Образование облаков и осадков

Образование облаков представляет собой процесс конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере, на мельчайших аэрозольных частицах — ядрах конденсации. Водяной пар является невидимым, однако при понижении температуры и достижении уровня насыщения молекулы начинают агрегироваться в капли жидкости.

Ключевым условием является достижение температуры точки росы — температуры, при которой давление насыщенного пара становится равным парциальному давлению водяного пара в воздухе. Если воздух охлаждается адиабатически при подъёме вверх, то относительная влажность возрастает, и на определённой высоте происходит переход к насыщению. Эта высота называется уровнем конденсации.

Роль адиабатических процессов

Подъём воздуха может происходить под действием различных факторов: орографического (подъём при встрече с горным хребтом), фронтального (подъём на границе воздушных масс) и конвективного (подъём вследствие прогрева подстилающей поверхности).

При подъёме воздух охлаждается с адиабатическим градиентом:

• сухоадиабатический градиент составляет примерно 9,8 °C на километр;
• после насыщения воздух охлаждается медленнее, с влажноадиабатическим градиентом (около 4–6 °C на километр), поскольку при конденсации выделяется скрытая теплота.

Таким образом, облако образуется именно там, где адиабатическое охлаждение доводит температуру воздуха до точки насыщения.

Ядра конденсации и микрофизика облаков

Без наличия центров конденсации образование капель крайне затруднено. В атмосфере такими центрами служат пылинки, кристаллы соли, продукты горения, биологические частицы. Их размеры находятся в диапазоне 0,01–10 мкм.

При конденсации на ядрах образуются капли с радиусом около 10 мкм. Однако для выпадения осадков необходимы капли в сотни раз больше. Увеличение размеров происходит благодаря:

• коалесценции (слиянию капель при столкновении);
• диффузионному росту за счёт разности парциальных давлений пара над каплями разного радиуса;
• процессу Бергера–Финдеизена, при котором водяной пар конденсируется на кристаллах льда быстрее, чем на каплях, приводя к их укрупнению и выпадению.

Типы облаков и их структура

Облака классифицируются по форме и высоте основания. Основные группы:

• перистые (cirrus) — высокие, образованные кристаллами льда;
• кучевые (cumulus) — мощные облака вертикального развития, часто конвективного происхождения;
• слоистые (stratus) — относительно тонкие, сплошные облачные пласты;
• слоисто-дождевые (nimbostratus) — связанные с устойчивыми осадками.

Каждый тип облаков связан с определёнными термодинамическими условиями в атмосфере. К примеру, мощные кучево-дождевые облака (cumulonimbus) формируются при интенсивной конвекции и являются источником грозовых осадков.

Физика образования осадков

Для выпадения осадков необходимо, чтобы капли или кристаллы льда достигли достаточных размеров и масс, при которых сила тяжести превышает сопротивление воздуха.

Механизмы формирования осадков:

1. Тёплый механизм (коалесценция капель) Характерен для тропиков и умеренных широт летом. В тёплых облаках капли сталкиваются и сливаются, формируя дождевые капли диаметром 0,5–5 мм.

2. Холодный механизм (процесс Бергера–Финдеизена) В облаках, содержащих как капли воды, так и ледяные кристаллы, последние растут быстрее и выпадают в виде снега или града. При прохождении через более тёплые слои атмосферы лед может таять, образуя дождь.

3. Смешанный механизм Реализуется в облаках умеренных широт, где одновременно действуют оба описанных процесса.

Формы и виды осадков

Осадки подразделяются на:

• жидкие — дождь, морось;
• твёрдые — снег, град, снежные зерна, ледяной дождь;
• смешанные — дождь со снегом.

Интенсивность осадков зависит от вертикальных движений воздуха, насыщенности облака влагой и микрофизических условий.

Энергетический аспект и климатическое значение

Образование облаков и осадков связано с колоссальным обменом энергии. При конденсации 1 г водяного пара выделяется около 2,5 кДж тепла. Это тепло возвращается в атмосферу и играет ключевую роль в формировании общей циркуляции.

Облака влияют на радиационный баланс планеты: они отражают часть солнечного излучения обратно в космос (альбедо облаков может достигать 80%) и одновременно поглощают и излучают инфракрасное излучение Земли, действуя как терморегулятор.