8.5. Облака

Рис. 42. Схема возникновения облаков конвекции (по С. П. Хромову)

Облака – видимое скопление капель воды и кристаллов льда на некоторой высоте в атмосфере (тропосфере). Облака образуются в результате конденсации и сублимации водяного пара вследствие адиабатического охлаждения воздуха при подъеме. Высота, на которой начинается конденсация или сублимация водяного пара, называется уровнем конденсации или сублимации. Он совпадает с нижней границей облаков и зависит от первоначальной температуры и относительной влажности воздуха у земной поверхности.

Важной характеристикой облаков, определяющих возможное количество осадков, является их водность – содержание в них воды в жидком и твердом виде (г/м³). Водность облаков зависит от абсолютной влажности воздуха, но всегда меньше ее, так как в жидкое и твердое состояние переходит лишь часть водяного пара.

Рис. 43. Схема возникновения волнистых облаков (по С. П. Хромову)

Существует несколько классификаций облаков по разным признакам.

По физическому составу облака могут быть водяные (капельные), ледяные (кристаллические) и смешанные, состоящие из переохлажденных капель и кристаллов. В теплое время года водяные облака образуются в нижних слоях тропосферы (при положительных и отрицательных температурах до –10 °С), смешанные – в средних, ледяные – в верхних (при температурах ниже – 30 °С). Между ними нет резких границ. В холодное время года при очень низких температурах облака полностью ледяные. Водность водяных облаков (до 5 г/м³) больше, нежели ледяных (сотые или тысячные доли г/м' ).

По внешней форме облака весьма разнообразны. В основу м е жду народной морфологической классификации облаков положено разделение их на четыре семейства по высоте их нижней границы и на десять родов по внешнему облику, которые, в свою очередь, подразделяются на виды и разновидности (табл. 1).

По характеру образования облака подразделяют на две группы: внутримассо-вые, возникающие внутри однородных воздушных масс, и фронтальные – на границах между воздушными массами. Внутри них выделяются генетические типы.

К образованию внутримассовых облаков приводят такие процессы, как термическая и динамическая конвекция (конвективные облака), волновые движения (волнистые облака) и турбулентное перемешивание воздуха (слоистые облака).

Таблица 2

Морфологическая классификация облаков

Облака термической конвекции образуются при интенсивном, но неоднородном нагреве подстилающей поверхности (рис. 42). Особенно контрастны условия нагрева в горных странах, где склоны солнечной экспозиции получают тепла в десятки раз больше, чем теневые склоны. Над более нагретыми участками развиваются восходящие движения воздуха, над менее нагретыми – компенсирующие нисходящие. При этом важно, чтобы поднимающаяся воздушная масса обладала неустойчивой стратификацией до уровня конденсации и не встречала на своем пути вверх задерживающего инверсионного слоя. Облака термической конвекции образуются весь год в экваториально-тропических широтах, причем над сушей они возникают днем, а над морем – в основном ночью. В умеренном поясе они возникают летом. Облака динамической конвекции образуются при встрече воздушного потока с горными хребтами и развиваются над их наветренными склонами. Все конвективные облака по внешнему виду кучевообразные, к ним относятся кучевые (Сu) и кучево-дождевые (Сb) облака.

Волнистые (волнообразные) облака образуются в относительно устойчивых воздушных массах, в антициклонах, характерны при инверсиях. Нижняя граница инверсионного слоя является поверхностью раздела между теплым и нижележащим холодным воздухом. На ней развиваются воздушные волны различной высоты и длины, подобно волнам между воздухом и водой (рис. 43). Если уровень инверсии совпадает с уровнем конденсации, то на «гребнях» волн поднимающийся воздух дополнительно адиабатически охлаждается, возможна конденсация водяного пара и образование облаков. В «ложбинах» между гребнями воздух опускается, адиабатически нагревается, удаляется от состояния насыщения, образуются просветы голубого неба. Так формируются облака волнистой структуры, состоящие из валов и гряд. К ним относятся перисто-кучевые (Сс), высококучевые (Ас) и слоисто-кучевые (Sc) облака.

Слоистые облака образуются в результате турбулентного перемешивания и поднятия нижних слоев воздуха при усилении ветра, особенно если в приземном слое наблюдаются туманы.

Фронтальные облака возникают на границах воздушных масс с разными свойствами. При медленном натекании теплого воздуха на холодный (или подтекании холодного воздуха под теплый) в теплом поднимающемся воздухе возникают облака восходящего скольжения (рис. 44). Это огромные облачные системы, вытянутые на тысячи километров в длину и на сотни километров в ширину. Нижняя граница облаков совпадает с поверхностью раздела воздушных масс, верхняя почти горизонтальная и располагается на высоте б–8 км. Наибольшая вертикальная мощность облаков наблюдается вблизи земной поверхности – это слоисто-дождевые облака (Ns), дающие обложные осадки. По мере поднятия высоты основания облаков мощность их уменьшается, и облака последовательно замещаются на высокослоистые (As), перисто-слоистые (Cs), перистые (Сi).

При быстром перемещении холодного воздуха в сторону теплого происходит резкий подъем последнего в сравнительно узкой полосе. Образующиеся при этом кучево-дождевые облака (Сb) имеют вид мощного вала, вытянутого на сотни километров. Их образование сопровождается грозами, шквалистыми ветрами и ливневыми осадками.

Рис. 45. Среднее годовое распределение облачности по широтам (по С. П. Хромову)

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Ее определяют визуально и выражают в баллах от 0 до 10. Например, если 30% небесного свода покрыто облаками, облачность составляет 3 балла. Облачность влияет на процессы теплооборота на Земле: она уменьшает прямую, но увеличивает рассеянную солнечную радиацию, ослабляет эффективное излучение, влияет на условия освещенности. Представление о географическом распределении облачности по широтам в среднем в году дает диаграмма (рис. 45). Облачность максимальна в субполярных широтах, значительна в районе экватора, минимальна в тропических широтах. В среднем для всего земного шара облачность составляет 5,4 балла (т. е. более 50%), над океаном – 5,8 балла, над сушей – 4,9 балла.

С облаками связаны различные атмосферные явления: электрические (молния), звуковые (гром), световые (радуга, гало, венцы) и др.