уравнений.

При рассмотрении отдельных частных задач динамики облаков удалось получить ряд важных результатов. Так в 1955 г. М. Е. Швец и в 1957—1960 гг. Л. Т. Матвеев, В. С. Кожарин и К. В. Клубович заложили основы теории образования слоистых облаков, формирующихся под действием турбулентного перемешивания и вертикальных токов в определенном, ограниченном слое атмосферы. Е. М. Фейгельсон в 1959 г. показала, что в формировании облаков подобного типа большую роль могут играть процессы излучения вблизи верхней границы слоя. Анализ результатов теоретических исследований и экспериментальных данных позволил в том же году К. Г. Абрамович и А. X . Хргиану выявить ряд важных особенностей формирования и эволюции облаков нижнего яруса.

Теория возникновения и развития конвективных движений интенсивно развивалась Н. С. Шишкиным (1954—1960), успешно применившим предложенный Бьеркнесом в 1938 г. метод слоя и получившим важные выводы, используемые в настоящее время при прогнозировании грозовых и градовых явлений. Была также рассчитана скорость вертикальных движений в области фронта (Дюбюк, 1947, и др.), которые могут привести к возникновению мощных кучевых облаков. Е. С. Селезнева (1948) предложила схему атмосферной турбулентности, приводящей в дальнейшем к развитию конвекции. Исходя из полной системы уравнений конвекции и введя ряд упрощающих предположений, Л. Н. Гутман с сотрудниками (1957—1966) достигли весьма существенных результатов в построении теории конвективных облаков.

Опасность полетов в кучевых и особенно в мощно-кучевых и грозовых облаках серьезно затрудняет сбор соответствующих экспериментальных данных. Поэтому наблюдения, полученные в специальных полетах Н. С. Шишкиным, А. П. Чуваевым и Г. Т. Никандровой (Крюковой), С. М. Шметером, А. А. Рещиковой, Н. В. Лебедевой, и особенно большое количество экспериментальных материалов, собранных Н. И. Вульфсоном в 1952—1956 гг., представляют большую ценность и сейчас.

Многие разновидности облаков с явно выраженной периодической структурой являются результатом весьма интересных и своеобразных форм движения волнового и ячейкового характера. Благодаря теоретическим исследованиям Н. Е. Кочина (1926) и А. А. Дородницына (1951), Д. Л. Лайхтмана (1947), Л. С. Гандина (1947), Н. С. Шишкина (1948), Ш. А. Мусаэляна (1955) и Б. Н. Трубникова (1959—1966) были поняты многие закономерности движений подобного рода и объяснены различные формы волнистых облаков, облачных ячеек и их зависимость от орографии, устойчивости атмосферы и характера воздушных потоков.

Затронутые выше вопросы макрофизики облаков тесно переплетаются с проблемами общей динамики атмосферы, в частности с проблемами движения атмосферы среднего и большого масштабов. Их изучение во многом стимулировалось фундаментальными исследованиями Н. Е. Кочина, И. А. Кибеля и их школы. До последнего времени все теоретические исследования в области макрофизики облаков, как правило, проводились без учета микроструктуры облаков. Изучение элементарных процессов роста облачных частиц, как это ясно из дальнейшего, указывает на то, что на укрупнение капель и кристаллов большое влияние оказывает тонкая структура поля ветра и температуры в облаках.

Очевидно, что процессы фазовых переходов в свою очередь оказывают обратное воздействие на пульсации ветра и температуры. Можно ожидать, что предложенные в 1964 г. Л. А. Пахомовым методы измерения пульсаций вектора ветра и температуры позволят продвинуться и в этих вопросах, создав прочную экспериментальную базу для дальнейших теоретических разработок. Мы здесь не останавливались на исследовании турбулентности, играющей большую роль в процессах формирования и развития облаков, так как этот вопрос является специальным разделом науки.

В физике облаков большой удельный вес занимают исследования элементарных процессов формирования облачных элементов — капель и кристаллических частиц. Известно, что искусственным образом можно достичь чрезвычайно больших пересыщений водяного пара (в камере Вильсона порядка 700%), однако в атмосфере пересыщение обычно не превосходит десятых долей процента. Это объясняется тем, что мельчайшие частички (10 -5 — 10 -3 см), всегда присутствующие в атмосфере, играют роль ядер конденсации и даже при небольших пересыщениях «отсасывают» на себя избыток водяного пара. Исследованию ядер конденсации — их природе, распределению в пространстве, физико-химическим свойствам — посвящены работы Е. С. Селезневой (1945— 1966), В. А. Зайцева (1948), И. И. Гайворонского (1949) и А. Г. Лактионова (1958—1965). Особенно существенны исследования А. И. Грабовского (1952), показавшего, что лишь Мировой океан способен обеспечить хлоридами всю атмосферу,— только одни сильные ветры выбрасывают в нее свыше 10 10 т солей в год.

