Облака

Облака́

Атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации (См. Конденсация) водяного пара (См. Пар водяной) в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется Туманом. О. — существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. О. покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 10⁹ т воды. О. являются важным звеном Влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.

В основном водяной пар содержится в нижней части атмосферы — тропосфере, поэтому именно здесь на различных высотах и сосредоточено подавляющее большинство О. Однако нередко в стратосферу проникают перистые и кучево-дождевые О., последние могут иногда достигать высоты 16 и более км. В стратосфере могут также возникать перламутровые О.(на высоте около 25 км), а в мезосфере — серебристые (около 80 км). К основным формам О. (см. табл.) относятся: О. нижнего яруса — слоистые (однородный, лишённый упорядоченной структуры, сравнительно тонкий слой), слоисто-кучевые (слой с ясно выраженной структурой в виде волн, гряд или крупных «пластин») и слоисто-дождевые (сплошная серая пелена большой вертикальной мощности, дающая длительные осадки в виде обложного дождя или снега); О. среднего яруса — высоко-слоистые (сероватая или чуть синеватая пелена) и высоко-кучевые (похожие на слоисто-кучевые, но более тонкие. О. верхнего яруса — перистые (неплотные, часто просвечивающие О. в виде отдельных параллельных или спутанных нитей), перисто-слоистые (белая или голубоватая, довольно однородная пелена) и перисто-кучевые (тонкие, полупрозрачные О. в виде ряби или скопления хлопьев) и, наконец, О. вертикального развития, имеющие сравнительно плоские основания и куполообразные вершины часто причудливых очертаний кучевые, мощно-кучевые и кучево-дождевые. Имеются многочисленные разновидности основным форм О.

Образование О. связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью. Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер конденсации (См. Ядра конденсации), обеспечивает появление зародышевых капель уже при достижении насыщения. Условия же насыщения создаются в результате охлаждения воздуха, вызванного, например, расширением его при упорядоченном подъеме на фронтах атмосферных (См. Фронты атмосферные) (так образуются О. Ns и системы Ns—As—Ac), при неупорядоченном турбулентном перемешивании или волновых движениях (St, Sc, Ac), при конвективном подъеме (Cu, Cu Cong, Cb), при отекании горных препятствий (Ac) и др. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к появлению избыточного пара, который поглощается растущими каплями. Т. о., первоначально капли растут преимущественно за счёт конденсации водяного пара. Затем по мере их укрупнения, всё большую роль начинают играть процессы столкновения и слияния капель друг с другом (т. н. Коагуляция облачных элементов). Коагуляционный механизм — основной механизм роста облачных капель радиусом более 30 мкм. При отрицательных температурах О. могут быть капельные (переохлажденные), кристаллические или смешанные, т. е. состоящие из капель и кристаллов. Малые размеры облачных капель позволяют им долго сохраняться в жидком виде и при отрицательных температурах. Так, при —10 °С О. в половине случаев капельные, в 30% — смешанные и лишь в 20% кристаллические. Переохлажденные же капли в О. встречаются вплоть до —40 °С. Пересыщение над кристаллами значительно больше, чем над каплями (насыщающая упругость водяного пара над льдом ниже, чем над водой), благодаря чему в смешанных О. кристаллы растут значительно быстрее капель, что способствует выпадению осадков.

Размеры подавляющего большинства капель в О. составляют тысячные и сотые доли мм, а их концентрация — сотни в 1 см³. Кристаллы обычно имеют в десятки раз б_ольшие размеры, а концентрация их в тысячи и десятки тысяч раз меньше (до сотни в 1 л). Форма кристаллов зависит главным образом от температуры их образования и чрезвычайно разнообразна — иглы, столбики, пучки столбиков, тонкие и толстые пластинки и, наконец, просто частицы неправильной формы. В О., как правило, присутствуют и «сверхкрупные» капли, достигающие десятых долей мм с концентрацией единицы и менее в 1 л. Подобные частицы являются зародышами осадков и вносят основной вклад в радиолокационный сигнал от капельных облаков. Масса сконденсированной воды в единице объёма О. называется водностью О. и колеблется обычно от десятых долей до неск. г/м³ для капельных О. и от тысячных до десятых долей г/м³ в кристаллических. Данные о физическом строении О. получены главным образом с помощью самолётов — летающих лабораторий, оснащенных специальной аппаратурой. Дифракция и преломление света в частицах О. вызывают различные оптические явления — глории (См. Глория), Гало, Венцы и др.,— по которым можно судить о наличии в О. капель или кристаллов. Широкое применение находят радиолокационные методы исследования О., развиваются спутниковые и лазерные методы.

