Раздел 4 Вода в атмосфере (стр. 3 )

Образование капелек при конденсации в атмосфере всегда происходит на некоторых центрах, называемых ядрами конденсации. Как правило, ядрами конденсации являются аэрозольные примеси. Важнейшими ядрами конденсации являются частички растворимых гигроскопических солей, особенно морской соли, которая всегда содержится в воде осадков. Она попадает в воздух при волнении моря и разбрызгивании морской воды. Солевые ядра попадают также при распылении почвы. Возникшие таким путем ядра конденсации имеют размеры порядка десятых и сотых долей микрона. В силу своих малых размеров они не оседают и переносятся воздушными течениями на большие расстояния. При этом в силу своей гигроскопичности они часто плавают в атмосфере в виде мельчайших капелек насыщенного соляного раствора. При повышении относительной влажности они начинают расти, а при значениях влажности в 100% превращаются в видимые капельки облаков и туманов.

При кристаллизации воды неупорядоченное расположение ее молекул сменяется упорядоченным. Кристаллизация воды — сложный физический процесс, который начинается не во всей ее массе, а лишь в тех местах, где условия уже "готовы" к возникновению кристаллов. В твердое состояние сначала переходят небольшие группы молекул воды толщиной в элементарную ячейку пространственной решетки кристалла. По мере понижения температуры критические размеры зародыша льда, обеспечивающие его дальнейший рост, уменьшаются, — поэтому кристаллизация воды становится более вероятной и происходит быстрее.

Как правило, для появления кристаллов льда в облаках нужны инородные твердые частицы, которые способствуют образованию зародышей кристаллов и тем самым убыстряют кристаллизацию. Если в воздухе нет готовых кристаллов или ядер кристаллизации, жидкая вода может долго находиться в переохлажденном состоянии. Опытным путем, при отсутствии ядер кристаллизации, можно охладить воду до -50°С, а то и еще ниже. В природе в облаках температура опускается до -12°С, а временами до -30°С и чуть ниже, а льда все нет и нет. Но если при таких условиях появляются ядра кристаллизации, начинается бурное образование льда.

Конденсация происходит также на гигроскопических твердых частичках, являющихся продуктами сгорания или органического распада. Это азотная кислота, серная кислота, сульфат аммония и пр. В промышленных районах в атмосфере преобладают такие ядра конденсации. Кроме них роль ядер конденсации могут играть не гигроскопические, но смачиваемые достаточно крупные частички. У земной поверхности в одном кубическом сантиметре количество ядер конденсации достигает тысяч и десятков тысяч. С высотой их число уменьшается и на высоте 3-4 км составляет несколько сотен на см3.

Развитие кристаллов в атмосфере долгое время связывали преимущественно с процессами сублимации. Сейчас установлено, что сначала на инородных частицах, называемых ядрами льдообразования или ледяными ядрами, образуются ледяные зародыши и при достаточно низких отрицательных температурах при взаимодействии с ледяным зародышем капельки сконденсированной воды замерзают и дальше на них уже развиваются кристаллы. Образование ледяного зародыша за счет процесса сублимации значительно менее вероятно, чем за счет замерзания.

4.4.Облака.

В результате конденсации внутри атмосферы возникают скопления продуктов конденсации — капелек и кристаллов. Их называют облаками. Размеры облачных элементов — капелек и кристаллов настолько малы, что их удельный вес уравновешивается силой трения. Турбулентное движение воздуха приводит к тому, что эти капельки и кристаллы длительное время находятся взвешенными в воздухе, смещаясь то вниз, то вверх с элементами турбулентности.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность воздуха, содержащего облака снижается, то облака испаряются. При определённых условиях часть облачных элементов укрупняется и выпадает из облаков в виде осадков. Отдельные облака существуют очень короткое время, это значит, что недавно возникшие капельки, из которых состоит облако, снова быстро испаряются. Даже если облако наблюдается очень долго, это не означает, что оно состоит из одних и тех же капелек. В действительности облака находятся всё время в процессе постоянного образования и исчезновения. Длительно существует процесс облакообразования, облако же является только видимой в данный момент частью общей массы воды, вовлекаемой в этот процесс.

Взвешенность облаков также обманчива. Если облако не меняет своей высоты, то это не означает, что составляющие его элементы не выпадают. Жидкая или твёрдая частичка в облаке может опускаться, но, достигая нижней границы облака, она переходит в ненасыщенный воздух и здесь испаряется. В результате облако кажется длительно находящимся на одном уровне.

По своему строению облака делятся на три класса: водяные (капельные) облака, состоящие только из капелек; смешанные облака, состоящие из смеси переохлаждённых капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах; ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах. В тёплое время года водяные облака образуются главным образом в нижних слоях атмосферы, смешанные — в средних, ледяные — в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать вблизи земной поверхности. Чисто капельное строение облака могут сохранять до температур -10°С.

