что такое облака и принцип их образования

Почему облака на небе разной формы? Как происходит их формирование?

Все мы знаем, что если посмотреть на небо, то можно увидеть облака разной формы. Почему они так сильно отличаются друг от друга? В чем причина, что порой у нас над головой плывут причудливые милые барашки, а иногда вместо них нависает хмурая зловещая масса? И как происходит формирование облаков?

Оказывается, все это объяснимо простыми законами физики. А для разновидностей облачности придумана даже международная система классификации. Она учитывает все разнообразие облачных масс, их формы и свойства.

Системы классификации

Систем классификации на самом деле существует несколько.

Первую придумал еще в начале девятнадцатого века английский фармацевт, являвшийся по совместительству метеорологом-любителем, Люк Говард. Недостаток его системы был в том, что его классификация никак не опиралась на физические процессы. Ведь этот ученый был химиком-фармацевтом, а не физиком.

Для понимания явлений, происходящих при формировании облаков и для поиска ответа на вопрос, почему они такие разные, лучше подходит генетическая классификация. Именно она связывает форму с физическими процессами.

Что такое облако?

Облако – это скопление водного конденсата в атмосфере, видимое глазом.

Ключевым в этом определении является то, что процесс формирования происходит в атмосфере, то есть, на некоторой высоте. Потому, что, похожее явление у поверхности земли называется туманом. Оно имеет совсем другую природу, чем облачность. Конденсация на поверхности (на почве, траве) называется росой (когда тепло) или инеем (в морозные дни).

Более того, роса и иней – вообще не относятся к облакам. Они являются разновидностью атмосферных осадков.

Поэтому нужно запомнить, что облака – это скопление на высоте капелек воды или кристаллов льда.

Существует три вида облачности, отличающиеся по составу, и состоящие из:

Распространенные заблуждения

Многие считают, что раз формирование облаков происходит в атмосфере, то состоят они из водяного пара. Это мнение является ошибочным.

Если бы облачные массы состояли из пара, то мы б их не видели. Так как пар – невидим. Все облака разной формы, которые мы наблюдаем на небе состоят именно из воды.

Еще одним распространенным заблуждением является мнение, что облака могут существовать долго. А как же иначе? Ведь часто мы наблюдаем облачную унылую погоду по несколько дней или недель подряд.

На самом деле любое облако, какой бы формы оно не было, живет всего 15-20 минут. Вода из него постоянно испарятся. Но, в то же время, параллельно происходит постоянный процесс конденсации. И на месте одних облачных масс образуются другие.

То есть, формирование облаков – это постоянный процесс. Ввиду его непрерывности создается впечатление, что облачность на небе висит продолжительное время.

Как происходит формирование облаков?

Первое условие для начала процесса формирования облаков – это наличие влаги в атмосфере. Появиться она может лишь в процессе испарения. Причем, как с поверхности воды или суши, так и из растений. Явление, когда происходит образование испарений из растений, называется трансферацией. Влага в атмосферу попадает в виде пара.

Второй этап процесса формирования облаков – это подъем, насыщенного паром воздуха, вверх. При подъеме воздух охлаждается. Но, становится холоднее он не от того, что там вверху холодно. Его температура снижается за счет того, что воздух попадает в более разреженные слои (с меньшим атмосферным давлением) и расширяется (увеличивается в объеме).

Расширение – это работа, на совершение которой требуется энергия. Извне энергия не поступает. Следовательно, для расширения объема воздушные массы используют внутренние ресурсы, которыми является в данном случае, температура.

Чем выше поднимается воздух – тем больше он разрежается и охлаждается. По законам физики, чем воздушные массы холоднее, тем меньше водяного пара они могут вмещать. Следовательно, излишки пара начинают конденсироваться. В воздухе образуются капельки воды, которые и формируется облачность. Конденсация – это и есть третий этап формирования облаков.

Какой фактор влияет на то, что облака образуются разной формы?

Нам уже известно три главных процесса, в результате которых происходит формирование облаков. Теперь остается выяснить, какой же из них влияет на то, что облака образуются разной формы?

Оказывается, главным фактором формообразования облачных масс является подъем воздуха на высоту. Именно этот процесс является ключевым в том, что мы увидим на небе – нависающие слои туч, барашки или волны. А может, мы увидим вовсе причудливые формы, в которых мозг человека так любит угадывать знакомые очертания привычных предметов или объектов.

Генетическая классификация построена на разнообразии процессов поднятия воздуха в атмосфере. Разобравшись в ней, мы сможем понять, почему облака разной формы.

