Классификация и физико-химические особенности гидрометеоров
Гидрометеоры представляют собой любые атмосферные образования, состоящие из жидкой или твердой воды, выпадающие из облаков, находящиеся в воздухе или осаждающиеся на земной поверхности. Их образование, структура, агрегатное состояние и поведение в атмосфере обусловлены сложными физико-химическими процессами, протекающими при различных температурах, давлениях и влажностях.
Различают четыре основных класса гидрометеоров:
Каждый из них имеет внутреннюю классификацию, связанную с морфологией, агрегатным состоянием и механизмом образования.
1. Осадки
Это гидрометеоры, которые достигают земной поверхности в виде жидкости или твёрдого вещества.
Дождь — капли воды диаметром от 0.5 мм до 6 мм. Капли меньшего размера называют моросью. Формируется за счёт коалесценции капель в облаках или таяния ледяных частиц в слоях выше 0 °C. Интенсивность дождя классифицируется как слабая (до 2.5 мм/ч), умеренная (2.5–7.5 мм/ч) и сильная (более 7.5 мм/ч).
Снег — совокупность снежинок, представляющих собой агломераты ледяных кристаллов. Тип кристаллов зависит от температуры и перенасыщения по водяному пару. При температурах около –12 °C формируются дендриты, при –5 °C — пластинки, а ниже –20 °C — столбики и иглы. Снег характеризуется низкой плотностью и может быть сухим, влажным или мокрым в зависимости от температуры в приземном слое.
Ледяной дождь — переохлаждённые капли дождя, которые мгновенно замерзают при соприкосновении с землёй или объектами. Возникает при прохождении осадков через слой воздуха с температурой выше 0 °C, находящийся над подстилающим слоем с температурой ниже 0 °C.
Град — твёрдые шарообразные или неправильной формы образования изо льда, возникающие в кучево-дождевых облаках с мощной конвекцией. Частицы града растут за счёт многократного подъёма и опускания в облаке, чередования процессов замерзания и конденсации. Размер может достигать нескольких сантиметров.
Морось — мелкие капли (до 0.5 мм), возникающие из слоистых облаков. Осаждается слабо, часто сопровождается туманом. Морось формируется при конденсации на мелких конденсационных ядрах, преимущественно в условиях слабой вертикальной турбулентности.
Снежная крупа и ледяная крупа — округлые или неправильной формы частицы диаметром от 1 до 5 мм. Первая — непрозрачная, хрупкая, вторая — плотная и прозрачная. Возникают в облаках с переохлаждёнными каплями и кристаллами.
2. Взвешенные частицы воды
Гидрометеоры, не достигающие поверхности и удерживающиеся в атмосфере в виде аэрозольных систем.
Туман — аэрозоль, состоящий из капель воды диаметром от 1 до 30 мкм. Формируется при охлаждении воздуха до точки росы или при испарении влаги в воздух. Различают радиационный, адвективный, фронтальный и испарительный туманы. Уменьшает горизонтальную видимость до менее 1 км.
Мгла (аэрозольная) — микроскопические водяные или солевые частицы, а также продукты конденсации, снижающие видимость до 1–10 км. Возникает в условиях слабой турбулентности и высокой влажности, часто при загрязнённой атмосфере.
Облака — гидрометеоры, образующиеся при подъёме влажного воздуха и его охлаждении до точки насыщения. Состоят из капель воды, ледяных кристаллов или их сочетаний. Классифицируются по высоте (высокие, средние, низкие), форме (слоистые, кучевые, слоисто-дождевые и др.), а также по происхождению (фронтальные, конвективные и т.д.). Основные типы — перистые (Ci), кучевые (Cu), слоисто-кучевые (Sc), слоистые (St), нимбостратус (Ns), кучево-дождевые (Cb) и др.
3. Отложения воды на поверхности
Эти гидрометеоры формируются в результате конденсации или сублимации на земной поверхности или объектах.
Роса — капли воды, образующиеся в результате конденсации водяного пара на охлаждённых поверхностях. Чаще всего возникает ночью при ясной погоде из-за радиационного охлаждения.
Иней — твёрдые кристаллы льда, формирующиеся при сублимации водяного пара на поверхности, температура которой ниже 0 °C. Образуется преимущественно при ясной погоде и слабом ветре.
Изморозь — плотные, зернистые или кристаллические отложения льда, образующиеся из переохлаждённого тумана или облака. Бывает мягкой (пушистая структура) и твёрдой (плотная, ледяная кора). Связана с ветреной, влажной погодой и наличием тумана.
Гололёд — гладкий, прозрачный слой льда, образующийся при замерзании переохлаждённых капель дождя или мороси. Представляет серьёзную опасность для транспорта и ЛЭП.
4. Водяные вихри
Специфические гидрометеоры, представляющие собой аэрозольно-капельные образования в условиях сильной турбулентности.
Водяной смерч — мощная вертикальная вихревая структура, втягивающая воду с поверхности. Обычно возникает над тёплой водой при неустойчивой стратификации и наличии конвективных облаков. Состоит из мельчайших капель, образованных за счёт испарения и турбулентного подъёма влаги.
Пыльный или песчаный вихрь с влагой — вихревое образование, включающее не только пыль или песок, но и капли воды или кристаллы льда, возникающее в засушливых районах после осадков.
Физика и термодинамика образования гидрометеоров
Формирование гидрометеоров связано с ключевыми атмосферными процессами:
Температурный режим, вертикальные движения, влажность воздуха и наличие ядер конденсации/сублимации являются определяющими факторами в типе формирующихся гидрометеоров.
Особенности наблюдения и регистрации
Для количественного и качественного анализа гидрометеоров используются различные методы:
Значение в атмосферных процессах
Гидрометеоры играют ключевую роль в:
Глубокое понимание физических процессов, лежащих в основе образования и эволюции гидрометеоров, необходимо для прогноза погоды, климатического моделирования и разработки эффективных методов метеорологического мониторинга.