Образования облаков. Из чего образуются облака и на какие типы делятся Образование облачности
Облака - это совокупность взвешенных в атмосфере водяных капель и ледяных кристаллов, находящихся на некоторой высоте над земной поверхностью. Облака образуются в результате увеличения общего влагосодержания, понижения температуры воздуха или конденсации водяного пара, ниже точки росы. К понижению температуры воздуха и облакообразованию в атмосфере приводят следующие факторы:
- подъем (восходящие движения) воздуха и адвекция;
- излучение и турбулентное перемешивание (вертикальное и горизонтальное).
Но этого недостаточно, в воздухе должны находиться ядра конденсации (или сублимации), на которых начинает осаждаться вода или лед. Ядрами конденсации в морских акваториях могут быть частицы соли, попавшие в воздух вместе с водной пылью и брызгами во время штормов, на суше - это микроскопические частицы пыли и дыма.
Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность в воздухе, содержащем облака, убывает, то облака испаряются. При определенных условиях часть облачных элементов укрупняется и утяжеляется настолько, что выпадает из облака в виде осадков.
Отдельные облака существуют очень короткое время. Например, время существования отдельного кучевого облака иногда исчисляется всего 10-15 минутами. Но даже длительное существование облака не означает, что оно находится в неизменном состоянии. В действительности элементы облака постоянно испаряются и возникают заново. Длительно существует определенный процесс облакообразования; облако же является только видимой в данный момент частью общей массы воды, вовлекаемой в этот процесс. Внешность облаков также обманчива. Если облако не меняет своей высоты, то это еще не означает, что составляющие его элементы не выпадают. Капли в облаке могут опускаться, но, достигая нижней границы облака, они переходят в ненасыщенный воздух и испаряются.
По фазовому состоянию облачных элементов облака делятся на три класса:
· Водяные (капельные) облака , состоящие только из капель воды. Они могут существовать не только при положительных температурах воздуха, но и при отрицательных (-10°С и ниже). В этом случае капли находятся в переохлажденном состоянии.
· Смешанные облака , состоящие из смеси переохлажденных капель воды и ледяных кристаллов. Они могут существовать, как правило, при температурах воздуха от -10 до -40°С.
· Ледяные (кристаллические) облака , состоящие только из ледяных кристаллов. Они преобладают, как правило, при температурах воздуха ниже -30°С.
Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. В современном варианте международной классификации облака делятся на десять основных форм по внешнему виду: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, высококучевые, высокослоистые, слоисто-кучевые, слоистые, слоисто-дождевые, кучевые, кучево-дождевые.
Кроме того, облака классифицируют по высоте:
· Облака верхнего яруса - самые высокие облака тропосферы, образуются на высоте свыше 6 километров, при наиболее низких температурах и состоят из ледяных кристаллов. Эти облака имеют белый цвет, полупрозрачные и мало затеняют солнечный свет. К ним относятся: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые облака.
· Облака среднего яруса - высококучевые и высокослоистые облака, образуются на высоте 2-6 километров. Высококучевые облака представляют собой облачные пласты или гряды белого или серого цвета, состоят из переохлажденных капель. Достаточно тонкие облака, более или менее затеняющие солнце. Высокослоистые облака - светлый, молочно-серый облачный покров различной плотности, застилающий небосвод целиком или частично.
· Облака нижнего яруса - слоисто-кучевые (гряды или слои серых или беловатых облаков), слоистые (однородный серый слой) и слоисто-дождевые облака, образуются на высоте ниже 2 километров. Состоят эти облака из мелких однородных капель. При достаточно низких отрицательных температурах в облаках появляются твердые элементы (ледяные кристаллы, снежные зерна и т.д.). Солнечный диск, просвечивающий сквозь слоистые облака имеет четкие очертания.
· Облака вертикального развития - кучевые и кучево-дождевые, образуются тогда, когда теплый воздух медленно поднимается над землей. Кучевые облака - плотные, с резко очерченными контурами отдельные облака, развивающиеся вверх в виде холмов, куполов и башен. Они состоят из водяных капель (без кристаллов). Кучево-дождевые образуются в результате дальнейшего развития кучевых облаков. Это мощные кучевообразные массы, очень сильно развитые по вертикали в виде гор и башен. Кучево-дождевые облака состоят в верхней части из ледяных кристаллов, в средней - из кристаллов и капель разного размера, вплоть до крупных. Закрывая солнце, они сильно уменьшают освещенность.