Сформировавшись на ядрах конденсации, обычно не превосходящих десятых долей микрона, облачные капли растут далее преимущественно за счет конденсации водяного пара. Еще в 1877 г. Максвелл решил задачу о стационарном конденсационном росте сферической капли. Теоретические исследования Л. С. Лейбензона (1940) и М. Е. Швеца (1951), экспериментальные — Н. П. Тверской (1949), наряду с работами немецкого ученого Фреслинга, позволили учесть влияние обдува капли при ее падении, а работы Н. А. Фукса (1934), М. П. Тимофеева и М. Е. Швеца (1948) уточнили теорию Максвелла, сильно завышающую скорость испарения и конденсационного роста малых капель ( r

Укрупнение капель в облаке может идти в результате их слияния друг с другом — за счет так называемого коагуляционного роста. Как показали Б. В. Дерягин и П. С. Прохоров (1949), П. С. Прохоров и Л. Ф. Леонов (1952) и другие исследователи, при 100% влажности столкновение капель практически всегда приводит к их слиянию. Таким образом, эффективность коагуляционного роста капель зависит прежде всего от вероятности их взаимного столкновения. Причины, приводящие к столкновению капель, чрезвычайно разнообразны, а соответствующие им закономерности весьма сложны и до сего времени изучены не до конца.

В теорию коагуляционных процессов существенный вклад внесли советские исследователи. Влияние аэродинамических сил взаимодействия между падающими каплями было изучено С. В. Пшенай-Севериным (1957), широкую известность получили исследования Л. М. Левина

(1954) по электрической коагуляции. Работы В. Г. Левича (1954), А. Т. Ивановского и И. П. Мазина (1960), Ю. С. Седунова (1964) позволили лучше понять значение турбулентности в процессе столкновения капель. Наконец, детальные расчеты эффективности гравитационной коагуляции были выполнены в ряде работ Н. С. Шишкина (1948—1955), А. X . Хргиана и И. П. Мазина (1952—1961) и др.

В умеренных и полярных широтах большое, если не определяющее, значение в процессе развития облаков и формирования осадков имеет фазовая перестройка. Известно, что в лабораторных условиях вода может быть переохлаждена до очень низких температур. А. М. Боровиков

(1955) на обширном статистическом материале показал, что и в облаках водяные капли могут встречаться вплоть до —41° С. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы (Л. Г. Качурин, А. В. Лыков, Т. Ф. Боровик-Романова, Е. Г. Зак и А. Д. Малкина, Н. П. Тверская, В. Я. Никандров, Н. В. Глики, В. М. Мучник и Ю. С. Рудько и др.) дают детальное представление о физических закономерностях и особенностях замерзания капелек воды в зависимости от температуры, размеров, скорости охлаждения и т. д.

Коль скоро в переохлажденном облаке появляются ледяные кристаллы, начинается перегонка водяного пара с капель на кристаллы, вызванная разностью насыщающей упругости над водой и надо льдом, и такое смешанное облако (т. е. облако, состоящее из капель и кристаллов) переходит постепенно в чисто кристаллическое. При этом кристаллы укрупняются и, достигая размеров, когда они уже не удерживаются восходящим потоком, начинают выпадать в виде осадков — дождя, если при падении кристаллы, ставшие снежинками, попадают в теплые слои атмосферы и тают, или снега, если температура у земли достаточно низка.

Количественная теория фазовой перестройки облака впервые начала создаваться советскими исследователями К. С. Шифриным и А. Я. Перельманом, Л. Г. Качуриным, А. Г. Колесниковым и В. И. Беляевым, а также М. В. Буйковым в 1958—1961 гг. Эти работы имеют большое значение для понимания естественных процессов осадкообразования и развития физических методов искусственного воздействия на облака хладореагентами.

Анализ эффективности различных механизмов укрупнения облачных капель приводит к выводу, что в начальной стадии (до радиуса 25—30 мк) капли растут преимущественно благодаря гравитационной коагуляции. Роль же различных механизмов, обеспечивающих рост капель в диапазоне 5—25 мк, до настоящего времени не выяснена до конца. В 1961 г. В. И. Беляев обратил внимание на то, что капли растут в случайном поле влажности, т. е. в таком поле, где пересыщение колеблется случайным образом вокруг некоторого среднего значения. Исследование этого процесса, в самые последние годы получившего название стохастической конденсации (И. П. Мазин, Ю. С. Седунов), указывает на то, что роль его в формировании и развитии облаков может быть весьма существенна.

