Облака
Облака - атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации (См. Конденсация) водяного пара (См. Пар водяной) в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется Туманом. О. - существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. О. покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 109 т воды. О. являются важным звеном Влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.
В основном водяной пар содержится в нижней части атмосферы - тропосфере, поэтому именно здесь на различных высотах и сосредоточено подавляющее большинство О. Однако нередко в стратосферу проникают перистые и кучево-дождевые О., последние могут иногда достигать высоты 16 и более км. В стратосфере могут также возникать перламутровые О.(на высоте около 25 км), а в мезосфере - серебристые (около 80 км). К основным формам О. (см. табл.) относятся: О. нижнего яруса - слоистые (однородный, лишённый упорядоченной структуры, сравнительно тонкий слой), слоисто-кучевые (слой с ясно выраженной структурой в виде волн, гряд или крупных «пластин») и слоисто-дождевые (сплошная серая пелена большой вертикальной мощности, дающая длительные осадки в виде обложного дождя или снега); О. среднего яруса - высоко-слоистые (сероватая или чуть синеватая пелена) и высоко-кучевые (похожие на слоисто-кучевые, но более тонкие. О. верхнего яруса - перистые (неплотные, часто просвечивающие О. в виде отдельных параллельных или спутанных нитей), перисто-слоистые (белая или голубоватая, довольно однородная пелена) и перисто-кучевые (тонкие, полупрозрачные О. в виде ряби или скопления хлопьев) и, наконец, О. вертикального развития, имеющие сравнительно плоские основания и куполообразные вершины часто причудливых очертаний кучевые, мощно-кучевые и кучево-дождевые. Имеются многочисленные разновидности основным форм О.
Образование О. связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью. Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер конденсации (См. Ядра конденсации), обеспечивает появление зародышевых капель уже при достижении насыщения. Условия же насыщения создаются в результате охлаждения воздуха, вызванного, например, расширением его при упорядоченном подъеме на фронтах атмосферных (См. Фронты атмосферные) (так образуются О. Ns и системы Ns-As-Ac), при неупорядоченном турбулентном перемешивании или волновых движениях (St, Sc, Ac), при конвективном подъеме (Cu, Cu Cong, Cb), при отекании горных препятствий (Ac) и др. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к появлению избыточного пара, который поглощается растущими каплями. Т. о., первоначально капли растут преимущественно за счёт конденсации водяного пара. Затем по мере их укрупнения, всё большую роль начинают играть процессы столкновения и слияния капель друг с другом (т. н. Коагуляция облачных элементов). Коагуляционный механизм - основной механизм роста облачных капель радиусом более 30 мкм. При отрицательных температурах О. могут быть капельные (переохлажденные), кристаллические или смешанные, т. е. состоящие из капель и кристаллов. Малые размеры облачных капель позволяют им долго сохраняться в жидком виде и при отрицательных температурах. Так, при -10 °С О. в половине случаев капельные, в 30% - смешанные и лишь в 20% кристаллические. Переохлажденные же капли в О. встречаются вплоть до -40 °С. Пересыщение над кристаллами значительно больше, чем над каплями (насыщающая упругость водяного пара над льдом ниже, чем над водой), благодаря чему в смешанных О. кристаллы растут значительно быстрее капель, что способствует выпадению осадков.
Размеры подавляющего большинства капель в О. составляют тысячные и сотые доли мм, а их концентрация - сотни в 1 см3. Кристаллы обычно имеют в десятки раз б_ольшие размеры, а концентрация их в тысячи и десятки тысяч раз меньше (до сотни в 1 л). Форма кристаллов зависит главным образом от температуры их образования и чрезвычайно разнообразна - иглы, столбики, пучки столбиков, тонкие и толстые пластинки и, наконец, просто частицы неправильной формы. В О., как правило, присутствуют и «сверхкрупные» капли, достигающие десятых долей мм с концентрацией единицы и менее в 1 л. Подобные частицы являются зародышами осадков и вносят основной вклад в радиолокационный сигнал от капельных облаков. Масса сконденсированной воды в единице объёма О. называется водностью О. и колеблется обычно от десятых долей до неск. г/м3 для капельных О. и от тысячных до десятых долей г/м3 в кристаллических. Данные о физическом строении О. получены главным образом с помощью самолётов - летающих лабораторий, оснащенных специальной аппаратурой. Дифракция и преломление света в частицах О. вызывают различные оптические явления - глории (См. Глория), Гало, Венцы и др.,- по которым можно судить о наличии в О. капель или кристаллов. Широкое применение находят радиолокационные методы исследования О., развиваются спутниковые и лазерные методы.
Многообразны и сложны физические процессы, управляющие развитием О. Возникнув на ядрах конденсации, облачные капли растут, перемещаются внутри О., выносятся за его пределы и испаряются. Время жизни облачных частиц может быть во много раз меньше времени жизни О. в целом. Цикл жизни О. в целом завершается его испарением. Выпадение осадков способствует уносу воды и ускоряет процесс разрушения О. Длительное существование О. объясняется малыми скоростями падения частиц (капли радиусом 1-10 мкм падают со скоростью 0,05-1,2 см/сек), наличием восходящих движений воздуха, которые не только поддерживают облачные частицы, но и вместе с турбулентными движениями обеспечивают приток водяного пара и способствуют зарождению новых частиц.