С поверхности Земли кажется, что все облака находятся примерно на одинаковой высоте. Однако между ними могут быть огромные расстояния, равные нескольким километрам. Но каковы самые высокие и самые низкие из них? В этом посте есть вся необходимая информация, чтобы стать экспертом по облакам!
10. Слоистые облака (средняя высота - 300-450 м)
Информация Википедии: Слоистые облака - это низкоуровневые облака, характеризующиеся горизонтальной слоистостью с однородным слоем, в отличие от кучевообразных , которые формируются восходящими тёплыми потоками.
Если более конкретно, то термин "слоистые" используется для описания плоских, туманообразных облаков нижнего яруса, цвет которых варьируется от тёмно-серого до почти белого.
9. Кучевые облака (средняя высота - 450-2000 м)
Информация Википедии: "Cumulus" в переводе с латыни означает "куча, груда". Кучевые облака часто описываются как "тучные", "хлопкоподобные" или "пушистые" по своему внешнему виду и имеют плоскую нижнюю границу.
Будучи облаками нижнего яруса, они обычно бывают менее 1000 метров в высоту, только если не являются более вертикальной формой кучевых облаков. Кучевые облака могут появляться сами по себе, линиями или в виде скоплений.
8. Слоисто-кучевые облака (средняя высота - 450-2000 м)
Информация Википедии: Слоисто-кучевые облака принадлежат к разновидности облаков, характеризующихся большими тёмными, округлыми массами, как правило, в виде групп, линий или волн, отдельные элементы которых больше, чем у высококучевых облаков, образуясь на более низкой высоте, обычно ниже 2400 метров.
Слабые конвективные потоки воздуха создают неглубокие слои облаков из-за находящегося выше них более сухого, неподвижного воздуха, предотвращающего их дальнейшее вертикальное развитие.
7. Кучево-дождевые облака (средняя высота - 450-2000 м)
Информация Википедии: Кучево-дождевые облака - это плотные возвышающиеся вертикальные облака, связанные с грозами и атмосферной неустойчивостью, образующиеся из водяного пара, переносимого мощными восходящими воздушными потоками.
Кучево-дождевые облака могут формироваться в одиночку, в виде скоплений или в виде вала со шквалом вдоль холодного фронта. Эти облака способны производить молнии и другие опасные суровые погодные условия, такие как торнадо.
6. Слоисто-дождевые облака (средняя высота - 900-3000 м)
Информация Википедии: Слоисто-дождевые облака обычно порождают выпадение осадков над огромной территорией. Они имеют рассеянную основу, обычно расположенную где-нибудь у близлежащей поверхности на нижних уровнях и на высоте около 3000 метров на средних уровнях.
Несмотря на то, что обычно слоисто-дождевые облака бывают тёмного цвета у основания, они часто подсвечиваются изнутри, если смотреть с поверхности Земли.
5. Высокослоистые облака (средняя высота - 2000-7000 м)
Информация Википедии: Высокослоистые облака - это разновидность облаков среднего яруса, принадлежащих слоеобразной физической категории, которая характеризуется, как правило, однородным слоем, цвет которого варьируется от серого до голубовато-зелёного.
Они светлее, чем слоисто-дождевые облака, и темнее, чем высокие перисто-слоистые. Через тонкие высокослоистые облака можно увидеть Солнце, однако более толстые могут иметь более плотную, непрозрачную структуру.
4. Высококучевые облака (средняя высота - 2000-7000 м)
Информация Википедии: Высококучевые облака - это разновидность облаков среднего яруса, которые принадлежат, преимущественно, стратокучевообразной физической категории, характеризующейся сферическими массами или грядами в слоях или пластинах, отдельные элементы которых больше и темнее, чем у перисто-кучевых облаков, и меньше. чем у слоисто-кучевых облаков.
Однако если слои становятся хлопьевидными из-за повышенной неустойчивости воздушной массы, то высококучевые облака становятся более кучевообразными по своей структуре.
3. Перистые облака (средняя высота - 5000-13.500 м)
Информация Википедии: Перистые облака - это разновидность атмосферного облака, обычно характеризующегося тонкими, нитеобразными волокнами.
Нити облака иногда образуются в пучки характерной формы, известной под общим названием "кобыльи хвосты". Перистые облака обычно имеют белый или светло-серый цвет.