Выше мы говорили о механизмах роста индивидуальной капли. Можно назвать много работ и по исследованию роста сферических ледяных частиц, в том числе града (Н. С. Шишкин, Б. В. Кирюхин и Г. К. Сулаквелидзе, Г. С. Бартишвили и др.). Все эти исследования дают возможность оценить эффективность того или иного механизма укрупнения облачных частиц, но не позволяют количественно решать вопросы, связанные с эволюцией облака в целом.

При изучении эволюции облака в целом необходимо рассматривать поведение всего «облачного населения», т. е. всей совокупности облачных частиц. Применение машинной математики позволило ряду исследователей за рубежом провести серию численных расчетов по конденсационному росту совокупности капель. Одновременный учет различных механизмов укрупнения облачных частиц при рассмотрении развития облака в целом неимоверно сложен. В настоящее время делаются попытки подойти к рассмотрению этих вопросов с помощью построения своеобразной кинетической теории аэрозолей. В это направление большой вклад вносят в 60-е годы молодые советские исследователи — С. П. Баканов и Г. А. Мартынов, М. В. Буйков, А. М. Головин, И. М. Енукашвили, В. И. Смирнов. Новый подход к этим вопросам путем применения «метода меток» Лагранжа предложил в 1964 г. В. И. Беляев.

Как уже сказано выше, облака состоят или из мельчайших водяных капель, часто находящихся в переохлажденном состоянии, или ледяных кристаллов, или из смеси тех и других. Соответственно облака по своему фазовому состоянию могут быть водяными, кристаллическими (ледяными) и смешанными. Многочисленные измерения, проведенные в конце 30-х годов С. М. Катченковым, Е. С. Селезневой и, особенно, в 40—50-е годы А. М. Боровиковым, В. А. Зайцевым, И. И. Честной, Г. Т. Никандровой (Крюковой), Л. М. Левиным и Р. Ф. Старостиной, А. М. Воскресенским и другими, позволили установить, что размеры облачных капель колеблются в достаточно широких пределах — от единиц до нескольких десятков микрон. Однако средние и наиболее повторяющиеся размеры их лежат в значительно более узких пределах, 4—6 мк по радиусу. Облака различных форм несколько отличаются по своим микроструктурным характеристикам. Спектр распределения облачных капель по размерам изменяется по мере подъема от нижней границы к верхней. В облаках слоистых форм средние размеры капель увеличиваются от нижней границы облака к верхней, соответственно спектр капель расширяется и сдвигается в сторону больших размеров. В облаках кучевых форм наибольшие средние размеры капель и наиболее широкие спектры, сдвинутые в сторону крупных капель, наблюдаются несколько выше центральной части облака. Ближе к верхней границе размеры капель обычно вновь несколько уменьшаются. В смешанных облаках характер изменения размеров капель по вертикали более сложный и зависит от соотношения водяной и кристаллической фракций. В 50-х годах П. В. Дьяченко, А. X . Хргиан и И. П. Мазин, а затем Л. М. Левин предложили ряд эмпирических формул, описывающих спектры распределения облачных капель по размерам; эти формулы широко используются при практических расчетах не только в Советском Союзе, но и за рубежом.

Микроструктура ледяных облаков значительно сложнее, так как виды облачных кристаллов чрезвычайно разнообразны. Хотя начальной формой всех кристаллов льда является шестигранная призма, в дальнейшем, в зависимости от условий роста кристаллов, их развитие в облаке идет в направлении главной или побочной осей кристалла. В результате образуются кристаллы различных форм, которые можно объединить в три основных типа: столбчатые, пластинчатые и неправильные, или неопределенные. Многочисленные наблюдения, проведенные непосредственно в ледяных облаках А. М. Боровиковым (1950), Ф. Я. Клиновым (1952—1954), Г. Т. Никандровой (Крюковой), А. П. Чуваевым, И. С. Шишкиным, М. А. Химач (1952—1956), показали, что в них

встречаются кристаллы всех трех типов, правда, неправильные формы наблюдаются довольно редко. Форма кристаллов зависит главным образом от температуры, при которой они образуются и растут, и, в меньшей степени, от влажности. Так, кристаллы пластинчатых форм возникают в интервале температур от 0° до —20, —25°, столбчатых — от —15° и ниже, неправильных — от —20, —22° до —27°, —28°. В соответствии с этим ледяные облака, в зависимости от диапазона температур, охватываемых ими, могут быть однородными или неоднородными по форме составляющих их кристаллов.

Первичные облачные кристаллы, вырастая и опускаясь вниз, попадают во все новые и новые условия температуры и влажности. В результате их форма все более и более усложняется, и выпадающие на землю снежинки зачастую сохраняют лишь весьма отдаленное сходство с породившими их первичными кристаллами. По этим причинам формы твердых осадков еще более разнообразны, чем формы облачных кристаллов. А. Д. Заморским (1948—1955) разработана подробная классификация форм твердых осадков и установлены некоторые связи форм снежинок с типом облаков и синоптическими условиями.

