Согласно современной классификации, в тропосфере существуют десять основных форм облаков, различающихся
внешним видом и структурой.
Из них восемь относят к категории облаков горизонтального развития (их называют слоистообразными облаками), а две формы — к категории облаков вертикального развития (их называют также кучевообразными облаками).
Как и туманы, облака возникают в результате конденсации водяного пара в жидкое и твердое состояния.
Подобно туманам облака образуются или вследствие увеличения абсолютной влажности воздуха, или в результате понижения температуры воздуха. На практике в образовании облаков участвуют оба указанных фактора.
Понижение температуры воздуха обусловлено:
- во-первых, подъемом (восходящим движением) воздушных масс;
- во-вторых, адвекцией воздушных масс — их перемещением в горизонтальном направлении, благодаря которому теплый воздух, переместившись, может оказаться над холодной земной поверхностью.
Ограничимся обсуждением образования облаков, вызванного понижением температуры воздуха при восходящем движении. Очевидно, что такой процесс существенно отличается от образования тумана — ведь туман практически не поднимается вверх, он остается непосредственно у земной поверхности.
Отметим четыре причины, обусловливающие восходящее движение воздушных масс.
Первая причина — конвекция воздуха в атмосфере.
В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передает тепло приземным массам воздуха — и начинается их конвективный подъем. Так возникают облака конвективного происхождения. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно такое происхождение. Процесс образования облака начинается с того, что некоторая воздушная масса поднимается вверх. По мере подъема будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и поэтому при достаточно большом его объеме (а в образовании облака участвует действительно большой объем воздуха) теплообмен между рассматриваемым воздухом и окружающей средой просто не успевает произойти за время подъема. При адиабатном расширении воздух, не получая теплоты извне, совершает работу только за счет собственной внутренней энергии, а потому охлаждается.
Итак, поднимающийся вверх воздух будет охлаждаться. Когда начальная температура Т0 поднимающегося воздуха понизится до точки росы Тр, соответствующей упругости содержащегося в нем пара, станет возможным процесс конденсации этого пара. При наличии в атмосфере ядер конденсации (а они практически всегда присутствуют) этот процесс действительно начинается. Высота Н, по достижении которой поднимающимся воздухом начинается конденсация пара, определяет нижнюю границу формирующегося облака (рис. а). Ее называют уровнем конденсации.
В метеорологии применяют приближенную формулу для высоты Н (так называемую формулу Ферреля):
Н= 120(Т0- Тр)
где Н измеряется в метрах.
Продолжающий поступать снизу воздух пересекает уровень конденсации, и процесс конденсации пара происходит уже выше этого уровня — облако начинает развиваться в высоту (рис. б). Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух, охладившись, перестанет подниматься. При этом сформируется нечетко выраженная верхняя граница облака (рис. в). Ее называют уровнем свободной конвекции. Он располагается несколько выше уровня, на котором температура поднимающегося воздуха становится равной температуре окружающего воздуха.
Рис.
Вторая причина подъема воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своем пути горы или иные природные возвышения.Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. Образующиеся в данном случае облака называют облаками орографического происхождения (от греческого слова oros, означающего «гора»). Понятно, что такие облака не получают существенного развития в высоту (она ограничена высотой преодолеваемого воздухом возвышения); в этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.
Третья причина подъема воздушных масс — возникновение теплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над теплым фронтом — когда теплая воздушная масса, надвигаясь на холодную массу воздуха, вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Фронтальная поверхность (поверхность холодного клина) очень пологая — тангенс утла ее наклона к горизонтальной поверхности составляет всего 0,005—0,01. Поэтому восходящее движение теплого воздуха мало отличается от горизонтального движения; как следствие, облачность, возникающая над холодным клином, слабо развивается в высоту, но имеет значительную горизонтальную протяженность. Такие облака называют облаками восходящего скольжения. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высокослоистые облака, а в верхнем ярусе — перисто-слоистые и перистые (понятно, что облака верхнего яруса образуются уже далеко за линией атмосферного фронта). Горизонтальная протяженность облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.
Образование облаков происходит также и над холодным атмосферным фронтом — когда наступающая холодная воздушная масса поддвигается под массу теплого воздуха и тем самым поднимает ее. В этом случае наряду с облаками восходящего скольжения могут возникать также кучевые облака.
Четвертая причина подъема воздушных масс — циклоны.
Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх. Интенсивный подъем воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облакообразованию — возникают облака циклонического происхождения. Это могут быть слоисто-дождевые, высокослоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона.
Облака горизонтального развития сильно развиты в горизонтальном направлении (их горизонтальная протяженность составляет от 10 до 1000 км) и относительно слабо в вертикальном направлении (облако может иметь толщину, измеряемую всего лишь сотнями метров). Время жизни таких облаков относительно большое — оно
измеряется сутками. Вертикальные перемещения воздушных масс в облаках происходят медленно — со скоростями, не превышающими 10-30 см/с.
