6.3. Облачность в атмосфере

Облачность в атмосфере образуется и размывается только в пределах тропосферы и является одной из стадий круговорота воды в природе. Влияние ее на тепловой и водный балансы Земли трудно переоценить.

Образование облачности. В пределах тропосферы оно связано с конденсацией водяного пара.

Конденсация в атмосфере. Процесс перехода молекул водяного пара в жидкое состояние принято называть кон­денсацией.

При низких температурах (ниже -30 °С) водяной пар практи­чески сразу переходит в твердое состояние (состояние ледяных кристаллов). Такой процесс называют сублимацией.

Оба процесса могут вызывать ряд метеорологических явлении: облачность, осадки, туман, дымку, мглу. При изучении этих явле­ний необходимо рассмотреть процесс конденсации и условия, при которых он происходит.

Конденсация начинается при достижении воздухом состояния насыщения — относительной влажности 100 %, а дефицита влаж­ности — нуля. Чаще всего это происходит при понижении темпе­ратуры, но иногда и за счет повышения абсолютной влажности при адвективном переносе влажных воздушных масс на более хо­лодную территорию.

При конденсации и сублимации в воздухе образуются соответ­ственно водяные капли и ледяные кристаллы. Однако, для их об­разования и устойчивости в атмосфере необходимы так называе­мые «ядра конденсации», которые служат связующим элементом для молекул воды, создавая определенные условия для возникно­вения силы сцепления водяных капель и кристаллов.

Ядрами конденсации могут быть частицы солей (с поверхности Мирового океана), мельчайшие пылинки с поверхности суши, мельчайшие частицы, оставшиеся от продуктов сгорания, и т. п. Так или иначе атмосфера всегда обладает достаточным количеством ядер конденсации для образования капель и кристаллов.

Облачность. Совокупность капель и кристаллов, кото­рые уравновешиваются силами трения воздушных масс и верти­кальными составляющими вектора их перемещения, образуют об­лака в атмосфере. При этом, если дефицит влажности становится больше нуля (соответственно относительная влажность уменьшается), то облака испаряются и исчезают.

Рис. 6.11. Средние годовые значения, мм/год, испарения с подстилающей поверхности

Когда капли и кристаллы оказываются у земной поверхности во взвешенном состоянии об­разуется туман, то есть влага в облаках может находиться в различ­ных фазовых состояниях. Поэтому в метеорологии облака приня­то характеризовать по микроструктуре. Выделяют следующие той класса.

Капельные, или водяные, облака — их составляющими являются исключительно капли, то есть влага находится в жидком состоя­нии. Такая ситуация складывается, как правило, при температурах не ниже —10 °С, а в некоторых случаях и при более низкой темпе­ратуре. При отрицательных температурах капли в облаках нахо­дятся в переохлажденном состоянии.

Ледяные облака состоят исключительно из ледяных кристаллов температура окружающей среды ниже -30 °С.

Смешанные облака состоят из смеси капель и ледяных крис­таллов, при этом капли в облаках находятся в переохлажденном состоянии. Температура в таких облаках колеблется от —10 до -40°С.

Международная классификация облаков. Фор­ма облаков достаточно разнообразна и во многом зависит от фи­зических процессов, происходящих в тропосфере.

Международная классификация включает 10 родов (форм) облачности. В пределах основных родов можно выделять виды разновидности и разные дополнительные особенности облаков. Однако чаще всего облачность характеризуют основными 10 ее формами:

перистые — Cirrus (Ci);

перисто-кучевые — Cirrocumulus (Cc);

перисто-слоистые — Cirrostratus (Cs);

высококучевые — Altocumulus (Ac);

высокослоистые — Altostratus (As);

слоисто-дождевые — Nimbostratus (Ns);

слоисто-кучевые — Stratocumulus (Sc);

слоистые — Stratus (St);

кучевые — Cumulus (Cu);

кучево-дождевые — Cumulonimbus (Cb).

На метеостанциях метеонаблюдатель при затруднении в опре­делении формы облачности обращается к специальным атласам с соответствующими фотографиями облаков.

Обычно каждый род облаков наблюдается в определенном интервале высот (ярусе) тропосферы. В ее пределах принято выделять три яруса:

нижний ярус всегда характеризуется высотой до 2 км;

верхний ярус с учетом того, что высота верхней границы самой тропосферы переменна как в пространстве, так и во времени, но зависит в первую очередь от широты местности, характеризуется следующими значениями высот: на экваторе и в тропических широтах — 6...18 км, в умеренных широтах — 6...13, в полярных широтах — 3...8 км;

средний ярус характеризуется в пределах следующих границ: на экваторе и в тропических широтах — 2...8 км, в умеренных широ­тах — 2...7, в полярных широтах — 2...4 км.

Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака отно­сятся к верхнему ярусу; высококучевые и высокослоистые — к среднему ярусу, но нередко они проникают и в верхний ярус; сло­исто-кучевые, слоистые и слоисто-дождевые — к нижнему ярусу тропосферы. Хотя слоисто-дождевые могут присутствовать и в других ярусах.

Кучевые и кучево-дождевые облака — облака вертикального развития. Как правило, кучевые облака зарождаются в нижнем ярусе, постепенно увеличиваются в своем размере и при опреде­ленных условиях перерождаются в кучево-дождевые облака. По­этому их нижняя кромка почти всегда находится в нижнем ярусе, а верхняя — в среднем или верхнем ярусах. Наиболее мощные ку­чево-дождевые облака могут развиться в экваториальных широтах от 200...300 м (нижняя кромка) вплоть до верхней границы тропо­сферы, то есть до 18 км.