Смешанные облака могут быть смешанными по всей толще или состоять из ряда слоев с различным фазовым состоянием. Например, они бывают внизу капельными, в средней части — смешанными и вверху — кристаллическими. Е. Г. Зак в 1946 г. выделила пять типов различной фазовой стратификации смешанных облаков. В процессе жизни облака его структура и фазовое состояние могут изменяться. Так, кучево-дождевые облака вначале являются капельными, а по мере развития переходят в смешанные. Фронтальные слоисто-дождевые облака из смешанных нередко превращаются в кристаллические.

Концентрация обычных облачных капель, радиусом от 1—2 до 20— 30 мк, составляет, как правило, 10 2 —10 3 в 1 см 3 , концентрация кристаллов — на 2—3 порядка меньше. В то же время концентрация частиц осадков не превышает обычно 10 3 —10 4 в 1 м 3 , т. е. меньше концентрации облачных капель на 5—6 порядков. Очевидно, элементы осадков зарождаются в недрах облаков, еще не дающих дождя. Впервые обстоятельные исследования концентрации и размеров крупных частиц, характеризующих промежуточную стадию развития облаков, предшествующую выпадению осадков, были выполнены в 1960— 1964 гг. А. Н. Невзоровым, И. П. Мазиным и А. М. Боровиковым.

Авторы показали, что концентрация таких частиц (размеры более 150 мк) весьма изменчива, зависит от формы облаков и колеблется от нуля до 10 3 на 1 м 3 . По мере роста размеров частиц концентрация убывает для капель обратно пропорционально радиусу в некоторой степени, для кристаллов — чаще всего экспоненциально.

Весьма важной для практики характеристикой облаков является водность — масса сконденсированной воды в единице объема облака. Величина водности существенно влияет на интенсивность обледенения самолетов, определяет влагозапасы облаков и т. д. В связи с этим на сети пунктов самолетного зондирования Гидрометеослужбы в 1953 г. были организованы по существу единственные в мире систематические наблюдения над водностью облаков на обширной территории.

Согласно измерениям, выполненным в 1948—1963 гг. В. А. Зайцевым, В. Е. Минервиным, А. П. Чуваевым, Г. Т. Никандровой (Крюковой), А. И. Воскресенским, Н. И. Вульфсоном, В. И. Скацким и другими, значение водности колеблется от нескольких сотых грамма в кристаллических облаках до 0,3—1 г в слоистых и до нескольких граммов в кучевых.

Водность обычно возрастает по мере подъема над нижней границей облака и достигает максимума в облаках слоистых форм в верхней трети или вблизи верхней границы, а в кучевых — в их центральной или верхней части. Исключением являются фронтальные слоисто-дождевые облака, в которых наибольшие значения водности наблюдаются в нижней части облака. Последнее объясняется преобладанием в верхней части этих облаков кристаллической фракции, водность которой значительно меньше. Существует связь между величиной водности и температурой: в среднем водность увеличивается с повышением температуры. Характер этих зависимостей описывается эмпирическими формулами, предложенными Л. Т. Матвеевым и В. С. Кожариным (1956), В. Е. Минервиным, И. П. Мазиным и С. Н. Бурковской (1958) и др.

Наличие в каплях облаков и осадков растворенных солей и кислот существенным образом влияет на физико-химические свойства капель, а следовательно, и на процессы конденсации водяного пара на их поверхности, на замерзание и т. д. С другой стороны, перенос элементами осадков различных химических примесей играет значительную роль в химическом обмене между атмосферой и земной поверхностью, в особенности между атмосферой и океаном. Как показывают результаты химического анализа (С. М. Шметер, Р. И. Грабовский, Н. М. Акимов), в облачной влаге всегда присутствуют хлориды, причем концентрация СУ колеблется от 0,06 до 44,1 мг/л. Наибольшая концентрация хлоридов наблюдается в туманах, слоистых и слоисто-кучевых облаках, наименьшая — в слоисто-дождевых, что, вероятно, объясняется их высотным расположением и температурной стратификацией. Концентрация хлоридов также тесно связана с размерами облачных капель — она уменьшается в диапазоне размеров от 1 до 15—20 мк, практически постоянна в пределах от 20 до 100—200 мк и возрастает с дальнейшим увеличением радиуса. Подобный характер изменения концентрации еще раз подтверждает различную роль разных механизмов укрупнения капель: конденсационный рост в начале процесса и коагуляционный — на последующих стадиях.

Химический состав осадков изучен значительно полнее. Особенно многочисленные наблюдения проведены в периоды Международного геофизического года (1957—1959 гг.) и Международного года спокойного Солнца (1963—1965 гг.) Е. С. Селезневой на специальной сети наблюдательных пунктов. Установлено, что концентрация примесей в осадках меняется в зависимости от географического расположения пункта наблюдения, сезона, положения пункта относительно промышленных объектов и морей и т. п.

