§ 12. ОБЛАКА И ОСАДКИ

Образование облаков. В летний день земная поверхность, поглощающая большую часть падающего на нее солнечного излучения, имеет более высокую температуру, чем прозрачный атмосферный воздух. Слой воздуха, находящийся у поверхности Земли, нагревается больше, чем слой воздуха, расположенный над ним, так как, кроме излучения Солнца, он подогревается еще и снизу земной поверхностью.

Поверхность Земли неоднородна. На ней имеются холмы и долины, леса и степи, моря и горы, поэтому нагревание земной поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха в различных местах оказывается неодинаковым. Воздух над участком поверхности Земли, имеющим повышенную температуру по сравнению с соседними участками, в результате нагревания при постоянном давлении расширяется. Понижение плотности воздуха при расширении приводит

Рис. 9. Грозовое облако образуется в восходящем потоке воздуха

к тому, что он «всплывает» вверх, а его место занимает более плотный и холодный воздух из соседних участков (рис. 9).

Однако на этом процесс не прекращается. Подъем некоторого количества теплого воздуха в более высокие слои атмосферы сопровождается его дальнейшим расширением, так как по мере удаления от поверхности Земли давление в атмосфере уменьшается. Расширение воздуха при подъеме сопровождается его охлаждением.

Процесс охлаждения газа при расширении можно объяснить качественно следующим образом. Если объем сосуда, в который заключен газ, увеличивается за счет того, что одна из стенок сосуда удаляется от противоположной стенки со скоростью и, то соударения молекул газа с этой «убегающей» стенкой будут приводить к уменьшению их скорости после каждого удара. Уменьшение средней кинетической энергии теплового движения молекул в результате таких соударений и есть причина понижения температуры газа при расширении.

Для сухого воздуха подъем на 100 м по вертикали сопровождается охлаждением примерно на 1 °С (рис. 10). Очевидно, что подъем нагретого воздуха будет продолжаться до тех пор, пока его температура в результате охлаждения при расширении не сравняется с температурой воздуха на достигнутой высоте.

При подъеме и охлаждении воздуха, содержащего пары воды, на некоторой высоте водяной пар из ненасыщенного становится пересыщенным, происходит конденсация пара и возникает облако, состоящее из мелких водяных капель. Высота нижней границы

Рис. 10. Изменение температуры воздуха при его подъеме

облака определяется условием охлаждения поднимающегося воздуха до точки росы.

Процесс конденсации водяного пара в облака сопровождается выделением тепла, поэтому воздух в облаке охлаждается менее интенсивно, чем вне его. Процесс дальнейшего его расширения и подъема продолжается. Облака могут иметь протяженность по вертикали свыше 10 км. Их вершины при этом даже в жаркий летний день находятся в слоях воздуха с температурой ниже 0 °С и состоят не из водяных капель, а из кристаллов льда.

После выяснения механизма образования облаков, естественно, возникает вопрос: почему они не падают на Землю? Ответить на этот вопрос несложно. Как показали экспериментальные исследования структуры облаков, размеры водяных капель в них лежат в пределах от 2 до 70 мкм. Капли таких малых размеров падают в воздухе с очень малой скоростью. Например, скорость падения капли радиусом 10 мкм составляет всего 1 см/с. Эффект уменьшения скорости падения капли с убыванием ее радиуса объясняется тем, что сила тяжести пропорциональна объему капли, т. е. кубу ее радиуса: а сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости движения капли и площади ее поперечного сечения, т. е. квадрату ее радиуса:

С уменьшением радиуса капли сила тяжести убывает быстрее, чем сила сопротивления воздуха, и эти силы оказываются уравновешенными при все меньших значениях скорости движения и.

Осадки. Если процесс конденсации пара в облаке идет более интенсивно, чем процесс испарения капель воды на поверхности облака, развитие облака может завершиться выпадением из него дождя, снега или града.

Образование осадков в облаке происходит примерно следующим образом. По мере подъема вверх восходящим воздушным потоком водяные капли в результате процесса конденсации пара все увеличиваются в размерах. Этот процесс продолжается до тех пор, пока размеры капли не станут такими, что скорость ее падения превысит скорость подъема восходящего потока воздуха в облаке. Капли, падающие вниз, встречают на своем пути более мелкие капли, поднимающиеся вверх, сливаются с ними, укрупняются. Процесс

продолжается до тех пор, пока они не выпадут из облака в виде дождя.

Особенно эффективно происходит образование осадков, если вершина облака состоит из кристалликов льда. При достижении критических размеров кристаллики льда начинают падать. Процесс конденсации пара на их поверхности в нижних слоях облака протекает гораздо интенсивнее, чем на поверхности капель. В результате из облака выпадает снег, который на пути к поверхности Земли может растаять и выпасть в виде дождя.