Как уже отмечалось, существуют восемь форм облаков горизонтального развития.
Представим их, перемещаясь от нижнего яруса к верхнему.
У облаков горизонтального развития высота нижней границы находится в интервале от 100 м до 10 км.
Поэтому облака горизонтального развития подразделяют на облака нижнего яруса (высота нижней границы облака от 0,1—0,4 км до 1 км), облака среднего яруса (высота нижней границы от 2 до 5 км), облака верхнего яруса (высота нижней границы от 6 до 10 км).
Облака нижнего яруса состоят целиком или в основном из водяных капель, а верхнего яруса — целиком из ледяных кристаллов. Облака среднего яруса состоят как из капель, так и из кристаллов.
В нижнем ярусе выделяют три формы облаков: слоистые, слоисто-дождевые, слоисто-кучевые.
- Слоистые облака имеют вид тонкого однородного слоя без определенных очертаний, похожего на туман, который приподнялся над земной поверхностью. Они могут образоваться на склоне горы. Осадки не выпадают, если не считать мелкой мороси.
- Слоисто-дождевые облака отличаются весьма неопределенной размытой формой и в отличие от других слоистообразных облаков могут иметь толщину в несколько километров. Они могут дать начало обложному дождю или снегу. Именно с такими облаками связано представление о пасмурной погоде.
- Слоисто-кучевые облака подобны слоистым, но в отличие от них имеют хорошо выраженную структуру в виде слоя из крупных гряд и полос, разделенных просветами или сливающимися в сплошной волнистый покров. Осадки отсутствуют.
В среднем ярусе выделяют две формы облаков: высоко-кучевые и высоко-слоистые.
- Высоко-куче вые облака похожи на слоисто-кучевые, но характеризуются более четким и выразительным разбиением на длинные гряды и круглые глыбы. Осадки отсутствуют.
- Высоко-слоистые облака совершенно не похожи на высоко-кучевые. Они выглядят как однородная пелена без какой-либо структуры, нередко закрывающая все небо. Сквозь пелену просвечивает солнце. Эти облака могут вызывать дождь, а в зимнее время снегопад.
В верхнем ярусе выделяют три формы облаков: перистые, перисто-слоистые, перисто-кучевые.
- Перистые облака имеют характерный вид переплетений нежных белых нитей и тонких полос, образующих силуэты птичьих крыльев и хвостов или рыбьих скелетов.
- Перисто-слоистые облака выглядят как однородная белесая полупрозрачная пелена в которой просматривается волокнистое строение.
- Перисто- кучевые облака — белые тонкие облака, имеющие вид мелких волн, хлопьев или ряби. Употребляемый в просторечии термин «небо в барашках» относится именно к таким облакам. Все облака верхнего яруса не дают осадков.
Облака вертикального развития относительно слабо развиты в горизонтальном направлении (их горизонтальная протяженность колеблется от одного до нескольких километров, в отдельных случаях до десятка километров), зато толщина облаков, которую лучше называть высотой, доходит до 10 км и даже 15 км, так что вершина облака может достичь стратосферы. Время жизни таких облаков невелико — от нескольких десятков минут до нескольких часов. Вертикальные перемещения воздушных масс происходят достаточно быстро; максимальные скорости достигают нескольких метров в секунду, а в кучево-дождевых облаках они могут составлять 20 м/с.
У облаков вертикального развития высота нижней границы не превышает двух километров (у кучевых облаков она находится в пределах от 0,8 до 2 км, а у кучево-дождевых — от 0,4 до 1,5 км).
Переходя к облакам вертикального развития, напомним, что они подразделяются на две формы. Это либо кучевые, либо кучево-дождевые облака.
Различают кучевые облака хорошей погоды и мощные кучевые облака.
Кучевые облака хорошей погоды обычно отделены одно от другого, тогда как мощные кучевые облака образуют причудливые нагромождения высотой от 3 до 5 км и горизонтальной протяженностью до 10 км.
Физические процессы, происходящие в кучевом облаке обусловливают характерные особенности его внешнего вида — вытянутость в вертикальном направлении, куполообразную вершину, обилие белых клубов. При всем том
кучевые облака поражают неповторимостью своего вида; ни одно из них не копирует другое.
Кучевые облака, как правило, осадков не дают, а вот кучеводождевые облака, называемые также фозовыми, дают ливневые осадки, которые могут сопровождаться фадом.
Кучево- дождевые облака по своему виду похожи на кучевые, но имеют более крупные размеры и более высоки. Внизу они темные, иногда почти черные. Вершина облака обычно растекается в горизонтальном направлении, что придает ему форму наковальни. Кучево-дождевые облака смешанные: в нижней части они состоят из водяных капель, а в верхней из кристаллов льда.