Теоретические исследования Я. И. Френкеля, опубликованные в 1940—1948 гг., привлекли широкое внимание к вопросам атмосферного электричества, в том числе к изучению механизмов заряжения частиц облаков и осадков. Частицы облаков и туманов могут быть как электрически нейтральными, так и иметь заряды того и другого знака. Число заряженных капель в облаке доходит до 30—50%, а иногда и 80%, причем оно увеличивается с возрастом облака, что установила А. П. Сергиева-Кацыка (1958, 1959). Как показали О. Ю. Адеркас (1941), В. А. Соловьев (1956) и Г. Д. Петров (1959), средние заряды капель облаков и туманов колеблются от 10—20 до 80—90 е, доходя в отдельных случаях до 300—500 е. Величина среднего заряда капель линейно возрастает с ростом их диаметра. По измерениям Н. В. Красногорской (1956), И. М. Имянитова и В. В. Михайловской (1960) средний заряд капель в ливневых дождях составляет 3— 5∙10 -2 СГС _q , а в обложных 2—3∙10 -2 СГС _q . В то же время Е. К. Федоров (1951) указывает, что в не очень интенсивных дождях число капель с небольшими зарядами (≈10 -4 СГС _q ) достаточно велико.

Обычно в нижней части облаков располагается область с отрицательным зарядом, в верхней — с положительным, однако в кучево-дождевых и особенно грозовых облаках вертикальное распределение объемных зарядов более сложно. Напряженность электрического поля в облаках согласно И. М. Имянитову (1952—1961) меняется от 1—5 в/см в Си hum (кучевые облака хорошей погоды) до 10 в/см и более в Си cong (мощно-кучевые облака), в грозовых же облаках она может достигать нескольких сотен и даже тысяч вольт на сантиметр.

Облачные частицы, нарушая диэлектричную однородность атмосферы, вызывают поглощение, рассеяние и отражение электромагнитных волн, что оказывает существенное влияние на тепловой режим атмосферы, ее оптические свойства, а также на распространение радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Теория рассеяния света в мутной среде (Шифрин, 1951) позволяет установить количественные связи многих оптических характеристик облака с его микроструктурой. Исследования оптических свойств облаков — зависимость рассеянного света от микроструктуры облака, спектральной и суммарной прозрачности облаков, дальности видимости в облаках и от других факторов — были проведены также И. А. Хвостиковым (1948), Е. А. Поляковой (1953), Е. И. Бочаровым (1955) и др.

В последние годы широкое распространение получил радиолокационный метод исследования облаков, основанный на отражении радиоволн от совокупности рассеивающих частиц — элементов облаков и осадков. Оперативность, получение данных о структуре и даже микроструктуре изучаемых объектов (облаков и осадков), практически одновременное обозрение большого пространства и отсутствие воздействия на изучаемый объект, а также большие объемы осреднения (радиолокационные объемы достигают от 10 4 до 10 6 м 3 и даже более) открывают широкие перспективы использования радиолокационных методов для исследования облаков и осадков, а в ряде задач делают их просто незаменимыми. С помощью радиолокационных станций могут быть получены сведения о строении облаков различных форм и зон осадков, об их фазовом состоянии, об установившихся и турбулентных скоростях движения частиц облаков и осадков, о высоте верхних границ облаков, интенсивности осадков и о других облачных характеристиках. Эти исследования были начаты в Советском Союзе в 1945 г. В. В. Костаревым. В дальнейшем, кроме него, они развивались Е. М. Сальманом, А. Г. Гореликом, А. А. Черниковым, А. Б. Шупяцким, В. М. Мучником и др.

Развитие многих облаков завершается выпадением осадков, продолжительность которых в зависимости от типа облаков может колебаться от нескольких минут до нескольких суток. Размеры, форма и концентрация частиц осадков, их интенсивность и изменчивость в пространстве и во времени изучались в 50-х годах Е. А. Поляковой и К. С. Шифриным, И. В. Литвиновым, А. Б. Шупяцким, В. М. Мучником и другими исследователями.

В настоящее время физика облаков переживает период бурного развития. Внимание, которое уделяется этой проблеме в Советском Союзе, и привлечение к ее решению современного математического аппарата и новейших методов исследования, основанных на широком использовании физической и электронной аппаратуры, дают основание ожидать в недалеком будущем значительного прогресса.

Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967

Совет 1: Какие бывают облака

Содержание статьи

• Какие бывают облака
• Как предсказать погоду по облакам
• Как предсказать погоду по природным явлениям

Физический смысл явления

С точки зрения физики облака – это продукты конденсации пара, видимые на небе с Земли. Это мельчайшие взвешенные в атмосфере капельки воды или кристаллов льда, которые при укрупнении выпадают в форме осадков. Обычно облака образуются в тропосфере.

