big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Микрофизика облаков

Наиболее совершенной теорией образования облаков и осадков является теория, разработанная Т. Бержероном и В. Финдайзеном. Согласно этой теории водяные облака могут дать лишь незначительное количество осадков.

Для выпадения интенсивных осадков необходимы облака смешанного типа. Кроме того, считалось, что твердая фаза появляется при достижении облаками так называемого уровня ледяных кристаллов и что в возникающих смешанных облаках рост частиц льда происходит главным образом вследствие перегонки на эти частицы водяного пара с переохлажденных капелек воды.

Новейшими исследованиями расширены знания о строении облаков, уточнена физика облакообразования и роль факторов, вызывающих укрупнение облачных капель и кристаллов, установлены закономерности изменения размера облачных капель и водности облака и заложены основы количественной теории осадков. Изучением размеров облачных капель и водности кучевых облаков было установлено, что облака состоят из капель радиусом от 2 до 70 мк. По уточненным данным радиус капель в слоистых и высокослоистых облаках составляет в среднем около 7 мк, а в слоисто-дождевых — 9—10 мк.

Скорость падения капель воды с малым радиусом (до 10 микрон) ничтожно мала и составляет 1 см/сек, поэтому такие капли находятся почти во взвешенном состоянии. Более крупные капли падают сравнительно быстро. В частности, капли радиусом около 1 мм падают со скоростью 2 м/сек. Любопытно, что в слоистых облаках наиболее мелкие капли располагаются преимущественно у основания облаков, а крупные — в верхней их части. По данным многочисленных наблюдений, в кучевых облаках наиболее мелкие капли также сосредоточиваются у основания, а крупные капли — в верхней и центральной их части. Так как размер облачных капель очень мал, то в 1 см3 водяного облака насчитывается несколько сотен капель. Число кристаллов льда в 1 см3 ледяного облака намного меньше: например, в нескольких кубических сантиметрах перистого облака содержится один кристалл льда или одна снежинка.

Определение числа капель в единице объема облака представляет большие трудности. Поэтому число капель нередко устанавливается по так называемой водности облака, т. е. по содержанию воды в капельножидком или твердом виде в единице объема облака. Водность выражается в граммах на кубический метр облака. Измерения водности облаков, сделанные разными способами, показали, что в облаках, как правило, капельножидкой влаги меньше, чем парообразной.

Установлено, что водность облаков колеблется в широких пределах, причем в водяных облаках количество воды значительно больше, чем в ледяных. Так, например, в водяных облаках в 1 м3 содержится от 0,3 до 4,0 г капельножидкой влаги, а в ледяных облаках — от 0,1 до 0,5 г. Это и понятно, так как ледяные облака возникают при низких температурах воздуха, содержащего небольшое количество водяного пара.

Для образования первичных капель недостаточно насыщения, а необходимо значительное пересыщение, которое в естественных условиях не наблюдается. Процесс образования зародышевых, или первичных, капель в естественных условиях облегчается тем, что водяной пар осаждается на ядрах конденсации, обладающих гигроскопичностью, т. е. свойством поглощать молекулы водяного пара. Ядра конденсации — это мельчайшие частицы гигроскопических и растворимых в воде веществ, на которых осаждаются молекулы водяного пара. Ядрами конденсации являются частицы морской соли, окислы серы, частицы пыли, дыма, микроорганизмы и пр. В атмосфере они имеются в большом количестве. При отсутствии ядер конденсации образование капелек происходило бы при большом пересыщении воздуха. Ядер конденсации больше вблизи промышленных городов. По измерениям в Долгопрудном, находящемся в 19 км от Москвы, в 1 см3 содержится до 20 000 этих ядер (И. И. Гайворонский).

На основании опытов, а также теоретических исследований Б. В. Кирюхии (1950 г.) и Л. Г. Качурин (1951 г.) пришли к выводу, что в результате первичной конденсации возникают капли, которые при низких температурах замерзают и становятся зародышами ледяных кристаллов и снежинок. Скорость образования зародышей ледяных кристаллов зависит от размеров капель, температуры воздуха и скорости охлаждения. Кристаллизация облаков обычно происходит при температуре 10—15° ниже нуля. Аналогичные выводы были получены ранее Л. Крыстановым (1944), Н. С. Шишкиным (1947—1950) и др.

Зародышевые капли в облаках увеличиваются под воздействием двух факторов — конденсации и коагуляции, т. е. слияния капель. Процесс слияния капель играет важную роль в укрупнении их. Слияние капель происходит как при их столкновении, так и при падении.

В результате уточнения прежних взглядов общую схему образования облаков и осадков можно представить следующим образом. Вследствие, главным образом, восходящих движений воздуха происходит его адиабатическое расширение, охлаждение и насыщение. В результате дальнейшего подъема, охлаждения и пересыщения образуются первичные облачные капли. Их рост происходит вследствие слияния (коагуляции), причем капли растут тем быстрее, чем они крупнее. Крупные капли начинают падать.

Так как скорость падения капли зависит от ее размера, то недостаточно крупные капли, имея небольшую скорость падения, не могут преодолеть восходящие движения воздуха и остаются во взвешенном состоянии или даже переносятся ими в верхнюю часть облака. Однако по мере укрупнения капель скорость падения их возрастает, и когда она превысит скорость восходящих движений воздуха, тогда крупные капли выпадают в виде осадков.

Для осадков из водяных облаков необходимо, чтобы облака имели вертикальную мощность более 3 км и водность, превышающую 1 г/м3. В этом случае в высоких и средних широтах они обычно дают моросящие или обложные осадки средней интенсивности. В низких широтах, где влагосодержание воздуха высокое, а уровень нулевой изотермы находится на высотах 5—6 км, образующиеся в результате конвекции водяные облака имеют большую вертикальную мощность, однако они также не дают сильных осадков.

Из ледяных облаков обычно выпадают осадки средней и малой интенсивности, так как водность ледяных облаков меньше, чем водяных.

Наиболее интенсивные осадки выпадают из смешанных облаков, состоящих из смеси водяных капель и снежных кристаллов. Благодаря наличию разнородных по величине и фазе элементов смешанные облака являются коллоидально неустойчивыми. Появление твердой фазы в среде переохлажденных капель приводит к ускоренному росту ледяных частиц, вследствие чего капли быстро достигают больших размеров и выпадают в виде осадков. Типичными примерами смешанных облаков являются высокослоистые, слоисто-дождевые и кучево-дождевые. Из высокослоистых облаков, которые состоят из мельчайших капелек и снежинок, зимой выпадает мелкий снег или морось, а летом капельки дождя часто не достигают земли, так как испаряются по мере падения; их можно наблюдать в это время в виде так называемых полос падения. Из слоисто-дождевых облаков вследствие их большой мощности по вертикали обычно выпадают интенсивные обложные осадки (снег или дождь). Наиболее развитые по вертикали — кучево-дождевые облака. При сильном развитии их верхняя часть принимает волокнистую структуру и нередко имеет вид наковальни. Верхняя часть кучево-дождевых облаков состоит из кристалликов льда, а нижняя — из кристалликов и капелек воды. Их кучево-дождевых облаков выпадают ливневые дожди, иногда с градом, зимой — густой снег или крупа.

Количественный учет факторов, участвующих в образовании облаков и осадков, позволил создать основы теории осадков.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.