Макрофизика и микрофизика облаков

Различают макрофизику и микрофизику облаков. Макрофизика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков.

Облака могут состоять из капелек воды (водяные, или капельные облака), ледяных кристалликом (ледяные или кристаллические облака), а также одновременно из капель и из кристалликов (смешанные облака). Водяные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (примерно до —20^оС) это переохлажденные водяные облака. Например, при —10°С облака в 50% случаев водяные, в 30% смешанные и только в 20% ледяные.

Водяные капли в облаке имеют различные диаметры — от долей микрометра до нескольких миллиметров. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1...0,5 мм.

Как бы ни была мала ледяная капля, она все же существенно тяжелее воздуха. Поэтому возникает вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?

Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Эти удары вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории (броуновское движение).

Чем массивнее капля, тем труднее молекулам воздуха отбросить ее и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения, но больше влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским; капля начинает падать под действием силы тяжести. И тогда «вступает в игру» новый фактор, препятствующий падению капли вниз,— сопротивление воздушной среды.

(6)

Пусть в некоторой точке пространства водяная капля радиусом R (пусть, например, R=10 мкм). В этот момент времени на каплю действует только сила тяжести Р

где ρ₀ — плотность воды, g — ускорение свободного падения ( – объем капли). Под действием силы тяжести капля начинает падать вниз, ее скорость начинает расти. Одновременно возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздуха F. Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли u:

F = 6πηRu, (7)

где η— коэффициент вязкости воздуха. (Вязкость, или, иначе, внутреннее трение — свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой; по этой причине, например, скорость газового или жидкого потока в трубе уменьшается при переходе от оси трубы к ее стенкам.) По мере возрастания силы сопротивления F уменьшается разность Р — F, поэтому скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха сравняется по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекратится, и далее капля будет падать равномерно (ведь теперь равнодействующая сила, приложенная к капле, равна нулю: Р — F = 0). Скорость равномерного движения капли u определяется из условия Р — F = 0 с учетом (6) и (7):

Равномерно падающая капля может быть остановлена и даже подброшена вверх восходящим потоком воздуха, если вертикальная скорость потока больше скорости падения капли.

Совсем не просто ответить на вопрос, почему облако не падает на землю. Здесь надо учитывать многое: тепловое движение молекул воздуха, сопротивление воздуха, испарение капель. Надо принимать во внимание также и ряд других факторов. Так, следует иметь в виду, что с увеличением радиуса капли сила сопротивления воздуха начинает играть все более существенную роль из-за того, что относительно большие капли (радиусом более 100 мкм) при своем падении вызывают турбулентные движения в воздушной среде. Надо учитывать также, что в процессе падения радиус капли вовсе не остается неизменным: наряду с испарением происходит дополнительная конденсация пара на поверхности капли, увеличивающая ее радиус. Возможно также слияние данной капли с другими каплями или, напротив, раздробление ее на несколько более мелких капель. Одним словом, микрофизика облака оказывается достаточно сложной.

Осадки

При определенных условиях из облаков выпадают осадки в виде дождя, снега или града. Мы уже отмечали, что дождь выпадает из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков. В первом случае дождь обычно идет долго— часами, а то и целые сутки, временами почти прекращаясь, затем снова усиливаясь. Во втором случае дождь, как правило, имеет характер кратковременного (десятки минут) интенсивного ливня. Радиусы дождевых капель у земной поверхности оказываются в пределах примерно от 0,2 мм (мелкий дождик из слоисто-дождевого облака) до 5 мм (сильный ливень из кучево-дождевого облака).

Нетрудно понять, почему из слоисто-дождевых облаков выпадает обычно мелкокапельный дождь, тогда как кучево-дождевые облака могут давать ливни из относительно крупных капель. Напомним, что кучево-дождевое облако сильно развито в вертикальном направлении (до 10 км), в нем возникают мощные восходящие потоки воздуха, характеризующиеся скоростями порядка 10 м/с. В этих условиях мелкие капельки просто не могут достичь земли — они либо испаряются по дороге, либо отбрасываются вверх восходящими потоками. В данном случае необходимо, чтобы возникали достаточно крупные капли. Благодаря большой толщине облака такие капли действительно возникают. Процесс их возникновения можно представить следующим образом. Ледяные кристаллики из верхней части облака, падая вниз, превращаются сначала в снежные хлопья, а затем в сравнительно крупные капли. Продолжая падать сквозь толщу облака, эти капли растут за счет дополнительной конденсации пара и слияния с другими каплями.

Иное дело — дождь из слоисто-дождевых облаков. Относительно небольшая толщина таких облаков не позволяет каплям существенно увеличиться во время падения внутри облака. Впрочем, в данном случае для выпадения дождя этого и не нужно. Когда небо затянуто слоисто-дождевыми облаками, нет мощных восходящих потоков воздуха, существующие потоки характеризуются вертикальными скоростями порядка всего 0.1 м/с (в 100 раз меньше, чем в кучево-дождевых облаках). Поэтому уже сравнительно мелкие капельки способны достигать поверхности земли.

Из кучево-дождевых облаков наряду с дождем может выпадать также град — наиболее интересный вид осадков, доставляющий нередко большие неприятности. Сильный град калечит плодовые деревья и кустарники, уничтожает посевы и даже способен разрушать строения, убивать людей и животных. Обычно град выпадает при сильной грозе в летнее время года, когда температура воздуха у поверхности земли выше 20°С и возникают особенно мощные восходящие потоки воздуха. Градины представляют собой ледышки размерами от миллиметра до нескольких сантиметров (в отдельных случаях до десятков сантиметров). Градина часто состоит из нескольких чередующихся слоев прозрачного и непрозрачного (белого) льда; толщина отдельного слоя не менее 1 мм.

Ледяные кристаллики — зародыши градин — образуются на высотах 8 - 10 км, где температура понижается до —40°С. Падая вниз и сталкиваясь с переохлажденными водяными каплями, они обрастают льдом, увеличиваются. В нижней части облака они подтаивают; там возникают крупные дождевые капли в окружении мелких градин. Мощные восходящие воздушные потоки забрасывают мелкие градины в верхнюю часть облака, где те повторно обрастают льдом. Затем градины снова падают вниз и снова могут быть возвращены наверх восходящими потоками. Так повторяется несколько раз, пока градины не станут достаточно тяжелыми. Чередующиеся процессы нарастания льда и подтаивания как раз и приводят к возникновению образующих градину слоев льда разной степени прозрачности.