Существует международная классификация облаков, в соответствии с которой их разделяют на виды и подвиды. По условиям образования все возможные облака делят по четырем категориями: конвективные, волнистые, восходящего скольжения и турбулентного перемешивания. Особняком стоят так называемые перламутровые и серебристые облака – они образуются в самых верхних слоях стратосферы.

К первой категории относят облака термической конвекции, формирующиеся вследствие неравномерного нагрева снизу, и облака динамической конвекции, возникающие в результате вынужденного подъема воздуха перед горами.

Волнистыми называют облака, образующиеся при инверсии в антициклонах. Облака восходящего скольжения получаются при встрече холодных и теплых воздушных масс. Наконец, облака турбулентного перемешивания появляются при поднятии воздуха усилившимся ветром.

Морфологическая классификация

По форме облака также делятся на четыре категории, каждая из которых в свою очередь делится на несколько подгрупп. Первая категория – облака нижнего яруса: слоистые, слоисто-кучевые, слоисто-дождевые и разорвано-слоистые. Они расположены на высоте не выше 2,5 км от Земли, большинство из них имеет толщину от 200 до 800 м. Формируются по разным причинам: вследствие конденсации пара над теплыми водоемами, в связи с увлажнением воздуха осадками из вышележащих облаков, в результате охлаждения воздуха, движущегося над холодной поверхностью земли.

Вторая – облака вертикального развития: кучевые и кучево-дождевые. Это плотные объемные и чрезвычайно живописные облака.

Третья – облака среднего яруса: высококучевые и высокослоистые. Они образуются в результате охлаждения воздуха при медленно восходящем наклонном движении воздушных масс. Осадки дают крайне редко.

Четвертая – облака верхнего яруса: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые. Как следует из названия, перистые облака обладают волокнистой структурой. Они тонкие, прозрачные, иногда имеют более плотные образования в виде хлопьев. Если из таких облаков выпадают осадки – что случается редко – то они испаряются, не долетев до поверхности Земли.

• Все о видах облаков

Совет 2 : Из чего состоят облака

Ученые традиционно делят облака на теплые и холодные, т.е. существующие при положительных и при отрицательных температурах. Теплые облака подобны туманам и состоят из микроскопических капель воды. Что касается холодных облаков, то, согласно традиционным представлениям, они могут содержать переохлажденные капли воды, ледяные кристаллы или и первое, и второе одновременно, т.е. являться смешанными по фазе.

В теории, при появлении в капельном облаке кристаллов льда, мгновенно начинается процесс Бержерона-Финдайзена, характеризующийся переконденсаций или фазовой перегонкой. Проще говоря, происходит конденсация пара в лед. Из этого следует, что двухфазное облако существовать долго не способно. В считанные минуты оно переходит в устойчивое кристаллическое состояние. Однако исследования выдающегося ученого А.М. Боровикова, показали, что в природных условиях смешанные и капельные холодные облака встречаются чаще и существуют гораздо дольше, чем это предсказывает теория, или показывает лабораторная практика.

В условиях средней полосы наиболее частыми и устойчивыми являются слоистые облака. Они же дают и наибольшее количество осадков. Современные исследования показали, что практически все холодные облака являются смешанными, т.е. содержат одновременно и капли переохлажденной воды и ледяные кристаллы.

По структуре они делятся на 3 базовых типа. К первому структурному типу относятся холодные облака, традиционно считающиеся водяными. Исследования показали, что они содержат ледяные кристаллы, не различимые обычными методами – их размеры менее 20 мкм. Два других типа облаков называются льдосодержащими. Один из типов характеризуется наличием относительно крупных ледяных кристаллов, размеры которых превышают 200 мкм. Обычно это полупрозрачные облачные структуры, расположенные на большой высоте и не всегда заметные с земли.

Другой тип льдосодержащих облаков характеризуется наличием льдинок, размеры которых менее 20 мкм. Это плотные, непрозрачные структуры, по виду мало отличающиеся от холодных водяных и теплых облаков. Именно они чаще всего приносят осадки в виде снега или дождя, в зависимости от температуры околоземного воздушного слоя.

Наличие жидких переохлажденных капель при температурах ниже -40оС, объясняется тем, что в реальных облачных структурах вода изменяет свои физико-химические свойства. Летучесть воды, по сравнению с обычными условиями, увеличивается в 5 раз. Такая вода испаряется и конденсируется значительно быстрее обычной.

Интегрированный урок (физика + литература + русский язык) на тему «Влияние процессов испарения на формирование погоды»

• Дать понять причину выпадения атмосферных осадков.
• Объяснить с точки зрения физики образование облаков, тумана, града, росы, инея, снега.
• Развивать речевые навыки, умение выявлять особенности научного и художественного стилей речи.
• Разбудить любознательность, заставить взглянуть на обычные явления через призму физических законов, явлений.