Размеры облачных капель варьируют в широких пределах — от долей микрона до сотен микронов. Кристаллы также разнообразны по форме и размерам. Замерзание капелек при низких температурах даёт полные кристаллы — ледяные шестиугольные пластинки или призмы диаметром 10-20мк. При дальнейшей сублимации они превращаются в шестилучевые звёзды или кристаллы более сложной структуры и размером до нескольких миллиметров в диаметре.

Количество капелек в единице объёма облачного воздуха составляет несколько сотен на кубический сантиметр в нижней части тропосферы, содержание кристаллов ещё меньше.

Водность облаков (содержание воды в жидком или твёрдом виде) очень невелико и составляет от 0.2 до 5 г на кубический метр облачного воздуха, то есть водность облаков меньше, чем абсолютная влажность воздуха.

4.5.Классификация облаков. Описание отдельных видов облаков.

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. В настоящее время по внешнему виду (согласно международной классификации) их объединяют в 10 основных родов. В этих основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей.

Ниже перечислены десять основных родов облаков и приведены международные (латинские) названия и их сокращения.

1. Перистые — Cirrus (Ci)

2. Перисто-кучевые — Cirrocumulus (Cc)

3. Перисто-слоистые — Cirrostratus (Cs)

4. Высоко-кучевые — Altocumulus (Ac)

5. Высоко-слоистые — Altostratus (As)

6. Слоисто-дождевые — Nimbostratus (Ns)

7. Слоисто-кучевые — Stratocumulus (Sc)

8. Слоистые — Stratus (St)

9. Кучевые — Cumulus (Cu)

10. Кучево-дождевые — Cumulonimbus (Cb)

Кроме международной классификации, основанной на внешнем виде облаков, облака разделяются так же по высотам и по происхождению (по механизму образования). По высоте формирования облака подразделяются на три яруса. В зависимости от температурных условий и от высоты тропопаузы границы этих ярусов в разных широтах различны.

Верхний ярус облаков в полярных широтах простирается в среднем от 3 до 8 км, в умеренных широтах — от 5 до 13 км, в тропических — от 6 до 18 км. Средний ярус — в полярных широтах — от 2 до 4 км, в умеренных — от 2 до 7 км, в тропических — от 2 до 8 км. Нижний ярус — во всех широтах — от земной поверхности до 2 км.

Из перечисленных 10 родов облаков первые три — перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые — облака верхнего яруса, высоко-кучевые — среднего, слоисто-кучевые и слоистые — нижнего. Высоко-слоистые, располагаясь в среднем ярусе могут проникать в верхний; слоисто-дождевые облака — нижнем ярусе, но проникают в средний. Основания (нижние поверхности) кучевых и кучево-дождевых облаков находятся в нижнем ярусе, но их вершины часто проникают в средний и верхний ярус.

1.2.3. Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака верхнего яруса — самые высокие облака тропосферы. Они встречаются при наиболее низких температурах и состоят из ледяных кристаллов. На вид все облака белые, полупрозрачные, мало затеняющие солнечный свет. Разница между этими тремя родами облаков в следующем: перистые облака выглядят как отдельные нити, гряды или полосы волокнистой структуры; перисто-кучевые представляют собой гряды или пласты, имеющие ясно выраженную структуру из мелких хлопьев, шариков, завитков, похожую на рябь на поверхности воды; перисто-слоистые облака — это тонкая прозрачная белесоватая вуаль, частично или полностью перекрывающая небо.

4. Высоко-кучевые облака в среднем ярусе представляют собой облачные пласты или гряды белого или серого цвета. Они тонки, но частично затеняют солнце. Состоят из мелких однородных переохлаждённых капель.

5. Высоко-слоистые облака. Их вертикальная мощность измеряется уже километрами, а на вид они представляют собой светлый, молочно-серый облачный покров, застилающий небосвод целиком или частично. В отдельных частях этого покрова сквозь него можно видеть диск солнца, но в виде размытых пятен. Это типичные смешанные облака, и они дают осадки. Но они незначительны и, как правило, в тёплое время года испаряются, не долетев до земной поверхности.

6. Слоисто-дождевые имеют общее происхождение с высоко-слоистыми, но значительно более мощные. Они начинаются в нижнем ярусе проникают в средний, иногда поднимаются и до верхнего. Слой этих облаков серый, солнечный диск сквозь них не просвечивает. Из этих облаков выпадает обложной дождь или снег, достигающий поверхности.

7. Слоисто-кучевые облака в нижнем ярусе представляют собой гряды или слои серых или беловатых облаков, почти всегда имеющих более тёмные части. Они, как правило, не дают осадков, лишь при очень низких температурах из них выпадает мелкий снег.

8. Слоистые облака находятся в нижнем ярусе. Это самые низкие облака, в равнинной местности их высота может быть всего несколько десятков метров над землёй. Это однородный на вид серый слой капельного строения, из которого может выпадать морось. При низких температурах из них выпадает мелкий снег. Солнечный диск, если он просвечивает сквозь облака, имеет чёткие очертания.