2. Перисто-слоистые облака (средний уровень - 5000-13.500 м)
Информация Википедии: Перисто-слоистые облака - это разновидность тонких, белесоватых слоистых облаков, состоящих из ледяных кристаллов. Их трудно обнаружить, и они способны формировать гало, когда принимают форму тонкого перисто-слоистого туманообразного облака.
1. Перисто-кучевые облака (средняя высота - 5000-13.500 м)
Информация Википедии: Перисто-кучевые облака - это одна из трёх основных разновидностей тропосферных облаков верхнего яруса (два других - перистые и перисто-слоистые облака). Как и кучевообразные облака более низких ярусов, перисто-кучевые облака означают конвекцию.
В отличие от других высоких перистых и перисто-слоистых, перисто-кучевые состоят из небольшого количества прозрачных капель воды, хотя они и находятся в переохлаждённом состоянии.
Как и туманы, облака возникают в результате конденсации водяного пара в жидкое и твёрдое состояния. Конденсация происходит или вследствие увеличения абсолютной влажности воздуха, или в результате понижения температуры воздуха. На практике в образовании облаков участвуют оба фактора.
Понижение температуры воздуха обусловлено, во-первых, подъёмом (восходящим движением) воздушных масс и, во-вторых, адвекцией воздушных масс - их перемещением в горизонтальном направлении, благодаря чему тёплый воздух может оказаться над холодной земной поверхностью.
Ограничимся обсуждением образования облаков, вызванного понижением температуры воздуха при восходящем движении. Очевидно, что такой процесс существенно отличается от образования тумана - ведь туман практически не поднимается вверх, он остаётся непосредственно у земной поверхности.
Что заставляет воздух подниматься вверх? Отметим четыре причины восходящего движения воздушных масс. Первая причина - конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передаёт тепло приземным массам воздуха - и начинается их подъём. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно конвективное происхождение.
Процесс образования облака начинается с того, что некоторая воздушная масса поднимается вверх. По мере подъёма будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и поэтому при достаточно большом его объёме (а в образовании облака участвует действительно большой объём воздуха) теплообмен между поднимающимся воздухом и окружающей средой просто не успевает произойти за время подъёма. При адиабатном расширении воздух, не получая теплоты извне, совершает работу только за счёт собственной внутренней энергии, а потом охлаждается. Итак, поднимающийся вверх воздух будет охлаждаться.
Когда начальная температура T 0 поднимающегося воздуха понизится до точки росы T р, соответствующей упругости содержащегося в нём пара, станет возможным процесс конденсации этого пара. При наличии в атмосфере ядер конденсации (а они практически всегда присутствуют) этот процесс действительно начинается. Высота H , на которой начинается конденсация пара, определяет нижнюю границу формирующегося облака. Её называют уровнем конденсации. В метеорологии применяют приближённую формулу для высоты H (так называемую формулу Ферреля):
H = 120(T 0 −T р),
где H измеряется в метрах.
Продолжающий поступать снизу воздух пересекает уровень конденсации, и процесс конденсации пара происходит уже выше этого уровня - облако начинает развиваться в высоту. Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух, охладившись, перестанет подниматься. При этом сформируется нечётко выраженная верхняя граница облака. Её называют уровнем свободной конвекции. Он располагается несколько выше уровня, на котором температура поднимающегося воздуха становится равной температуре окружающего воздуха.
Вторая причина подъёма воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своём пути горы или иные природные возвышения. Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. Образующиеся в данном случае облака называют облаками орографического происхождения (от греческого слова όρος, означающего «гора»). Понятно, что такие облака не получают существенного развития в высоту (она ограничена высотой преодолеваемого воздухом возвышения); в этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.
Третья причина подъёма воздушных масс - возникновение тёплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над тёплым фронтом - когда тёплая воздушная масса, надвигаясь на холодную массу воздуха, вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Фронтальная поверхность (поверхность холодного клина) очень пологая - тангенс угла её наклона к горизонтальной поверхности составляет всего 0,005–0,01. Поэтому восходящее движение тёплого воздуха мало отличается от горизонтального движения; как следствие облачность, возникающая над холодным клином, слабо развивается в высоту, но имеет значительную горизонтальную протяжённость. Такие облака называют облаками восходящего скольжения. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высокослоистые облака, а в верхнем ярусе - перисто-слоистые и перистые (понятно, что облака верхнего яруса образуются уже далеко за линией атмосферного фронта). Горизонтальная протяжённость облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.
