Туманы и облака

11. Туманы В результате конденсации и сублимации водяного пара в атмосферном воздухе образуются мельчайшие капли воды или кристаллы льда. Скопление таких частиц у земной поверхности, которое вызывает уменьшение дальностивидимости <1км, называетсятуманом. Если видимость за счет продуктов конденсации уменьшается до>1км, но <10 кмто такое явление называетсядымкой. В случае если такое уменьшение видимости связано не с продуктами конденсации, а с пылью, то оно называетсямглой. Существует несколько классификаций туманов, во-первых, по происхождению

– туман охлаждения(возникает в результате охлаждения воздуха). Они в свою очередь подразделяются на туманы радиационные, адвективные, туманы восхождения.

- туманы испарения(возникают когда температура поверхности выше температуры воздуха);

- туманы смешения(смешивание воздушных масс, имеющих различную температуру и влажность); -смоги.Интенсивностьтуманов зависит от условий видимости в нем: сильный - <50м, умеренный - от 50 до 500м, слабый - от 500 до 1000. Микроструктура тумана зависит в основном от температуры воздуха: капельно-жидкий при положительных температурах; при отрицательных температурах – из переохлажденных капель и кристаллов. Размеры частиц тумана: не более 2-5мкм и в основном менее1мкм.

1.12. Облака и условия их формирования

Если продукты конденсации, снижающие видимость, находятся на некоторой высоте над поверхностью, то такое явление называется облаком. Они образуются как туманы в результате охлаждения воздуха и последующей конденсации (сублимации) водяного пара.Причинами охлаждения воздуха являются:

- вертикальное движение(адиабатические процессы; восходящие токи термической конвекции; крупномасштабные движения на фронтах и при подъеме воздуха вдоль склонов возвышенности, гор); -турбулентное перемешивание (за счет него вверх дополнительно переносится водяной пар и теплый воздух. Наиболее благоприятные условия для охлаждения воздуха наблюдаются при инверсиях;

- радиационное выхолаживание(за счет излучении отдельных слоев воздуха, содержащих большое количество водяного пара и различных инородных частиц, охлаждения их и конденсации).

Существуют различные классификации облаков. Международная шкала (классификация) облаков, морфологическая, предусматривает выделение 10 родов, нескольких видов и разновидностей. Одна из нихгенетическая, которая выделяет классы облаков от условий их образования:кучевообразные, слоистообразные,волнистообразные.

Кучевообразные (Cu,Cb).Они образуются в результате 2-х основных процессов: термической конвекции и турбулентного обмена. Днем над сушей перегретые воздушные массы при неустойчивой стратификации быстро перемещаются вверх и быстро охлаждаются по сухоадиабатическому градиенту. При достижении точки росы (уровень конденсации) начинает формироваться нижняя граница облаков. Высота этого уровня определяется по формуле ФерреляZ_k=122*(T₀-τ₀) илиZ_k=22*(100-f₀). Дальнейшее поднятие воздуха осуществляется по влажно адиабатическому градиенту, до тех пор, пока температура окружающего воздуха и поднимающейся массы не сравняются. Этот уровень является верхней границей облаков (уровень конвекции). Его можно определить по аэрологической диаграмме в т очке пересечения кривых стратификации и состояния.

Формирование облака происходит следующим образом: в результате термической конвекции образуются «термики» и «конвективные струи», которые, дойдя до уровня конденсации образуютплоскоекучевоеоблако. Затем это облако растет по вертикали, как конвективная ячейка.Cbсостоит из множества таких ячеек.

Слоистообразные (Cs, St, As, Ns). Они формируются в результате 2-х основных процессов крупномасштабных вертикальных движений на фронтах и турбулентного обмена в пограничном слое, при устойчивой стратификации. Слоистые облака (St) образуются в основном за счет турбулентного обмена.

Волнистообразные(Сс,Aс,Sc). Их образования могут вызывать волновые движения например гравитационные волны Гемгольца. В этом случае наблюдается прохождение друг под другом 2 потоков воздуха: вверху теплый, внизу холодный. На их границе и возникают волны, в гребнях которых восходящие потоки образуют облачные поля. А там где нисходящие движения образуются просветы.

По агрегатномусостоянию облака делятся на три группы

- капельно-жидкие - ледяные (кристаллические)

- смешанные. Капельно-жидкие(St,Sc,Cuи др.) расположены обычно ниже нулевой изотермы. Их водность сравнительно высокая, размеры капель от 1 до 20 мкм, причем максимальные размеры выше середины облака.

