Метеорология и климатология (рус.)

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. Однако их можно свести к относительно небольшому числу основных типов. Первая классификация облаков была предложена более полутораста лет тому назад (Л. Говардом в Англии). В конце XIX века была принята международная классификация облаков, которая с тех пор несколько раз подвергалась существенным, однако не принципиальным изменениям. В современном ва­рианте международной классификации облака делятся прежде всего на 10 основных родов по их внешнему виду. В этих основ­ных родах различают значительное число видов, разновидно­стей и дополнительных особенностей; различаются также про­межуточные формы.

Мы перечислим здесь только десять основных родов облаков (кроме русских названий, приводятся также международные латинские названия и их сокращения, которые следует за­помнить):

По своему строению облака делятся на три класса.

Водяные (капельные) облака, состоящие только из ка­пелек. Они могут существовать не только при положительных температурах, но и при температурах ниже нуля; в этом случае капельки будут находиться в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно.

Смешанные облака, состоящие из смеси переохлажденных капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах.

Ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах.

В теплое время года водяные облака образуются главным образом в нижних слоях тропосферы, смешанные — в средних слоях, ледяные — в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать и вблизи земной поверхности. Чисто капельное строение облака могут сохранять до температур порядка —10° (иногда и ниже).

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 вес уравновешивается силой трения еще тогда, когда они имеют очень малую скорость, падения. Установившаяся скорость падения капелек получается равной лишь долям сантиметра в секунду. Скорость падения кристаллов еще меньше. Это относится к неподвижному воз­духу. Но турбулентное движение воздуха приводит к тому, что столь малые капельки и кристаллы вовсе не выпадают, а дли­тельное время остаются взвешенными в воздухе, смещаясь то вниз, то вверх вместе с элементами турбулентности.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относи­тельная влажность в воздухе, содержащем облака, убывает, то облака испаряются. При определенных условиях часть облачных элементов укрупняется и утяжеляется настолько, что выпадает из облака в виде осадков. Таким путем вода возвращается из атмосферы на земную поверхность.

Образование капелек при конденсации в атмосфере всегда происходит на некоторых центрах, называемых ядрами конден­сации. Если зародыш капельки возникает без ядра, он оказы­вается неустойчивым; молекулы, образовавшие комплекс, тут же разлетаются снова. Роль ядра конденсации заключается в том, что оно вследствие своей гигроскопичности увеличивает устой­чивость образовавшегося зародыша капельки. Если воздух искусственно освободить от ядер конденсации, то конденсации не будет даже при большом перенасыщении. Однако ядра кон­денсации в атмосфере всегда есть, и потому сколько-нибудь значительные перенасыщения не наблюдаются. Аэрозольные при­меси к воздуху в значительной части могут служить и ядрами конденсации.

Важнейшими ядрами являются частички растворимых гигроскопических солей, особенно морской соли, которая всегда обна­руживается в воде осадков. Они попадают в воздух в больших количествах при волнении моря и разбрызгивании морской воды и при последующем испарении капелек в воздухе. На греб­лях волн возникают пузырьки, наполненные воздухом (пена), которые затем лопаются, в результате чего и происходит раз­брызгивание. Разрыв только одного воздушного пузырька диа­метром 6 мм дает примерно 1000 капелек. При ветре 15 м/сек с одного квадратного сантиметра поверхности моря за одну секунду попадает в воздух несколько десятков ядер конденса­ции весом порядка 10^{-15 г} каждое. Солевые и вообще гигроско­пические ядра также попадают в атмосферу при распылении почвы.

Конденсация — переход воды из газообразного в жидкое состояние — происходит в атмосфере в виде образования мель­чайших капелек, диаметром порядка нескольких микронов. Более крупные капли образуются путем слияния мелких капелек или путем таяния ледяных кристаллов.

Конденсация начинается тогда, когда воздух достигает на­сыщения, а это чаще всего происходит в атмосфере при пониже­нии температуры. Количество водяного пара, недостаточное для насыщения, с понижением температуры до точки росы стано­вится насыщающим. При дальнейшем понижении температуры избыток водяного пара сверх того, что нужно для насыщения, переходит в жидкое состояние. Возникают зародыши облачных капелек, т. е. начальные комплексы молекул воды, которые в дальнейшем растут до величины облачных капелек. Если точка росы лежит значительно ниже нуля, то первоначально возникают такие же зародыши, на которых растут переохлаж­денные капельки; но затем эти зачаточные капельки замерзают, и на них происходит развитие ледяных кристаллов.

С высотой упругость водяного пара убывает; убывает и абсолютная, и удельная влажность. Это вполне понятно: ведь давление и плотность воздуха в целом также убывают с вы­сотой. Замечательно, однако, то, что процентное содержание во­дяного пара по отношению к постоянным газам воздуха также убывает с высотой. Это значит, что упругость и плотность водя­ного пара убывают с высотой быстрее (даже значительно бы­стрее), чем общее давление и общая плотность воздуха.

Зависит это от того, что водяной пар постоянно поступает в атмосферу снизу и, постепенно распространяясь вверх, конден­сируется в более или менее высоких слоях вследствие пониже­ния температуры. Поэтому в нижних слоях его больше по от­ношению к сухому воздуху, чем в верхних.

В приземных условиях влажность воздуха определяется всего удобнее психрометрическим методом, т. е. по показаниям двух термометров — с сухим и со смоченным резервуаром (сухого и смоченного). Испарение воды с поверхности смоченного термо­метра понижает его температуру по сравнению с температурой сухого термометра; понижение это тем больше, чем больше дефицит влажности. По разности температур сухого и смочен­ного термометров вычисляют упругость пара и относительную влажность воздуха. Для практических расчетов служат спе­циальные психрометрические таблицы. Величины упругости на­сыщения в психрометрических таблицах всегда даются для плоской поверхности пресной воды. Для отрицательных темпе­ратур дополнительно даются соответствующие значения отно­сительно льда. Пара термометров — с сухим и со смоченным резервуаром — называется психрометром. Психрометр помещается в метеороло­гической будке, причем резервуар одного из термометров по­стоянно поддерживается в смоченном состоянии (он обвязан батистом, конец которого опущен в стаканчик с водой). Для экспедиционных и микроклиматических наблюдений приме­няется аспирационный психрометр Ассмана, в котором резер­вуары термометров помещены в никелированные металлические трубки; при наблюдениях принудительная вентиляция пропу­скает сквозь трубки поток воздуха, обдувающий термометры. Один из термометров увлажняется перед самым наблюдением.