Образование облаков происходит также и над холодным атмосферным фронтом - когда наступающая холодная воздушная масса подвигается под массу тёплого воздуха и тем самым поднимает её. В этом случае наряду с облаками восходящего скольжения могут возникать также кучевые облака.
Четвёртая причина подъёма воздушных масс - циклоны. Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх. Интенсивный подъём воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облакообразованию - возникают облака циклонического происхождения. Это могут быть слоисто-дождевые, высокослоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона.
По книге Л. В. Тарасова «Ветры и грозы в атмосфере Земли» (Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011).
Всем доводилось видеть облака. Они бывают большими и маленькими, почти прозрачными и совсем густыми, белыми или темными, предгрозовыми. Принимая различную форму, они напоминают животных и предметы. Но и почему они так выглядят? Об этом расскажем ниже.
Что такое облако
Тот, кто летал на самолете, наверняка "проходил" сквозь облако и заметил, что оно похоже на туман, только находится он не прямо над землей, а высоко в небе. Сравнение вполне логичное, ведь и то, и другое представляет собой обычный пар. А он, в свою очередь, состоит из микроскопических капелек воды. Откуда же они берутся?
Эта вода поднимается в воздух в результате испарения с поверхности земли и водоемов. Поэтому наибольшее скопление облаков наблюдается над морями. За год с их поверхности испаряется около 400 тысяч кубических километров, что в 4 раза превышает аналогичный показатель суши.
Какие бывают? Все зависит от состояния воды, которая их образует. Она может быть газообразной, жидкой или твердой. Может показаться удивительным, но некоторые облака действительно состоят из льдинок.
Мы уже выяснили, что облака образуются в результате скопления большого количества частичек воды. Но для завершения процесса необходимо связующее звено, к которому будут "липнуть" капли и собираться вместе. Зачастую эту роль выполняет пыль, дым или соль.
Классификация
От высоты расположения во многом зависит, из чего образуются облака и как они будут выглядеть. Как правило, белые массы, которые мы привыкли видеть на небе, появляются в тропосфере. Ее верхняя граница варьируется в зависимости от географического положения. Чем ближе территория к экватору, тем выше могут формироваться стандартные облака. Например, над местностью с тропическим климатом граница тропосферы располагается на высоте примерно 18 км, а за Полярным кругом - 10 км.
Образование облаков возможно и на больших высотах, но они в настоящее время мало изучены. Например, перламутровые появляются в стратосфере, а серебристые - в мезосфере.
Облака тропосферы условно делятся на типы в зависимости от того, на какой высоте они расположены - в верхнем, среднем или нижнем ярусе тропосферы. Движение воздуха также оказывает большое влияние на формирование облака. В спокойной среде образуются перистые и слоистые облака, но если тропосферы движутся неравномерно, повышается вероятность появления кучевых.
Верхний ярус
Этот промежуток охватывает участок неба на высоте более 6 км и до края тропосферы. Учитывая, что температура воздуха здесь не поднимается выше 0 градусов, несложно догадаться, из чего образуются облака в верхнем ярусе. Это может быть только лед.
По внешнему виду облака, расположенные здесь, подразделяются на 3 рода:
- Перистые . Имеют волнистую структуру и могут выглядеть как отдельные нити, полосы или целые гряды.
- Перисто-кучевые состоят из мелких шариков, завитков или хлопьев.
- Перисто-слоистые представляют собой полупрозрачное подобие ткани, "накрывающей" небо. Облака такого типа могут растягиваться на все небо или занимать только небольшой участок.
Высота облака, находящегося в верхнем ярусе, может сильно варьироваться в зависимости от различных факторов. Это могут быть и несколько сотен метров, и десятки километров.
Средний и нижний ярус
Средний ярус - это часть тропосферы, расположенная обычно в промежутке между 2 и 6 км. Здесь встречаются высококучевые облака, представляющие собой объемные серые или белые массы. Состоят они из воды в теплое время года и, соответственно, изо льда в холодное. Второй тип облаков - высокослоистые. Они имеют и зачастую полностью накрывают небо. Такие облака несут осадки в виде моросящего дождя или мелкого снега, но они редко долетают до поверхности земли.
