Теплые и холодные осадки

Общие принципы классификации осадков

Осадки в атмосфере классифицируются по механизму их образования, что связано с термодинамическими условиями, в которых происходит рост облачных частиц. Основной критерий – температурные условия облака, в частности, наличие или отсутствие переохлаждённой воды и кристаллов льда. На этом основании осадки делятся на тёплые и холодные.

Тёплые осадки: микрофизические процессы

Тёплые осадки формируются в облаках, полностью состоящих из водяных капель при положительных температурах (обычно выше 0 °C на всём протяжении облака). Главный механизм роста капель — коалесценция, то есть слияние меньших капель в более крупные за счёт различий в скоростях осаждения.

Капли в тёплых облаках имеют начальный размер порядка 10–20 мкм. По мере роста, в результате столкновений и объединения с другими каплями, их диаметр может достигать 1–2 мм, после чего капля становится нестабильной и выпадает в виде дождя. Коалесценция эффективна лишь при наличии достаточного спектра капель по размерам. Если все капли одного размера, столкновения практически не происходят.

Особое значение имеют турбулентность, электрические заряды, аэродинамические взаимодействия, которые способствуют эффективному столкновению капель. В условиях тропиков тёплый механизм является доминирующим, обеспечивая интенсивные ливневые осадки из кучево-дождевых облаков (Cb).

Критерии тёплого механизма:

Облако состоит только из жидкой воды.
Температуры выше 0 °C на всей глубине облака.
Отсутствие кристаллов льда.
Рост капель идёт за счёт коалесценции.
Осадки – дождь или морось.

Холодные осадки: процессы ледяной фазы

Холодные осадки формируются в облаках, содержащих переохлаждённую воду и кристаллы льда. Эти облака характерны для умеренных и полярных широт, где температуры в облачной толще опускаются ниже 0 °C. Основной микрофизический механизм — процесс Бержерона–Финдайзена, основанный на различии давлений насыщения над водой и льдом.

Поскольку давление насыщения над переохлаждённой водой выше, чем над льдом, водяной пар интенсивно конденсируется на ледяных кристаллах, обеспечивая их быстрый рост. При этом переохлаждённые капли испаряются, питая паром растущие кристаллы.

По мере роста кристаллы могут:

Становиться тяжелее и выпадать.
Встречаться с переохлаждёнными каплями и поглощать их при римингации (обмерзании капель на поверхности кристалла).
Сливаться друг с другом (агрегация), образуя снежинки.

Если в процессе осаждения кристаллы проходят через тёплый слой, они могут плавиться, формируя дождь. В случае, если температура остаётся ниже нуля, осадки достигают поверхности в виде снега, града или снежной крупы.

Критерии холодного механизма:

Наличие переохлаждённых капель и кристаллов льда.
Температуры в облаке ниже 0 °C.
Преобладание ледяной фазы роста.
Участие процессов Бержерона–Финдайзена, риминга, агрегации.
Осадки – снег, мокрый снег, град, ледяной дождь.

Смешанные облака и комбинированные осадки

Во многих случаях облака имеют смешанную фазу, то есть содержат и капли воды, и кристаллы льда. Такие облака особенно характерны для средних широт. В них одновременно действуют процессы, характерные для тёплой и холодной микрофизики. Механизм выпадения осадков может начинаться как тёплый, но переходить в холодный по мере подъёма капель в более холодные слои.

Также в смешанных облаках формируются различные виды осадков при выходе на поверхность:

Ледяной дождь — образуется, если жидкие капли успевают переохладиться в холодном слое ниже 0 °C, но не замерзают до касания поверхности.
Мокрый снег — результат частичного таяния снежинок в слое с положительной температурой.
Снег с дождём — следствие одновременного наличия тающих снежинок и капель.

Физические условия, влияющие на механизм осадкообразования

Характер выпадения осадков определяется следующими физическими параметрами:

Профиль температуры с высотой. Именно он определяет фазовое состояние облака и путь осадков.
Концентрация ядер кристаллизации. При их избытке ледяная фаза возникает быстро и эффективно, даже при слабом переохлаждении.
Влажность воздуха. Дефицит влаги может остановить рост кристаллов, даже если лед присутствует.
Вертикальные движения воздуха. Подъёмы усиливают рост частиц за счёт переноса пара и увеличения времени пребывания в облаке.
Размеры и толщина облака. Чем толще облако, тем больше времени частицы проводят внутри него и тем больше вероятность достижения размеров, достаточных для выпадения.

Спектры капель и кристаллов как индикатор механизма

Для тёплых облаков характерны монотонные спектры капель с постепенным увеличением к крупным размерам за счёт коалесценции. В холодных и смешанных облаках наблюдаются двухмодальные спектры, где второй пик соответствует кристаллам льда или их агрегатам. Спектральный анализ используется при дистанционном зондировании облаков (например, с использованием лидаров и радаров) для идентификации доминирующего микрофизического механизма.

Типы осадков и связь с механизмами образования

Дождь: обычно результат тёплого механизма, но также может быть продуктом таяния кристаллов в нижнем тёплом слое.
Морось: формируется из очень мелких капель при слабой коалесценции; часто в тёплых низких слоистых облаках.
Снег: типичный результат холодного механизма; растёт за счёт сублимации пара на кристаллах.
Град: крупные частицы льда, формирующиеся в мощной конвекции с многократным циклическим перемещением капель через зоны переохлаждения.
Мокрый снег: промежуточный тип между снегом и дождём; может выпадать из облаков с температурой около 0 °C.

Закономерности географического распределения

В тропиках преобладают тёплые осадки. Здесь мощные конвективные облака с высокими температурами и сильными потоками вверх обеспечивают благоприятные условия для коалесценции.
В умеренных широтах и полярных регионах — холодные осадки. Значительная толща облаков с отрицательной температурой способствует активному формированию кристаллов и их росту.
В переходных зонах (например, весной и осенью в средних широтах) часто наблюдаются смешанные осадки, что отражает сложную вертикальную термодинамическую структуру атмосферы.

Роль осадков в климатической системе

Осадки — не только результат микрофизических процессов, но и ключевой элемент климатической системы. Механизм их образования влияет на:

Энергетический баланс атмосферы через латентную теплоту фазовых переходов.
Структуру облачного покрова и альбедо планеты.
Распределение влаги и динамику почвенно-гидрологических процессов.
Формирование и поддержание циркуляции в масштабе мезо- и макроуровня.

Таким образом, различие между тёплыми и холодными осадками имеет не только микрофизическое, но и климатическое, гидрологическое и метеорологическое значение.