Раздел 3. Облака и осадки

Облака и причины их образования. Международная классификация облаков. Атмосферные осадки, их виды.

3.1 Конденсация и сублимация водяного пара. Туманы и дымки

В атмосфере постоянно происходит как испарение воды, так и переход из газообразного её состояния в жидкое и твердое. Конденсация — переход воды из газообразного в жидкое состояние. При конденсации в атмосфере образуются мельчайшие капли диаметром порядка нескольких микрометров. Более круп­ные капли образуются путем слияния мелких капель или в результате таяния ледяных кристаллов.

Конденсация начинается, если воздух достигает насыщения, а это чаще всего происходит в атмосфере при понижении температуры. Водяной пар с понижением температуры до точки росы достигает состояния насыщения. При дальнейшем пониже­нии температуры избыток водяного пара сверх того, что нужно для насыщения, переходит в жидкое состояние. Охлаждение воздуха чаще всего происходит адиабатиче­ски вследствие его расширения без отдачи тепла в окружающую среду. Такое расширение происходит преимущественно при подъеме воздуха. Известно, что пока воздух не насыщен, он охлаждается адиабатически на 1⁰С на каждые 100 м подъема. Таким образом, для воздуха, не очень далекого от насыщения, вполне достаточно подняться вверх на несколько сотен метров, в крайнем случае на одну-две тысячи метров, чтобы в нем началась конденсация.

При формировании туманов главной причиной охлаждения воздуха является уже не адиабатический подъем, а отдача тепла из воздуха земной поверхности.

В атмосферных условиях происходит не только конденса­ция, но и сублимация — образование кристаллов, переход водяно­го пара, минуя жидкую фазу, в твердое состояние. Этот процесс происходит при очень низких температурах, ниже – 40°С. Твердые осадки, выпадающие из облаков, обычно имеют хорошо выраженное кристалличе­ское строение; всем известны сложные формы снежинок — шестилучевые звездочки с многочисленными разветвлениями. В облаках и осадках обнаруживаются и более простые формы кристаллов, а также замерзшие капли. Кристаллы возникают и на земной поверхности при отрицательных температурах (иней, изморозь и др.).

Образование капель при конденсации в атмосфере всегда происходит на так называемых ядрах конденсации. Если зародыш капли возникает без ядра в виде комплекса молекул, он оказывается неустойчивым: молекулы тут же разлетаются снова. Роль ядра конденсации заключается в том, что оно вследствие своей гигроскопичности увеличивает устойчивость образовавшего­ся зародыша капли. Если воздух искусственно освободить от ядер конденсации, то конденсации не будет даже при большом пересыщении. Однако ядра конденсации в атмосфере всегда есть, поэтому сколько-нибудь значительных пересыщений не наблюда­ется. Аэрозольные примеси к воздуху в значительной части могут служить и ядрами конденсации.

Важнейшими ядрами конденсации являются частички растворимых гигро­скопических солей, особенно морской соли, которая всегда обнаруживается в воде осадков. Частички попадают в воздух в больших количествах при волнении моря и разбрызгивании морской воды и при последующем испарении капель в воздухе. Солевые и вообще гигроскопические ядра попадают в атмосферу и при распылении почвы. Облачные ядра конденсации имеют размер 10^-7 – 10^-6 м, именно эти ядра обеспечивают конденсацию в атмосфере. Ядра конденсации вследствие своей незначительной массы не оседают сами и переносятся воздушными течениями на большие расстояния. Вследствие гигроскопичности они часто плавают в атмосфере в виде мельчайших капелек насыщенного соляного раствора. При повышении относительной влажности капельки начинают расти, а при значениях влажности около 100% они превращаются в видимые капельки облаков и туманов.

Число ядер конденсации в 1 см³ воздуха у земной поверхности достигает тысяч и десятков тысяч. С высотой число ядер быстро убывает. На высоте 3—4 км уже только сотни ядер конденсации.

Одно время предполагали, что развитие ледяных кри­сталлов в атмосфере происходит на особых ядрах сублимации. Теперь считается, что сначала образуются ледяные зародыши на инородных частицах. При достаточно низких отрицательных температурах капли замерзают при взаимодействии с ледяным зародышем и дальше на них уже развиваются кристаллы. Поэтому все частицы, на которых образуются ледяные зародыши, называют ядрами льдообразования или ледяными ядрами. В настоящее время можно считать твердо установленным, что в атмосферных условиях образование ледяного зародыша за счет сублимации значительно менее вероятно, чем за счет замерзания.

В результате конденсации и сублимации водяного пара в атмосфере образуются дымки, туманы, облака и осадки, сказывающиеся на характере погоды и осложняющие работу гражданской авиации.

Воздух часто представляется замутненным вследствие наличия в нем различных примесей и мельчайших продуктов конденсации. Примеси рассеивают проходящий свет и приводят к ухудшению видимости. Если помутнение воздуха невелико (дальность видимости 1 —10 км), оно называется дымкой. Помутнение вызывают микроскопические частицы — капли (или кристаллы) и пылинки. Помутнение на высоких уровнях придает небесному своду белесоватость. Обычно дымка наблюдается у земной поверхности. Отсюда она распространяется на более или менее значительную высоту вверх. Дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает дальность видимости, т. е. расстояние, на котором различимы очертания предметов.

Если диаметр рассеивающих частиц меньше длины световых волн (радиус - десятые доли микрометра), то дымка окрашива­ет отдаленные предметы в синий цвет, как бы обволакивает их голубой вуалью. Белым или светящимся отдаленным предметам (диск солнца, облака, снежные горы) она придает желтоватую окраску. При более значительных размерах рассеивающих частиц дымка принимает белесоватый или сероватый оттенок.