Оборудование: мультимедиапроектор, кластер, плакаты.

Учитель физики: На предыдущих уроках мы с вами рассмотрели процессы испарения, конденсации. Узнали, что такое влажность воздуха. И теперь вы сможете понять причину выпадения атмосферных осадков.
Каждый из вас знает, что такое погода. Погода– это солнечные дни, проливные дожди, метели, грозы.
Погода влияет на нашу жизнь, и поэтому люди регулярно интересуются прогнозом погоды.
К сегодняшнему уроку творческая группа физиков приготовила интересные сообщения об атмосферных осадках.

Учитель литературы: А группа лириков проделала исследовательскую работу и нашла в стихах их поэтическое описание.

Учитель физики: И сегодня мы подведем итоги вашей работы. Мы приглашаем вас на заседание ученого совета: физики + лирики = ?

Учитель литературы: Явления погоды интересуют не только физиков, но и поэтов.
Встаньте летом рано утром, посмотрите на лепестки розы и вы увидите чудо – серебристую дрожащую капельку росы. И в первую очередь на вас нахлынут поэтические чувства и лишь затем вам захочется узнать: а какова природа этого явления?

Учитель физики: Существует вечный спор лириков и физиков:
“Физики не любят стихов!”
“Физики не могут понять красоты лунной ночи!”

Учитель литературы: “Лирику не интересны проблемы науки и техники!”
И сегодня мы соединим физиков и лириков, чтобы лучше узнать о погодных явлениях и выяснить: физики + лирики = чему?
Первое слово предоставляется физикам. По ходу вашего выступления составим кластер– какие природные явления объясняются испарением воды и конденсацией пара?(составляется кластер и на экране появляются слайды с изображением тумана, града, инея, росы, снега, облаков ).

Ученик-физик: Туманы хорошо знакомы как живущим в сельской местности, так и жителям городов. Сельский житель обычно рад туману. Ранней весной он предвещает потепление. Туман на утренней заре летом связан с выпадением росы, которая напитает растения влагой. Иначе воспринимают туман жители больших городов.
В сильный туман трудно дышать, физическое состояние резко ухудшается. С этим хорошо знакомы жители Лондона и Парижа, Лос-Анджелеса и Токио, где слово “туман” связывают со страшным словом “смог”.
Как возникает туман? Воздух содержит водяные пары, которые под действием солнечного нагревания испаряются с поверхности океанов, морей и других водоемов.
Массу водяного пара в 1 м 3 воздуха называют его “абсолютной влажностью”. При каждой температуре существует предел влажности. Если температура понизится, избыток паров выделится в виде воды. Чем воздух теплее, тем больше он может содержать водяного пара. Если сравнительно теплый и притом влажный воздух охлаждается так, что выделится избыток влаги в виде мельчайших капелек, то образуется туман. Туман чаще всего наблюдается над болотами, реками, озерами, потому что там воздух более влажен.

Бледнеет ночь… Туманов пелена
В лощинах и лугах
Становится белее,
Звучнее лес, безжизненней луна
И серебро росы на стеклах холоднее.

Ученик-физик: Роса. Откуда появляются эти капельки воды? Уж не из воздуха ли?
Ночи стояли прохладные. За ночь остыла, остудилась земля. Особенно прохладными стали металлические предметы, камни и растения. В воздухе есть всегда водяной пар.
Соприкоснувшись с холодными предметами или растениями, водяной пар превращается в капельки росы. Как это происходит? Поднеси холодную металлическую крышку к носику чайника, когда из него идет пар, и ты увидишь, как образуются капельки воды. Роса для растений полезна как дождь. Росу пьют насекомые и птицы. Роса образуется не только осенью, но и летом, и весной.
Однако росы чаще бывают осенью. Почему? Потому что осенью сыро и в воздухе много влаги. От холода поздней осенью роса кажется не прозрачной, а белой.

Под зыбким белым облаком
Горят пылающие розы.
Денницы утренние слезы
Блестят, как жемчуг, по лугам.

Ученик-физик: Град. Поднимающийся от поверхности земли нагретый воздух несет с собой водяной пар. На некоторой высоте начинается конденсация, и в воздухе образуются мельчайшие водяные капли. Они составляют нижний слой облаков. Воздух с оставшимся в нем паром продолжает подниматься вверх. Если ток воздуха сильный, то он может увлечь за собой вверх и образовавшиеся водяные капли. По мере подъема капли охлаждаются все сильнее и, достигнув слоев атмосферы с температурой ниже 0 , замерзают. На них начинают осаждаться и намерзать другие водяные капли. В результате этого образуются хорошо знакомые нам ледяные шарики– градинки.

