Что такое облака и как они образуются

Облако — это видимое скопление огромного количества очень маленьких капель воды, кристалликов льда или их смеси, находящихся в атмосфере. Водяной пар сам по себе невидим. Поэтому белое облако, которое мы замечаем в небе, — это уже не просто «пар», а множество частиц жидкой воды и льда, достаточно крупных, чтобы рассеивать свет.

Путь воды от поверхности Земли к небу

Образование облаков связано с круговоротом воды. Солнечная энергия нагревает океаны, моря, озёра, реки, почву и влажные поверхности. Часть жидкой воды испаряется и превращается в невидимый водяной пар. Растения тоже возвращают воду в атмосферу через испарение с листьев — этот процесс называют транспирацией.

Воздушные потоки переносят водяной пар на большие расстояния. Но чтобы появился облачный слой, влажный воздух обычно должен охладиться до состояния насыщения. Тогда часть водяного пара начинает конденсироваться — превращаться в мельчайшие жидкие капли. При достаточно низкой температуре важную роль играют кристаллы льда.

Почему поднимающийся воздух охлаждается

Один из самых распространённых путей к образованию облака начинается с подъёма воздуха. Давление с высотой уменьшается. Поднимающийся объём воздуха попадает в область более низкого давления, расширяется и при этом охлаждается. Если охлаждение продолжается, относительная влажность возрастает и воздух может достичь насыщения.

Температуру, при которой при данном содержании водяного пара воздух становится насыщенным, называют точкой росы. Когда температура воздуха приближается к этой точке, условия для конденсации становятся благоприятными. Именно поэтому подъём влажного воздуха так часто приводит к облакообразованию.

На чём собираются первые облачные капельки

В атмосфере находятся крошечные частицы: морская соль, пыль, частицы почвы, продукты природных пожаров и вулканов и другие аэрозоли. Многие из них служат ядрами конденсации. Молекулы воды собираются на таких частицах, и формируются микроскопические капли.

Ядра настолько малы, что мы обычно не видим их по отдельности. Но они помогают водяному пару переходить в жидкое состояние в реальной атмосфере. Внутри облака постоянно идут сразу два противоположных процесса: конденсация и испарение. Одни капли появляются и растут, другие уменьшаются и исчезают.

Четыре распространённых способа поднять влажный воздух

1. Нагрев поверхности

Солнце нагревает землю, а от неё нагревается воздух у поверхности. Тёплый воздух становится менее плотным и поднимается. Если он достаточно влажный, при охлаждении возникают кучевые облака. В тёплое время года сильная конвекция может привести к развитию мощных кучево-дождевых облаков и гроз.

2. Встреча воздушных масс

На атмосферных фронтах встречаются воздушные массы с разными свойствами. Более тёплый воздух может подниматься над более холодным. При подъёме он охлаждается, и на большой площади формируются облака. Поэтому прохождение фронта часто сопровождается изменением облачности, ветра и осадками.

3. Горы

Если ветер несёт влажный воздух к горному склону, рельеф заставляет поток подниматься. Воздух охлаждается, и над склоном или вершиной могут появиться облака. Такое образование связано с орографическим подъёмом. На противоположной стороне гор воздух может опускаться и становиться суше.

4. Сходящиеся потоки воздуха

Когда воздух у поверхности стекается к одной области, ему приходится двигаться вверх. Подъём снова создаёт условия для расширения, охлаждения и конденсации. Так облака могут формироваться в областях пониженного давления и других зонах, где воздушные потоки сходятся.

Из чего состоит облако на разных высотах

В более тёплой части облака преобладают капли жидкой воды. На большой высоте, где холоднее, встречается больше кристалликов льда. Есть и переохлаждённая вода: очень маленькие капли способны некоторое время оставаться жидкими даже при температуре ниже 0 °C, пока не возникнут условия для замерзания.

Состав одного крупного облака неодинаков по всей его высоте. Внизу могут быть в основном капли воды, выше — смесь капель и льда, а в холодной верхней части — множество ледяных кристаллов. Это важно для понимания того, как внутри облака растут частицы осадков.

Почему облачные капли не падают сразу на землю

Отдельная облачная капелька очень мала. Она падает в воздухе медленно, а слабые восходящие и турбулентные движения могут поддерживать её. Поэтому облако способно долго существовать в атмосфере. При этом оно не является твёрдым предметом: воздух проходит через него, капли возникают и испаряются, а форма непрерывно меняется.

Когда капли сталкиваются и объединяются или когда в холодных облаках растут ледяные частицы, их размер увеличивается. В определённый момент частицы становятся достаточно крупными, чтобы выпадать. Тогда начинается дождь или снег, а при особых условиях возможны другие виды осадков.

Как из облака получается дождь

Маленькая облачная капля намного меньше обычной дождевой. Чтобы стать осадком, ей нужно вырасти. В тёплых облаках капли могут сталкиваться и сливаться. В облаках, где присутствуют и вода, и лёд, ледяные кристаллы растут и взаимодействуют с переохлаждёнными каплями.

Дальнейший путь частицы зависит от температуры воздуха под облаком. Снежинка, падая через достаточно тёплый слой, может растаять и стать каплей дождя. Если воздух у поверхности остаётся холодным, осадки могут достигнуть земли в твёрдом виде. Поэтому вид осадков определяется не только температурой у земли, но и строением атмосферы по высоте.