Ледяные(кристаллические) (Ci,Cc,Cs) они формируются при температурах ниже -40С⁰, как обширные фронтальные системы, а так же как остаткиCb. Водность их самая низкая. Форма кристаллов – 6-уголные призмы длина их до мм и больше.Смешанные(Сb,Ns,Ac,As) они образуются как в области фронта, так и за счет турбулентного обмена. Температура воздуха в них, как правило, ниже -12⁰С. Состоят из переохлажденных капель и кристаллов. Водность высокая, размер капель от 2 до 100мкм.

Глобальное распределениеоблачности по территории: 2 максимума (экватор и умеренные широты) и два минимума субтропические и высокие широты с максимальным давлением.

Годовой ходоблачности: максимум - летом, минимум - зимой (над континентами).Суточный ход(над сушей):max– днем,min– ночью.

Осадки

1.13 Классификация осадков

Это – все виды воды, выпадающие из атмосферы на земную поверхность, или осаждающиеся на ней непосредственно из воздуха.

Количественными характеристикамиосадков являются:масса водыза ед. времени;продолжительность и интенсивностьвыпадения.Количествоизмеряетсятолщиной слояосадков в мм, выпавших на горизонтальную поверхность при отсутствии просачивания, испарения и стока (1мм соответствует 1 кг осадков наS=1м²). Измеряются осадки с помощьюосадкомеров. Продолжительностьвыпадения – это время от начала до прекращения осадков, фиксируется наблюдателем илиплювиографом. Интенсивность– это отношение количества к продолжительности осадков. Измеряется плювиографом в мм/мин, мм/час.

Существует несколько классификаций осадков. Морфологическая подразделяет осадки по внешнему виду и агрегатному состоянию:

- твердые(снег, снежная крупа, снежные зерна, ледяная крупа, град, ледяной дождь, ледяные иглы);

- жидкие(дождь, морось);

- смешанные(мокрый снег, ледяная крупа и дождь и т.д.).

Генетическая классификация отражает условия образования и выпадения осадков. Выделяет 3 класса:

- обложныеосадки (наиболее продолжительные, занимающие большие площади, средней интенсивности 0,6-3 мм/ч, в виде дождя, снега, мокрого снега. Чаще всего связаны с теплым фронтом и облакамиNs-As);

- ливневыеосадки (продолжительность и территория минимальные, интенсивностьmax– более 3мм/ч, в виде крупнокапельного дождя, иногда с градом, зимой – в виде обильных снегопадов, снежной или ледяной крупы; образование связано с термической конвекцией и динамической конвекцией на холодных фронтах, выпадают из облаковCb).

- моросящиеосадки (продолжительные, занимают большие территории, интенсивность минимальная – мене 0,6 мм/ч. Выпадают в виде мороси или ледяных игл. Формируются в результате турбулентного переноса водяного пара в пограничном слое и радиационного излучения верхней границы облаковSt, режеSc. Иногда не достигают земли, так как испаряются.

Кроме атмосферных осадков выделяют и наземные. К ним относятсяроса, иней жидкий и твердый налет, гололед, изморозь.Роса– жидкие осадки в виде капель на растениях, крышах и др. предметах. Образуется ночью при охлаждении поверхности до точки росы. Если температура точки росы отрицательная образуется иней – снеговидный налет. Роса может давать слой осадков от 10 до 50 мм за год.

Жидкий и твердый налет. Это явление, связанное со сменой погоды (резкое потепление), образуется на вертикальных предметах. Теплый воздух и водяной пар конденсируются на холодных каменных, металлических предметах. В результате на стенах образуется водяная пленка или твердый налет до нескольких мм. Погода пасмурная, суточного хода температуры нет.

Изморозь– представляет собой белый рыхлый осадок на ветвях деревьев, проводах. Образуется в результате намерзания капель тумана (зернистая изморозь). Иногда образуется в морозную погоду при тумане, когда в воздухе ледяные иглы. В этом случае в процессе сублимации образуется твердая (кристаллическая) изморозь. Изморозь может наблюдаться в любое время суток (в отличие от инея) (нчью).

Гололед– это покрытие поверхности или предметов плотным слоем льда. Образуется во времяморосиили дождя при температуре воздуха от 0 до -7⁰С в результате замерзания осадков (в отличие от твердого налета его образование связано с атмосферными осадками).