Облака конвекции

Исходя из названия, нетрудно догадаться, что формирование таких облачных образований происходит в результате перемешивания. В силу вступает закон Архимеда.

Теплый воздух (более легкий) по законам физики поднимается вверх. Но устремляется ввысь он лишь до тех пор, пока вокруг него находятся воздушные массы более холодные.

Оптимальными условиями формирования облаков конвекции является ситуация, когда температура около земли высокая, а в атмосфере она резко снижается.

Суша прогревается в теплое время года лучше, чем водная гладь морей. Поэтому, вполне закономерно, что конвективные облака наблюдаются в средних широтах чаще всего над континентом летом, а также в теплые деньки весны и осени.

Формирование в теплое полугодие – это основная главная черта конвективных облачных масс. А это и есть те самые облака разной формы в виде башенок или кумулюсов (по международной классификации). Для нас более привычное их название – кучевые.

Башенки из капелек воды могут быть небольшими, а могут быть огромными кучево-дождевыми, из которых проливается на землю дождь. Иногда он может сопровождаться градом, грозами, шквалистым ветром.

Этот вид облачности является типичным для представления в умах большинства людей. Кучевые облака разной формы мы видим на картинках прогнозов погоды, детских рисунках, красивых фото небесной глади.

Термическая конвенция или закон подлости

Формирование кучевых облаков – это еще процесс, который называется термическая конвекция. Спросите, почему его сравнивают с законом подлости? Виной всему типичная ситуация, в которую попадал хоть раз каждый из нас.

Проснувшись утром в летний выходной, вы видите в окне голубое ясное небо. Естественно, в голову приходит мысль, отправиться погулять на природу, в лес, на пляж.

Пока вы обзваниваете друзей, договариваетесь о встрече и собираете бутерброды, воздух в атмосфере прогревается. По неумолимым законам физики теплые воздушные массы устремляются ввысь. И, если вы внимательно читали предыдущие разделы, то уже понимаете, почему пока вы добрались до речки – небо заполонили кучевые облака разной формы. Не исключено, что начнется ливень, гроза или даже град.

Вам ничего не остается, как собрать корзины для пикника и отправиться назад домой.

Вечером, когда температура снижается, облака рассеиваются. Вернувшись домой, вы с удивлением замечаете, что над головой уже чистое небо. Процесс формирования облаков закончился. Те, что образовались раньше, уже пролились дождем. Чем не закон подлости?

Нет, на самом деле, вы ошибаетесь. Это, вполне предсказуемый, закон физики.

Даже когда вы считаете, что закон подлости не сработал, и вам просто повезло, вы все равно ошибаетесь. Это циклон высокого давления помешал формированию конвекционных облаков. И везение тут вовсе не причем.

Слоистообразные (слоистые)

Формирование слоистых облаков происходит при столкновении огромных масс теплого и холодного воздуха, протяженность которых может достигать нескольких тысяч километров. Линия столкновения воздушных масс называется воздушным фронтом.

В зоне такого взаимодействия теплые воздушные массы скользят по клину холодного фронта. Поднимаются вверх они медленно, спокойно. Но, при этом процесс формирования облаков происходит на огромном протяжении.

Если в предыдущем случае, в результате конвекции получались облака разной формы, то теперь они представляют собой слои.

Но, слоистообразные облачные массы также бывают разные. Они могут иметь формы:

Формирование слоистых облаков – это всегда затянутое тучами хмурое небо, длительные осадки.

Волнообразные облака

Волновые движения – это естественный процесс для атмосферы Земли. Образуются они чаще всего в областях раздела, в местах, где присутствует скачок плотности.

Место формирования волнообразных облаков – это слои инверсии. Находятся они на высоте, где температура воздуха перестает падать и начинает подниматься. Теплый воздух оказывается сверху холодного. Образуется поверхность раздела, где формируются облака волнообразные. Разные их формы присущи для разных высот.

Инверсия не дает воздуху подниматься дальше. Возникает интересный эффект, напоминающий крышку кастрюли, где скапливается конденсат.

Воспроизвести волнообразные облака смогли искусственно создатели фантастического фильма Стивена Спилберга. Для того чтобы не дожидаться подходящей погоды, нужной для съемок, умельцы изобрели уникальную установку. В ней находилась теплая вода внизу и холодная вверху. Между ними впрыскивалась белая краска. В результате инверсии образовывалось подобие облачного слоя, который был очень похож на настоящий. Особая подсветка позволяла создать нужную атмосферу на съемочной площадке.

Это изобретение претендовало на премию Оскар. Но, к сожалению, высокая комиссия не смогла по достоинству оценить идею изобретателей.