Можно управлять некоторыми процессами в О., искусственно изменяя их фазовое состояние и микроструктуру. Наибольшие успехи достигнуты в рассеивании переохлажденных О. и туманов, в воздействии на градоопасные О. в целях предотвращения градобитий (см. Град). Для рассеяния переохлажденных О. и туманов в них вносятся (с помощью специальных наземных установок-генераторов или с самолёта) хладореагенты (частицы сухого льда - твёрдой углекислоты) или частицы ледообразующих веществ (йодистое серебро, йодистый свинец и др.), способствующие образованию в О. достаточного количества кристалликов льда, которые затем укрупняются и выпадают из облаков. При этом упругость водяного пара в О. понижается, капли испаряются и наступает рассеяние О. (тумана). Таким методом рассеивают туманы и низкие О. над взлётно-посадочными полосами в аэропортах. Время и место внесения реагентов определяются с помощью специальных метеорологических радиолокационных станций. О. могут быть искусственно созданы с помощью тепловых источников конвекции - метеотронов - или с помощью внесения дополнительной влаги. Так, при сгорании 1 кг керосина образуется около 1,2 кг водяного пара. Этого обычно достаточно для образования конденсационных следов за самолётами, летящими на высоте 8-12 км. Длительность существования таких следов зависит от влажности атмосферы.
Ведутся активные поиски способов искусственного регулирования и перераспределения осадков. Большая природная изменчивость количества естественно выпадающих осадков существенно осложняет проблему определения реальной эффективности применяемых методов воздействия. С развитием этих методов всё большее внимание привлекают экономические, юридические и социальные аспекты проблемы искусственного воздействия на погоду.
Основные формы облаков и их характеристика
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Формы облаков, их | Размеры облаков | Преимущественное | Время | Максимальные | Виды осадков |
| латинские названия и |----------------------------------------------------------------------| фазовое строение | жизни | вертикальные | у земли |
| обозначения | высота | Толщина, | Горизонтальная | | облака | скорости | |
| | нижней | км | протяжённость, км | | | | |
| | границы, | | | | | | |
| | км | | | | | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Слоистообразные облака |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Слоистые, Stratus | 0,1-0,7 | 0,1-1,0 | 10-103 | капельные | сутки и | десятки см/сек | отсутствуют |
| (St)……………………. | 0,4-2,0 | 0,1-1,0 | 10-103 | капельные | более | » | или морось |
| Слоисто-кучевые, | 2-6 | 0,1-0,8 | 10-102 | капельные, | » | » | то же |
| Stratocumulus (Sc)…. | 6-9 | 0,2-1,0 | 10-102 | смешанные | » | » | отсутствуют |
| Высоко-кучевые, | 0,1-1,0 | 1-10 | 10-103 | кристаллические | » | » | отсутствуют |
| Altocumulus (Ac)…… | 3-6 | 0,5-3 | 10-103 | смешанные | » | » | дождь, снег |
| Перисто-кучевые, | 5-9 | 0,5-5 | 10-103 | смешанные, | » | » | дождь, снег |
| Cirrocumulus (Cc)….. | 6-10 | 0,2-3 | 10-103 | кристаллические | » | » | отсутствуют |
| Слоисто-дождевые, | | | | кристаллические | » | | отсутствуют |
| Nimbostratus (Ns)….. | | | | кристаллические | | | |
| Высоко-слоистые, | | | | | | | |
| Altostratus (As)……… | | | | | | | |
| Перисто-слоистые, | | | | | | | |
| Cirrostratus (Cs)…….. | | | | | | | |
| Перистые, Cirrus | | | | | | | |
| (Ci)……………………. | | | | | | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кучевообразные облака |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кучевые, Cumulus | 0,8-2,0 | 0,3-3 | 1-5 | капельные | десятки | 1 м/сек | отсутствуют |
| (Си)......………………. | 0,8-2,0 | 3-5 | 2-10 | капельные | минут | 10 м/сек | отсутствуют |
| Мощно-кучевые, | 0,4-1,5 | 5-12 | 5-50 | смешанные | » | 15-20 м/сек | ливень, град |
| Cumulus Congestus (Cu | | | | | » | | |
| Cong.)..………….. | | | | | | | |
| Кучево-дождевые, | | | | | | | |
| Cumulonimbus (Cb).. | | | | | | | |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Лит.: Атлас облаков, под ред. А. X. Хргиана, Л., 1957; Физика облаков, под ред. А. Х. Хргиана, Л., 1961; Шметер С. М., Физика конвективных облаков, Л., 1972; Труды VIII Всесоюзной конференции по физике облаков и активным воздействиям, Л., 1970; Изменение погоды человеком, пер. с англ., под ред. И. П. Мазина, М., 1972; Mason В. J., The physics of clouds, Oxf., 1957; Proceedings of the International conference on cloud physics, Toronto, August, 1968, Toronto, 1968.
И. П. Мазин.
Группа кучево-дождевых облаков (Cb) на фоне высоко-кучевых (Ac) (снимок с самолёта).
Кучево-дождевое облако (Cb) (снимок с самолёта С. М. Шметера).
Средние и мощные кучевые облака (Cu med., Cu Cong.).
Кучевые облака хорошей погоды (Cu hum.).
Высоко-кучевые облака.
Высоко-кучевые облака (Ac).
Высоко-слоистые облака (As), снимок Ёдзо Ито (Япония).
Слоисто-кучевые облака (вид с земли).
Вид сверху на слоисто-кучевые облака. В верхней части снимка видны высоко-слоистые облака, сквозь которые просвечивает солнце (снимок с самолёта).
Слоисто-кучевые облака (Sc) (снимок с самолёта).
Перисто-кучевые облака (Cc tract.) - след за самолётом.
Перистые когтевидные облака (Ci unc.).