1.14. Рост капель в облаках

Обычно облачные элементы имеют размеры от нескольких мкм до десятков мкм. Они настолько малы, что находятся в атмосфере во взвешенном состоянии. Для того, чтобы выпали осадки эти частички должны вырасти и увеличится в 500-1000 раз. В этом случае сила тяжести их будет больше силы восхождения вертикальных движений.

Рост капель в облаках происходит за счет двух основных процессов: конденсации (сублимации) и коагуляции, т.е. в результате слияния различных по размеру капель. В начальной стадии роста капель наибольший вклад в укрупнение вносит конденсация (сублимация): , где- скорость роста капли, С_конд= 1,74*10^-7см²/гПа*с, Е_к– максимальная упругость насыщения у поверхности капли,r₀– радиус капли,T₀= 273⁰,T– температура воздуха.

Из этой формулы видно, что конденсационному росту капли благоприятны следующие условия: величина перенасыщения пара (e-E_k), малые начальные радиусы капли и низкие температуры воздуха. В связи с этим расчеты показывают, что за счет процесса конденсации капли через несколько секунд могут увеличится в 2-3 раза, однако в дальнейшем рост сильно замедляется. Поэтому для существенного роста капли за счет данного фактора до размеров дождя необходимо несколько суток., где ∆f=e-E_kпересыщение. За такой период облако обычно распадается. Реально только за счет процесса конденсации капля может вырасти примерно до 50 мкм, что недостаточно для выпадения осадков.

Важным фактором роста капли кроме конденсации является процесс коагуляции, т.е. слияния их во время столкновения. Этот процесс может происходить за счет разных причин, а именно:

1. За счет гравитационной коагуляции, т.е. когда большая по весу капля, падая, догоняет другую, сталкивается и сливается с ней. Этот вид коагуляции является основным, его можно описать следующим образом:, где с_грав – коэффициент гравитационной коагуляции, δ^*- водность облака,r₀– начальный радиус капли. Таким образом, скорость гравитационной коагуляции быстро растет с увеличением размера капли. Этот вид роста капель действует на втором этапе после конденсации, когда капля вырастает примерно до 50 мкм. Гравитационная коагуляция способна увеличить капли до размера осадков.

2. Коагуляция за счет турбулентного перемешивания. Слияние капель усиливается, когда в атмосфере наблюдается повышенная турбулентность. Скорость роста капель за счет этого можно описать в виде следующей формулы:, где С_турб– коэффициент турбулентной коагуляции. Из формулы видно, сто рост капель обратно пропорционален начальному размеру капель. Следовательно, как и в случае конденсационного фактора за счет этой коагуляции растут лишь малые капли. Вклад турбулентной коагуляции примерно такой же как и при конденсации.

Теоретическими исследованиями установлено, что помимо трех вышеназванных причин росту капель благоприятствуют и другие: молекулярно-броуновская коагуляция(беспорядочное движение молекул и мельчайших капель и соударения их друг с другом), гидродинамическиесилы притяжения(при движении двух капель относительно друг друга между ними увеличивается скорость движения воздуха и понижается давление - это приводит к сближению капель и способствует коагуляции), а такжеэлектростатическиесилы(разноименно заряженные капли притягиваются). Между тем роль этих причин по сравнению с тремя вышеназванными на порядки меньше. Поэтому уравнение роста капель с учетом вклада наиболее существенных механизмов можно записать в виде:

Подводя итоги вопросу роста капель в облаке, рассмотрим картину этого процесса в динамике. Первоначально, когда r₀мал, восходящие потоки воздуха начинают поднимать каплю от основания облака вверх. На этом этапе рост капли происходит преимущественно за счет конденсации, турбулентной коагуляции и броуновского движения. Через какое-то время капля станет сравнительно тяжелой ее скорость сравняется со скоростью вертикальных токов (v=w) и она остановится. Затем, когдаv>w, она начинает спускаться и продолжает укрупняться, уже за счет гравитационного фактора. Причем укрупнение на этом этапе будет максимальным. Для того, чтобы укрупнение обеспечивало выпадение на землю дождя (радиус капель 1000-1500 мкм) кроме всего прочего необходимо, чтобы путь капли в облаке был достаточно большим. Для этого мощность облака (вертикальная) должна быть 3-4 км.

1.15. Осадки, выпадающие из различных облаков.

Выше было отмечено, что выпадение осадков из облаков главным образом связано с процессами конденсации и коагуляции. Однако теория и практика показывают, что процессы осадкообразования в разных формах облаков протекает не одинаково. Следовательно можно предположить, что существуют и другие причины, которые влияют на образование и выпадение осадков. Кратко рассмотрим эти особенности для облаков, имеющих различное агрегатное состояние.