Почему дождь бывает не из каждого облака

Иногда капли или ледяные частицы начинают выпадать из облака, но испаряются по пути в сухом воздухе и не достигают поверхности. Бывает и так, что облако слишком тонкое или существует недостаточно долго, чтобы частицы выросли до размеров осадков.

Поэтому наличие облаков не гарантирует дождь. Для осадков нужны подходящие размеры облака, количество влаги, движения воздуха и температурные условия. Даже два внешне похожих облака могут вести себя по-разному.

Почему одни облака белые, а другие тёмные

Мельчайшие капли и кристаллы хорошо рассеивают солнечный свет, поэтому тонкие облака часто кажутся белыми. У плотного и толстого облака солнечному свету приходится проходить через гораздо больше частиц. До его нижней части доходит меньше света, поэтому основание выглядит серым или очень тёмным.

Тёмный цвет не означает, что внутри находится «грязная вода». Это прежде всего результат освещения, толщины и плотности облака. На рассвете и закате облака могут становиться розовыми, красными или золотистыми, потому что солнечный свет проходит через более длинный путь в атмосфере.

Облако, туман и водяной пар — в чём разница

Белое «облачко» над чайником в быту часто называют паром, но непосредственно у носика настоящий водяной пар невидим. Белая дымка становится заметной чуть дальше, когда газ охлаждается и часть воды превращается в маленькие капли.

Почему облако всё время меняет форму

Чтобы облако сохранялось, образование капель должно продолжаться достаточно быстро. Если в область приходит более сухой воздух или капли попадают в более тёплые условия, испарение усиливается. Тогда край облака словно растворяется. В другом месте в это же время может идти активная конденсация, и облако растёт.

Поэтому облако лучше представлять не как кусок ваты, который просто летит по небу, а как постоянно обновляющийся узор. Воздух и вода проходят через него, а видимая форма существует, пока сохраняются подходящие условия.

Почему основание кучевого облака часто выглядит ровным

Воздух, поднимающийся от разных соседних участков поверхности, может иметь похожую температуру и влажность. Он охлаждается по мере подъёма и примерно на одной высоте достигает насыщения. Там начинается массовая конденсация, поэтому нижняя граница множества кучевых «башен» кажется почти плоской.

Выше облако продолжает расти там, где восходящие потоки достаточно сильны. Из-за этого его верхняя часть может напоминать цветную капусту, а основание остаётся сравнительно ровным.

Могут ли облака находиться прямо у земли

Да. Если облако касается поверхности и ухудшает видимость, мы называем его туманом. Он может возникать, когда воздух у поверхности охлаждается до насыщения или когда в холодный воздух поступает дополнительная влага. По физической природе туман и обычное облако очень близки.

Горный наблюдатель тоже может оказаться «в облаке»: вершина или склон просто входит в облачный слой. Тогда вокруг видна влажная дымка, а видимость уменьшается.

Почему облака важны для Земли

Облака являются ключевой частью круговорота воды: именно из них выпадает большая часть дождя и снега, возвращающих воду на поверхность. Они также влияют на энергетический баланс планеты. Облака отражают часть приходящего солнечного света и одновременно поглощают и переизлучают тепловое инфракрасное излучение Земли. Какой эффект окажется сильнее в конкретной ситуации, зависит от высоты, толщины и типа облака.

Кроме того, облака помогают метеорологам понимать процессы в атмосфере. По их форме, высоте и развитию можно заметить приближение фронта, рост конвекции или изменение влажности. Но облака — только одна часть прогноза; специалисты также используют измерения, радары, спутники и компьютерные модели.

Как спутники наблюдают облака

Из космоса хорошо видны огромные облачные системы, которые невозможно охватить взглядом с земли. Последовательные спутниковые изображения показывают их движение и развитие. Приборы на спутниках работают в разных диапазонах излучения, поэтому могут давать информацию не только о внешнем виде облака, но и о свойствах его верхней части.

Такие наблюдения особенно важны над океанами и малонаселёнными территориями, где наземных станций мало. Вместе с радаром и измерениями на земле спутники дают метеорологам более полную картину.

Как наблюдать за облаками школьнику

Можно вести «облачный дневник». Запишите дату и время, оцените, сколько неба закрыто облаками, зарисуйте их форму и отметьте погоду. Через несколько часов посмотрите, изменилась ли облачность. Не смотрите прямо на Солнце, даже если оно прикрыто тонким облаком: яркий солнечный свет опасен для глаз.

Через неделю сравните записи. Возможно, вы заметите, что плоский серый слой сопровождается одной погодой, а быстро растущие вверх кучевые облака — другой. Так обычное наблюдение превращается в небольшое исследование.

Краткий план доклада

1. Что называют облаком.
2. Откуда в атмосфере берётся водяной пар.
3. Почему поднимающийся воздух охлаждается.
4. Что такое конденсация и ядра конденсации.
5. Какими способами воздух поднимается вверх.
6. Как облачные частицы превращаются в осадки.
7. Почему облака важны для круговорота воды и погоды.

Вывод

Облако образуется не потому, что в небо поднимается готовая «белая масса». Сначала вода испаряется и становится невидимым водяным паром. Влажный воздух поднимается и охлаждается, а при достижении насыщения часть пара конденсируется на мельчайших частицах. Возникают капли воды и кристаллы льда, которые вместе становятся видимым облаком. Облака постоянно меняются, участвуют в круговороте воды, дают осадки и заметно влияют на погоду и климат Земли.