Многообразны и сложны физические процессы, управляющие развитием О. Возникнув на ядрах конденсации, облачные капли растут, перемещаются внутри О., выносятся за его пределы и испаряются. Время жизни облачных частиц может быть во много раз меньше времени жизни О. в целом. Цикл жизни О. в целом завершается его испарением. Выпадение осадков способствует уносу воды и ускоряет процесс разрушения О. Длительное существование О. объясняется малыми скоростями падения частиц (капли радиусом 1—10 мкм падают со скоростью 0,05—1,2 см/сек), наличием восходящих движений воздуха, которые не только поддерживают облачные частицы, но и вместе с турбулентными движениями обеспечивают приток водяного пара и способствуют зарождению новых частиц.

Можно управлять некоторыми процессами в О., искусственно изменяя их фазовое состояние и микроструктуру. Наибольшие успехи достигнуты в рассеивании переохлажденных О. и туманов, в воздействии на градоопасные О. в целях предотвращения градобитий (см. Град). Для рассеяния переохлажденных О. и туманов в них вносятся (с помощью специальных наземных установок—генераторов или с самолёта) хладореагенты (частицы сухого льда — твёрдой углекислоты) или частицы ледообразующих веществ (йодистое серебро, йодистый свинец и др.), способствующие образованию в О. достаточного количества кристалликов льда, которые затем укрупняются и выпадают из облаков. При этом упругость водяного пара в О. понижается, капли испаряются и наступает рассеяние О. (тумана). Таким методом рассеивают туманы и низкие О. над взлётно-посадочными полосами в аэропортах. Время и место внесения реагентов определяются с помощью специальных метеорологических радиолокационных станций. О. могут быть искусственно созданы с помощью тепловых источников конвекции — метеотронов — или с помощью внесения дополнительной влаги. Так, при сгорании 1 кг керосина образуется около 1,2 кг водяного пара. Этого обычно достаточно для образования конденсационных следов за самолётами, летящими на высоте 8—12 км. Длительность существования таких следов зависит от влажности атмосферы.

Ведутся активные поиски способов искусственного регулирования и перераспределения осадков. Большая природная изменчивость количества естественно выпадающих осадков существенно осложняет проблему определения реальной эффективности применяемых методов воздействия. С развитием этих методов всё большее внимание привлекают экономические, юридические и социальные аспекты проблемы искусственного воздействия на погоду.

Основные формы облаков и их характеристика

Лит.: Атлас облаков, под ред. А. X. Хргиана, Л., 1957; Физика облаков, под ред. А. Х. Хргиана, Л., 1961; Шметер С. М., Физика конвективных облаков, Л., 1972; Труды VIII Всесоюзной конференции по физике облаков и активным воздействиям, Л., 1970; Изменение погоды человеком, пер. с англ., под ред. И. П. Мазина, М., 1972; Mason В. J., The physics of clouds, Oxf., 1957; Proceedings of the International conference on cloud physics, Toronto, August, 1968, Toronto, 1968.

И. П. Мазин.

Группа кучево-дождевых облаков (Cb) на фоне высоко-кучевых (Ac) (снимок с самолёта).

Кучево-дождевое облако (Cb) (снимок с самолёта С. М. Шметера).

Средние и мощные кучевые облака (Cu med., Cu Cong.).

Кучевые облака хорошей погоды (Cu hum.).

Высоко-кучевые облака.

Высоко-кучевые облака (Ac).

Высоко-слоистые облака (As), снимок Ёдзо Ито (Япония).

Слоисто-кучевые облака (вид с земли).

Вид сверху на слоисто-кучевые облака. В верхней части снимка видны высоко-слоистые облака, сквозь которые просвечивает солнце (снимок с самолёта).

Слоисто-кучевые облака (Sc) (снимок с самолёта).

Перисто-кучевые облака (Cc tract.) — след за самолётом.

Перистые когтевидные облака (Ci unc.).