Водяные облака(St,Sс,Cu).

Конвективные облака (Cu) имеют условия для быстрого появления мелких капель внизу облака. Вертикальные токи в них (5-7м/с) уносят капли вверх и они продолжают укрупняться. Но сравнительно небольшая мощность облаков (2-3 км) не позволяет каплям укрупнится до размеров осадков (>1500 мкм) при таких вертикальных токах (5-7м/с) и по этому в наших широтах эти облака осадков не дают.

Другие водяные облака (St,Sс) имеют и небольшую вертикальную мощность (200-800 м) и небольшие вертикальные токи (<1м/с). Сначала эти облака осадков не дают. Им нужно длительное время, чтобы капли выросли до мороси или мелкого дождя. Поскольку эти облака действительно существуют значительно дольше, чем конвективные, то в конце-концов капли вырастают до 200-300 мкм и, преодолевая слабые вертикальные токи, выпадают на землю.

Водяные облака фронтального происхождения (Ns,As) летом имеют большую вертикальную мощность (до 5 км) и сравнительно большие вертикальные токи (до 4-5 м/с). Поскольку они к тому же продолжительны, то капли успевают укрупниться до 500-700 мкм и выпасть на землю в виде сравнительно крупного дождя.

Ледяные облака. Чисто ледяные облака (Ci,Cc,Cs) осадков не дают. Однако зимой, а иногда и летом, ледяными являются облака среднего яруса (As). В них имеются более благоприятные условия для выпадения осадков, чем в водяных при прочих равных условиях:

а) из-за того, что Е_л<E_в конденсация может происходить приf≤100%.

б) если f= 100%, то в облаке относительно кристаллов создается перенасыщение особенно приt= -12⁰С , когда рост кристаллов особенно интенсивен. В этом же случае выпадают кристаллы в виде красивых звездочек.

в) при одной и той же массе каплями кристаллы имеют большую площадь захвата, поэтому их коагуляционный рост более благоприятен.

г) условия для испарения кристаллов хуже чем у капель, т.к. они сохраняют оптимальный (ниже 0⁰) температурный режим до тех пор пока полностью не растают.

Из-за перечисленных причин зимой из Asпри ∆z> 500 м выпадают крупные снежинки в виде умеренных осадков с интенсивностью 1-2 мм/ч.

Смешанные облака(Cb,Ns). Они неоднородны по своему агрегатному состоянию. Кристаллы падая из верхней части облака в нижнюю часть, где находятся переохлажденные капли, нарушают фазовое равновесие. Создается перенасыщение около кристаллов. Пар сублимирует на кристаллах. Влажность в облаке уменьшается и начинается испарение переохлажденных капель, что усиливает перегонку пара на кристаллы. Они очень быстро растут и выпадают в виде града. Этому способствует и очень большая мощность облаков (до 8-10 км). Если мощность облака невелика, то все равно выпадают осадки, летом в виде обильного дождя, зимой – обильного снега.

1.16. Искусственное воздействие на облака и туманы.

Долгое время считалось, что искусственное влияние на атмосферные процессы невозможно, т.к. предполагалось, что для воздействия нужна энергия сопоставимая с энергией в атмосфере. Действительно, энергия атмосферных процессов колоссальна. Например, чтобы изменить направление ветра в пределах одной лишь административной области природа «расходует» столько энергии, сколько ее вырабатывают все электростанции мира. Однако в последствии выяснилось, что атмосферные процессы как и многие другие природные системы часто находятся в неустойчивом состоянии. Поэтому в таких случаях достаточно небольшого воздействия и процесс может пойти в нужном направлении (например, когда состояние лавин или оползней неустойчиво, достаточно иногда громко крикнуть и начнется их исход).

В настоящее время используют несколько способов воздействия на облака и туманы. В основе их лежит воздействие на неустойчивость фазовых состояний воды, на коллоидную неустойчивость системы облачных капель и на термическую неустойчивость атмосферы. Для этого облака и туманы засеивают специальными реагентами.

Одним из наиболее распространенных реагентов является твердая углекислота СО₂. Она вызывает замерзание капель, выпадение дождя и рассеивание облака. Другим реагентом является йодистое сереброAgJ, которое действует подобным образом, образует множество микроскопических кристаллов и препятствует образованию крупных градин.

Углекислоту используют и для рассеивания переохлажденных туманов. В аэропортах для этого используют специальные горелки, которые нагревают воздух, что способствует испарению капель тумана. Однако этот метод достаточно дорог.