Источник

Облака

Белоснежные, пушистые, плавно плывущие по небу облака красивы и необычны. Неотрывно любуешься ими, выискивая причудливые образы и формы. Атмосферные образования бывают разными по форме, величине, цветовой гамме, располагаются на разном расстоянии от планетарной поверхности. Воспринимаются как привычное явление, хотя не все знают причины их образования и виды. Ученые активно изучают атмосферное явление, с очередным исследованием получают новые интересные факты.

Что такое облака?

Облака – скопившиеся в атмосфере мельчайшие капли воды и ледяные кристаллы, являющиеся результатом конденсации водяного пара. Аналогичные образования, прилегающие к земной поверхности, называются туманом.

Облаками покрыта почти половина приземного атмосферного слоя. Окружающая планету облачная масса несет более 100 тонн воды, является существенной частью планетарного водного круговорота. Водяная взвесь перемещается в воздушном пространстве на сотни километров, обеспечивая распределение влаги на Земле.

Облако весит меньше окружающего воздуха, благодаря чему плывет по небу. Скорость перемещения обуславливается активностью ветра.

Белизна атмосферного объекта объясняется тем, что составляющие его структуру водяные капли крупнее окружающих атмосферных частиц. Капля, формой приближаясь к треугольнику, способна разделять проходящий сквозь нее световой луч на основные цвета, объединяющиеся в белый поток. Белый цвет превращается в серый, когда скопление капель уплотняется настолько, что прекращает пропускать световые лучи.

Продолжительность существования облаков определяется степенью влажности воздуха. При невысокой влажности испарение протекает интенсивно, облачная масса быстро иссякает (за 10 – 20 минут). Воздух с достаточной влажностью обеспечивает длительное существование водяной взвеси. Достигнув определенной плотности скопления, капли воды выпадают осадками.

Как образуются облака?

Достигнув верхних, более холодных атмосферных слоев, воздух остужается, находящийся в нем пар конденсируется: формируются микроскопические капли воды и частицы льда, становящиеся основой облака. Вода в атмосферном образовании пребывает в 3 агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном. Агрегатное состояние – определяющий фактор вида объекта, его характеристик: длительности формирования и существования, внешнего вида, типа и обильности осадков.

При насыщенном влагой воздухе облако не способно образоваться без присутствия конденсационных частиц (пылевых, дымовых, солевых). Водяные капли прилипают к частицам, посредством их удерживаются в воздухе во взвешенном состоянии.

Агрегатное состояние, принимаемое каплями, определяется температурой в верхних атмосферных слоях:

Какие бывают облака?

Образуются облака в тропосфере – нижнем слое атмосферы, занимающем пространство в 10 км от земной поверхности в полярных широтах, 12 км – в умеренных, 18 км – в тропиках. Редкие виды существуют выше тропосферы (на расстоянии от 20 до 80 км от планетарной поверхности).

Классификация облаков включает 4 вида:

Структуры верхнего яруса формируются на высоте 6 – 18 км, из них не выпадают атмосферные осадки:

Скорость перемещения объектов верхнего слоя обуславливается преимущественно активностью ветра, составляет от 10 до 200 км/ч.

Виды облаков среднего яруса характеризуются смешанным составом: водяные капли (преобладают в теплые месяцы) и ледяные кристаллы (в холодные месяцы). Образуются на высоте 3 – 6 км, в тропиках поднимаются до 8 км:

Объекты среднего слоя способны образовывать осадки, но из-за значительного расстояния выпадающая влага не достигает земной поверхности, испаряется при падении (вирга). Описанный вид облачности всегда предвещает пасмурную погоду.

Образования нижнего яруса занимают высоту до 2 км. В теплые месяцы включают капли воды, в холодные – льдинки и снежинки. Выглядят плотной, низко висящей массой преимущественно серого цвета:

К облакам вертикального развития, устремленным преимущественно вертикально, захватывающим высокие и низкие тропосферные слои, относятся:

Помимо основных типов облаков, существуют редкие и необычные разновидности:

Отдельным техническим видом следует назвать конденсационный самолетный след. Белая полоса появляется в небе, когда летательный аппарат пересекает область холодного воздуха. Теплая воздушная струя, выбрасываемая из выхлопной системы, оставляет тонкую облачную дорожку.

Чем отличается облако от тучи?

Термин «туча» в науке отсутствует. Это обывательское понятие, употребляемое при описании крупного темного облака, грозящего осадками.

Разницу между тучей и облаком установить несложно:

Значение облаков для планеты огромно. Их главная задача – распределение влаги, перенос ее из влажных областей в сухие. Благодаря этому формируются погодные условия, смягчаются переходы между климатическими зонами, жизнь существует во всех уголках планеты.