Нижний ярус представляет собой непосредственно находящееся над нами небо. Облака здесь могут быть 4 типов:
- Слоисто-кучевые в виде глыб или валов серого цвета. Могут нести осадки, кроме тех случаев, когда температура слишком низкая.
- Слоистые . Располагаются ниже всех остальных, имеют серый цвет.
- Слоисто-дождевые. Как можно понять по названию, несут осадки, причем, как правил, они имеют обложной характер. Это серые облака, не имеющие определенной формы.
- Кучевые . Одни из самых узнаваемых облаков. Выглядят, как мощные кучи и клубы с практически плоским основанием. Осадков такие облака не приносят.
Существует еще один вид, не входящий в общий список. Это кучево-дождевые облака. Они развиваются вертикально и присутствуют в каждом из трех ярусов. Такие облака приносят ливни, грозы и град, поэтому зачастую их называют грозовыми, или ливневыми.
Продолжительность жизни облака
Для тех, кто знает, из чего образуются облака, интересным может быть и вопрос о сроке их жизни. Здесь большое значение играет уровень влажности. Она является своеобразным источником жизненных сил для облаков. Если воздух в тропосфере достаточно сухой, то облако не сможет просуществовать долго. Если же влажность высока, оно может дольше парить в небе, пока не станет более мощным для того, чтобы произвести осадки.
Что касается формы облака, то срок ее жизни совсем мал. Частицы воды имеют свойство постоянно перемещаться, испаряться и появляться снова. Поэтому одна и та же форма облака не может сохраниться даже на 5 минут.
Облака могут быть классифицированы следующим образом: слоистые, кучевые и перистые. Слоистые облака наблюдаются при медленном подъеме широкой полосы воздуха над поверхностью теплого фронта.
Кучевые облака образуются при освобождении теплого воздуха почвой или при обусловленном холодным воздухом неустойчивом состоянии верхних слоев атмосферы. Перистые облака, напротив, появляются в случае, когда скопившиеся в верхних слоях атмосферы кристаллы льда падают вниз и разносятся местными воздушными потоками. Эти три основных разновидности часто сочетаются, образуя длинный ряд дополнительных типов облаков.
Кучевые облака медленно растут по мере того, как воздушные потоки продолжают подниматься. Если их рост продолжается достаточно дол-" го, то они могут превращаться в кучево-дождевые облака.
Инверсионный слой расплющивает облако
Если слой температурной инверсии (в котором температура увеличивается вместе с высотой) формируется над развивающимся облаком, то облако может начать расти по горизонтали (внизу), становясь слоисто-кучевым. Если под влиянием стратосферы облако расширяется, оно превращается в плоское кучево-дождевое. Рост вверх или внутрь Облака различаются также в зависимости от высоты их положения над Землей: нижние, средние и верхние. Верхние облака (обнаруженные на высоте 5-8 км) включают в себя перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые облака. Средние облака, к которым относятся высоко-слоистые, высоко-кучевые и слоисто-дождевые облака, расположены на высоте от 2 до 7,3 км. И наконец, облака, которые образуются на высоте ниже 2 км, называются нижними облаками; к ним относятся слоистые и слоисто-кучевые. Вертикальные облака, образующиеся при нагревании воздуха солнцем в непосредственной близости от поверхности, бывают кучевыми и дождевыми.
Изгибающиеся облака
Кристаллы льда из плывущих на большой высоте перистых облаков (справа) могут падать вертикально, если скорость воздушных струй одинакова на всех высотах. Однако при наличии разницы скоростей, они могут изгибаться или надрезаться.
Высоко-кучевые облака (внизу), образующиеся между слоями теплого и холодного, соответственно, нижнего и верхнего, воздуха, иногда принимают округлую форму. Они удерживаются между нисходящими воздушными потоками верхнего слоя и восходящими потоками нижнего.
Высоко-кучевые облака
Слоистые облака и дождь
Когда дождевые капли падают на особенно теплые участки земной поверхности, часть из них начинает испаряться уже во время падения (внизу). Если испарение будет продолжаться, воздух может стать насыщенным и образовать слоистые облака.
Облака, образующиеся волнообразно
Когда горизонтальные воздушные массы (внизу) движутся быстро в верхней атмосфере и медленно - ближе к поверхности, их вращение создает облака волнообразной формы.
Гребни волн
Волнообразные облака (справа) могут также наблюдаться на вершинах потоков воздуха, которые перемещаются между сухим теплым слоем сверху и влажным холодным внизу.
