3.Утворення дощу та снігу

Хмару можна розглядати як колоїдну систему, дисперсійним середовищем якої є повітря. Якщо в такій системі частки довго знаходяться в завислому стані, то такий розчин можна вважати термодинамічно (колоїдно) стійким. Якщо ж частки збільшуються та випадають у вигляді опадів, то термодинамічна (колоїдна) стійкість його порушується. Таким чином, випадіння опадів з хмари залежить від ступеню його термодинамічної (колоїдної) сталості, яка, в свою чергу, пов’язана з характером і типом хмарних елементів. Однорідні хмари, що складаються тільки з крапель або тільки з водяних кристалів, термодинамічно (колоїдно) стійкі. Особливо велика сталість такої хмари, якщо в ній всі хмарні елементи мають однаковий розмір.

Хмари Cu, St, Sc, Ac (див. додаток 1) найчастіше складаються з дрібних крапель води, і в такому випадку опади не випадають. Однак за певних умов термодинамічна стійкість цих хмар порушується, і з них можуть випадати опади. Наприклад, конвективні хмари Cu cong (див. додаток 1) в середніх широтах мають вертикальну потужність 2-3 км і опадів не дають; в тропічних широтах вертикальна потужність таких водяних хмар може досягати 6-7 км. Краплі за час падіння в такій хмарі можуть досягти значних розмірів, тому там створюються сприятливі умови для збільшення хмарних часток та випадіння дощу. Слід зазначити, що при польотах було відмічено неодноразові випадки випадіння опадів з водяних хмар і в помірних широтах, але до землі такі опади не доходять.

Хмари St та Sc (див. додаток 1) найчастіше є термодинамічно (колоїдно) стійкими. Вертикальна потужність їх мала, тому краплі великого розміру в таких хмарах утворюватися не можуть. Інколи з St та Sc (див. додаток 1) хмар випадають опади у вигляді дрібних крапель мряки. Пояснюється це тим, що такі хмари можуть існувати порівняно тривалий час, а конденсаційне зростання елементів в них призводить до утворення більш великих крапель. Оскільки в цих хмарах слабкі висхідні потоки, краплі, що утворилися, можуть випадати з них у вигляді опадів.

Льодяні хмари верхнього ярусу – Ci, Cc, Cs (див. додаток 1) – однорідні за своєю структурою та мають малий запас водяної пари. Тому вони темодинамічно (колоїдно) стійкі і зазвичай опадів не дають. В зимовий час до льодяних хмар відносять хмари середнього ярусу. В таких хмарах запас вологості значно більший, ніж в хмарах верхнього ярусу, та в них має місце перенасиченість по відношенню до льоду навіть при відносній вологості 100% та менше. Тому в льодяних хмарах середнього ярусу може відбуватися субліматичне зростання кристалів та замерзлих крапель. В цих же хмарах можливе утворення сніжинок. Вони утворюються в результаті сублімації водяної пари на льодяних кристалах у вигляді пластинок. Такий кристал, оточений водяною парою, при чому поблизу кристалу концентрація водяної пари менша ніж на деякій відстані від нього, оскільки частина пари вже перейшла на кристал. Таким чином, навкруги кристалу можна провести ряд концентричних поверхонь, що відповідають різній концентрації водяної пари (рис. 1а).

Рис. 1 Утворення сніжинки

Чим далі від кристалу знаходиться така поверхня, тим більше концентрація в ній водяної пари. Частинки водяної пари будуть намагатись переміщуватись із областей з більшою концентрацією пари в області з меншою концентрацією, тобто в сторону кристала. При цьому осідання водяної пари буде відбуватись, в першу чергу, на кутах пластинки, а через деякий час льодяна пластинка буде мати форму зірочки (рис. 1б). В подальшому сублімація водяної пари відбувається на виступаючих частинах зірочки, в результаті чого утворюються променеві нарости, і кристал перетворюється на сніжинку (рис. 1в). Далі сніжинки при зіткненні зчіплюються між собою, утворюючи сніжні пластівці. Останні, завдяки опору повітря, падають з малою швидкістю та виростають до досить великих розмірів. Таким чином, в льодяних хмарах середнього ярусу створюються сприятливі умови для випадіння опадів. Ці хмари іноді можуть утворювати помірний сніг. До найбільш термодинамічно (колоїдно) нестійких хмар відносяться змішані хмари Cb, Ns (див. додаток 1). Вони мають найчастіше велику вертикальну потужність. В верхніх своїх частинах вони складаються з льодяних кристалів, а в нижніх – з водяних крапель. Між рівнем нульової ізотерми та верхньою льодяною частиною хмари знаходиться потужний перехідний шар, в якому одночасно співіснують переохолоджені краплі та льодяні кристали. Якщо переохолоджених крапель в хмарі більше ніж кристалів льоду, то для останніх створюються особливо сприятливі умови їх сублімаційного зростання. Сніжинки, що падають в хмарі, потрапляючи в область, що затягнена водяними хмарами, починають швидко збільшуватись за рахунок переносу на них вологості з рідинних елементів хмар і падають швидше. При взаємному зіткненні вони злипаються в крупні пластівці снігу. Такі сніжинки мають більші поперечні розміри, ніж краплі тієї ж маси. Спускаючись в шар з температурами вище нуля, сніжинки тануть та перетворюються на великі краплі, які випадають на земну поверхню у вигляді дощу. Таким чином, в змішаних хмарах опади завжди утворюються у вигляді твердих елементів, які при своєму розтаванні перетворюються на дощові краплі. При температурах нижче нуля повітря в шарі між хмарами та земною поверхнею зі змішаних хмар опади випадають на земну поверхню у вигляді снігу.

В змішаних хмарах опади утворюються навіть при порівняно незначній їх потужності. Так, наприклад, As хмари (див. додаток 1), що мають малу вертикальну потужність, майже завжди дають опади. Зимою з них випадає слабкий сніг. Влітку та навесні сніжинки тануть та перетворюються на мілкі краплі дощу. Однак зазвичай ці краплі випаровуються, не досягаючи земної поверхні. При цьому спостерігаються так звані смуги падіння (virga).