2.3. Вертикальные движения воздуха

Вертикальная составляющая скорости движения воздуха так или иначе присутствует всегда. Взаимодействие и перемещение различных объемов воздуха носит столь сложный характер, что даже интуитивно понятно: одной лишь горизонтальной плоскости явно недостаточно.

Причины возникновения таких потоков (нас интересуют, в основном, восходящие) можно разделить на пять основных групп:

1. Естественные температурные неоднородности земной поверхности (неравномерный нагрев Солнцем в дневное время, неравномерное остывание в темное время суток, источники тепла в земной коре, теплые течения и источники в водоемах и др.). Объем воздуха, более теплый по сравнению с окружающей воздушной массой, оказывается более легким и всплывает вверх по закону Архимеда.

2. Вторжение холодного атмосферного фронта в более теплую воздушную массу. При этом холодный воздух, будучи более плотным, вытесняет теплый вверх. Отсюда - восходящий поток.

3. Сходимость (конвергенция) воздушных потоков различного масштаба (в частности, глобальных ячеек циркуляции). При взаимодействии встречных потоков воздух вытесняется вверх.

4. Циркуляция воздуха в тропических циклонах. Механизм формирования и поддержки этой циркуляции пока недостаточно изучен.

5. Источники тепла, возникающие в экстремальных ситуациях как природного (извержения вулканов), так и антропогенного происхождения (пожары, взрывы, выбросы атомных электростанций и др.). Это - практически то же, что в п.1, однако сопровождается целым рядом специфических особенностей.

Возможны комбинации вышеперечисленных факторов (наиболее типично сочетание п.1 и п.2).

Это - что касается возникновения. Раз возникнув, вертикальное движение воздуха может развиться, а может, наоборот, ослабеть и исчезнуть. Факторы, благоприятствующие развитию восходящих потоков, следующие:

А. Резкое падение температуры с высотой. Если поднимающийся объем воздуха остывает медленнее, чем окружающий воздух, он оказывается теплее (а, следовательно, легче) последнего и продолжает всплывать вверх по закону Архимеда.

Б. Значительное содержание водяного пара в воздухе. При охлаждении во время подъема пар с некоторого момента начинает конденсироваться (образуется облако). При этом выделяется скрытая теплота конденсации. В результате поднимающийся объем воздуха дополнительно нагревается, и упомянутый закон Архимеда начинает работать с умноженной силой. При замерзании капель или сублимации водяного пара (если образовавшееся облако пересечет изотерму 0°C) происходит аналогичный эффект.

Фактор, упомянутый в пункте Б, наиболее значимый. Именно благодаря этому самые мощные восходящие потоки всегда связаны с конвективными облаками, но не с сухими конвективными потоками.

Оба этих фактора обусловлены текущими параметрами атмосферы, а именно - распределением температуры и влажности с высотой. Если закономерности этого распределения благоприятны для развития восходящих потоков, говорят, что атмосфера конвективно неустойчива. В противном случае (плавное падение температуры или даже ее увеличение с высотой и (или) низкая влажность) атмосфера конвективно устойчива. Наибольшая неустойчивость обычно наблюдается в нижнем, приземном слое атмосферы. С высотой наблюдается тенденция к увеличению устойчивости. Именно поэтому рост конвективных облаков, неразрывно связанных с восходящими потоками, всегда в той или иной степени ограничен по высоте.

Следует отметить, что в некоторых случаях восходящие потоки (а зачастую, как следствие, и облака) развиваются при любых параметрах атмосферы. Например, при наступлении холодного фронта. Это обусловлено тем, что воздух в этом случае постоянно подвергается воздействию внешней силы, направленной вверх. Для возникновения таких потоков благоприятные местные условия не обязательны. Однако в любой ситуации строение атмосферы играет важную роль.

Иначе будет выглядеть картина, если носители заряда какого-то одного знака как следует утяжелить - так, чтобы земное притяжение на них действовало гораздо сильнее, чем восходящий поток. Тогда эти носители будут стремиться вниз, унося с собою заряд одного знака, а заряды противоположного знака будут вместе с легкими частичками переноситься восходящими потоками вверх. Вот тогда-то мы и получим картину, схематически изображенную на рис. 1, и сгенерируем электрическое поле, достаточное для грозового разряда.

Так вот: в роли упомянутых тяжелых носителей выступают атмосферные осадки - всем известные дождевые капельки, градины и снежинки. А осадки образуются исключительно в облаках, в результате укрупнения облачных капелек и кристалликов.

Таким образом мы имеем: осадкообразующее облако, содержащее восходящий поток воздуха. Такое облако называется кучево-дождевым и относится к классу конвективных. В быту оно именуется дилетантским термином «туча».