Умчались тучи грозные
И пролились дожди
Великое, бесслезное!
Надейся, верь и жди.

Ученик-физик: При заморозках трава, земля, предметы на улице сильно охлаждаются.
Их температура становится ниже нуля градусов. И тогда водяной пар в воздухе, коснувшись холодного предмета, может сразу стать льдом, не превращаясь в росу. Такая ледяная пленка, покрывающая холодную траву, камни, металлические ограды и есть иней.

Серебро, огни и блестки, –
Целый мир из серебра!
В жемчугах горят березки,
Черно – голы вечера.

Если лег на ветки иней –
На стекле букет из роз.
Если дым лошадкой синей
Достает до самых звезд,
И не свищет ветер грозно –
Будет ясно и морозно.

Ученик-физик: Снег. Водяной пар при охлаждении не всегда конденсируется в воду. При определенных условиях он может превратиться сразу в ледяные кристаллики-снежинки. В зимние месяцы у поверхности земли температура низкая. Поэтому снежные кристаллы, выпадающие из облаков, не тают, опускаясь вниз, а наоборот, даже растут. Рост снежинок происходит в то время, когда они проходят менее холодные, чем сами снежинки, слои воздуха. Пар, соприкасаясь с холодной снежинкой, сгущается и , осаждаясь на ней, вызывает ее рост. Форма снежных кристаллов зависит от температуры воздуха и количества водяного пара в нем. При температурах, близких к нулю градусов, чаще выпадают сильно разветвленные звездочки, а при более низких температурах – пластинки, иглы. Если температура близка к 0 , кристаллы могут слипаться в снежные хлопья размером до 1 см.

Белый снег пушистый
В воздухе кружится
И на землю тихо
Падает, ложится.

Кружась легко и неумело,
Снежинка села на стекло,
Шел ночью снег, густой и белый
От снега в комнате светло.

Ученик-физик: Облака. Около 2 /3 земной поверхности покрыто океанами. Солнечные лучи нагревают океаны, в результате часть воды переходит в водяные пары. Это они образуют облака, которые несут с собой дождь, снег, град.
Облака могут иметь различные причудливые формы. Конфигурация облаков зависит от того, где и как они образовались. Существует три основных типа облаков: перистые, кучевые и слоистые. Эти названия дал облакам английский химик Люк Ховард в 1802 году.
Кучевые облака состоят из крошечных капелек воды, которые образуются тогда, когда поднимающийся вверх теплый влажный воздух конденсируется в верхних, более холодных слоях атмосферы.
Слоистые облака представляют серое, довольно бесформенное покрывало, распространяющееся по небу по всем направлениям. Обычная их толщина – около 1 км.
А ширина может достигать 1000 км. Слоистые облака образуются тогда, когда слои теплого влажного воздуха попадают под массы холодного воздуха.
Иногда вы можете увидеть облака, которые напоминают тонкие, закрученные клочки ваты. Они находятся очень высоко в атмосфере – на высоте от 5 до14 км. Это перистые облака, состоящие из легких водяных кристалликов.

Если ты спустился с неба,
С облаков далеких, тонких
То взойди опять на небо,
Поднимись опять на воздух
В облака, где много капель
На мерцающие звезды.

Учитель физики: Спасибо, ребята, вы приготовили интересные сообщения.

Учитель литературы: У нас на заседании присутствуют лингвисты, спросим у них:: чем отличался научный стиль речи от художественного?

Лингвисты: Физики в своих выступлениях использовали научный стиль речи.

Они использовали термины: конденсация, температура, поверхность ,водяной пар и другие. Для этого стиля характерна точность, логичность, объективность высказывания. А лирики использовали художественный стиль. Здесь были изобразительные средства языка – эпитеты: тучи грозные, безжизненная луна, утренние слезы, сравнения: блестят, как жемчуг и др.

Учитель физики: И что же получилось из формулы: физики + лирики?

Лирики: Когда слушали сообщения о явлениях погоды с точки зрения физики, то понимали, как это происходит. А лирики помогли нам увидеть красоту этих явлений, заставили любоваться красивой росой, таинственным туманом. Получилась более полная картина, которая затронула ум и сердце.

3. Учитель физики: Посмотрите на кластер и скажите, о каких явления погоды мы не говорили?
Объясните, почему появляются морозные узоры?
А знаете ли вы, что в книгах Тургенева, Паустовского, Джерома есть яркие описания физических явлений, физических законов?

Учитель литературы: А А .Блок стихами рассказал о прямолинейном распространении света:

Шар раскаленный, золотой
Пошлет в пространство луч огромный
И длинный конус тени темной
В пространство бросит шар другой.

Учитель физики: И пусть девизом нашего урока станут бессмертные слова А.С. Пушкина:

Да здравствуют музы!
Да здравствует разум!

Домашнее задание: литературно-физическая викторина.