При более крупных продуктах конденсации и при большей их концентрации у земной поверхности дальность видимости может стать менее 1 км. В таких случаях говорят уже не о дымке, а о тумане. Туманом называют скопление продуктов конденсации (капель, кристаллов или тех и других) у земной поверхности и связанное с ним сильное помутнение воздуха, при котором дальность видимости становится менее 1 км. По интенсивности туманы подразделяются на очень сильные (видимость менее 50 м), сильные (50-200 м) и слабые (500 – 1000 м). Очень сильные туманы с видимостью менее 50 м представляют один из видов особо опасных явлений для всех видов транспорта.

Для образования тумана необходимо, чтобы увеличилось общее влагосодержание воздуха при данной температуре, либо чтобы понизилась температура воздуха до температуры конденсации содержащегося в нем пара. Увеличение влагосодержания индивидуальной массы воздуха может произойти или за счет испарения воды с земной поверхности и испарения капель выпадающих осадков, или вследствие горизонтального и вертикального перемешивания воздуха. Понижение температуры воздуха может быть обусловлено тремя основными физическими причинами: радиационным выхолаживанием; теплообменом с соседними массами воздуха и земной поверхностью; адиабатическим расширением воздушной массы при её подъёме.

Туманы охлаждения образуются за счет охлаждения воздуха ниже точки росы. Эти туманы в зависимости от причины, приводящей к понижению температуры делятся на радиационные, адвективные, адвективно-радиационные и др. Радиационные туманы появляются в ясные, тихие ночи вследствие отдачи тепла подстилающей поверхностью и охлаждению её и прилегающих к ней слоев воздуха. Толщина слоя воздуха, в котором образуется туман, колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров, а иногда и до 100 – 200 м. Наиболее низкая температура бывает у земной поверхности, поэтому здесь наибольшая плотность тумана, хуже видимость в нем. С высотой плотность тумана уменьшается, видимость улучшается. Радиационные туманы чаще всего образуются в холодную половину года в барических гребнях и центральных частях антициклонов. Они обычно возникают в низких местах (в поймах рек, над болотами, в котловинах), куда стекается более холодный воздух. По этой причине площади, занятые туманом, как правило, невелики.

В теплое время года, особенно летом, радиационные туманы бывают редко, поскольку за короткую ночь воздух не успевает достаточно охладиться. Сравнительно непродолжительные радиационные туманы в это время года образуются вследствие увлажнения воздуха, вызванного дождем, и последующего его радиационного охлаждения при безоблачной ночи. По мере прогрева подстилающей поверхности, особенно после восхода солнца и усиления ветра, радиационные туманы рассеиваются, иногда приподнимаясь и образуя разорванно-слоистые облака. Радиационные туманы часто образуются в крупных городах с развитой индустрией, поскольку здесь при сгорании топлива в атмосферу выбрасывается немало водяного пара, а индустриальные примеси являются ядрами конденсации, что в совокупности и создает благоприятные условия возникновения тумана. При ветрах, имеющих направление от города в сторону аэропорта, особенно в холодную половину года, туманы более вероятны, чем при других направлениях ветра.

Адвективные туманы возникают в относительно теплом и влажном воздухе, перемещающемся над холодной подстилающей поверхностью (адвекция – горизонтальное перемещение воздуха), особенно часто – у берегов морей в холодную половину года, в теплых секторах циклонов, когда воздух с теплой водной поверхности поступает на сушу, покрытую снегом. Для таких случаев характерна приземная инверсия, поскольку наибольшее охлаждение воздуха в его приземном слое. Туман образуется вначале у земной поверхности, распространяясь затем до верхней границы инверсии (иногда до 1,5- 2  км) и нередко сливаясь со слоистыми облаками. Адвективные туманы могут возникать в любое время суток. Скорость ветра при них обычно 3 – 7 м/с, а иногда и до 18 м/с. Они занимают большие площади и могут задерживаться на длительное время, иногда до нескольких суток, создавая серьезные помехи для работы авиации.

Основными физическими характеристиками туманов являются агрегатное состояние его частиц, их размер, количество в единице объема. распределение температуры в тумане, его водность. При положительных температурах туман состоит из капель. Размеры капелек тумана бывают различные от 1 до 50-60 мкм радиусом. При не слишком низких отрицательных температурах он также состоит из переохлажденных капель. Только при температурах около - 10°С и ниже в тумане наряду с каплями появляются кристаллы, и он становится смешанным, подобно смешанным облакам. При очень низких температурах туман может быть целиком кристаллическим; однако наблюдались случаи капельно­жидкого тумана даже при температурах ниже — 30°С.

При слабом тумане содержится 50-100 капелек в 1 см³, а при сильном (при видимости 200 м) 500-600 капель в 1 см³. Водность тумана – количество капельножидкой и кристаллической влаги в граммах, содержащейся в 1 м³ воздуха. При низких температурах водность варьирует в пределах 0,05 – 0,1 г/м³, а при положительных – от 1 до 1,5 г/м³.

Характер температуры и её распределения существенно влияет на агрегатное состояние продуктов конденсации, на размер капель и кристаллов, их концентрацию в единице объема, а также на условия их образования, устойчивость туманов и их рассеяние.

Туманы распределяются неравномерно, что связано с особенностями преобладающих воздушных масс, их влагосодержанием, характером температуры, положением пункта наблюдения над уровнем моря и другими факторами.