Источник

Почему образуются облака?

Как и туманы, облака возникают в результате конденсации водяного пара в жидкое и твёрдое состояния. Конденсация происходит или вследствие увеличения абсолютной влажности воздуха, или в результате понижения температуры воздуха. На практике в образовании облаков участвуют оба фактора.

Понижение температуры воздуха обусловлено, во-первых, подъёмом (восходящим движением) воздушных масс и, во-вторых, адвекцией воздушных масс — их перемещением в горизонтальном направлении, благодаря чему тёплый воздух 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 остаётся непосредственно у земной поверхности.

Что заставляет воздух подниматься вверх? Отметим четыре причины восходящего движения воздушных масс. Первая причина — конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передаёт тепло приземным массам воздуха — и начинается их подъём. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно конвективное происхождение.

Процесс образования облака начинается с того, что некоторая воздушная масса поднимается вверх. По мере подъёма будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и поэтому при достаточно большом его объёме (а в образовании облака участвует действительно большой объём воздуха) теплообмен между поднимающимся воздухом и окружающей средой просто не успевает произойти за время подъёма. При адиабатном расширении воздух, не получая теплоты извне, совершает работу только за счёт собственной внутренней энергии, а потом охлаждается. Итак, поднимающийся вверх воздух будет охлаждаться.

Формирование облаков в результате конвекции

Когда начальная температура T₀ поднимающегося воздуха понизится до точки росы T_р, соответствующей упругости содержащегося в нём пара, станет возможным процесс конденсации этого пара. При наличии в атмосфере ядер конденсации (а они практически всегда присутствуют) этот процесс действительно начинается. Высота H, на которой начинается конденсация пара, определяет нижнюю границу формирующегося облака. Её называют уровнем конденсации. В метеорологии применяют приближённую формулу для высоты H (так называемую формулу Ферреля):

где H измеряется в метрах.

Продолжающий поступать снизу воздух пересекает уровень конденсации, и процесс конденсации пара происходит уже выше этого уровня — облако начинает развиваться в высоту. Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух, охладившись, перестанет подниматься. При этом сформируется нечётко выраженная верхняя граница облака. Её называют уровнем свободной конвекции. Он располагается несколько выше уровня, на котором температура поднимающегося воздуха становится равной температуре окружающего воздуха.

Вторая причина подъёма воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своём 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 όρος, 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 подъёма воздушных масс — возникновение тёплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над тёплым фронтом — когда тёплая воздушная масса, надвигаясь на холодную массу воздуха, вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Фронтальная поверхность (поверхность холодного клина) очень пологая — тангенс угла её наклона к горизонтальной поверхности составляет всего 0,005–0,01. Поэтому восходящее движение тёплого воздуха мало отличается от горизонтального движения; как следствие облачность, возникающая над холодным клином, слабо развивается в высоту, но имеет значительную горизонтальную протяжённость. 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 протяжённость облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.

Формирование облаков над тёплым атмосферным фронтом

Образование облаков происходит также и над холодным атмосферным фронтом — когда наступающая холодная воздушная масса подвигается под массу тёплого воздуха и тем самым поднимает её. В этом случае наряду с облаками восходящего скольжения могут возникать также кучевые облака.

Формирование облаков над холодным атмосферным фронтом

Четвёртая причина подъёма 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 подъём 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.

По книге Л. В. Тарасова «Ветры и грозы в атмосфере Земли» (Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011).

Источник

Облака — что такое облако, виды облаков и как они образуются

Облака … мы встречаемся с ними каждый день. Про облака — кратко и доступно.

Что такое облако

Каждый раз, подняв голову к небу, по количеству, форме и цвету облаков мы пытаемся или сделать прогноз погоды, или просто любуемся их красотой.

Приведем несколько точных определений.

Облака — это …

Научно-технический энциклопедический словарь

ОБЛАКА, видимая масса частиц воды или кристаллов льда, взвешенных в нижних слоях атмосферы. Облака образуются, когда вода, находящаяся на поверхности Земли, превращается в пар в процессе ИСПАРЕНИЯ. По мере подъема в атмосферу пар охлаждается и конденсируется вокруг микроскопических частиц солей и пыли, превращаясь в капли. Там, где температура атмосферы низкая (ниже температуры замерзания воды), капли превращаются в лед. Облака подразделяются на 10 видов.

Научно-технический энциклопедический словарь

География. Современная иллюстрированная энциклопедия

Облака — скопления взвешенных в атмосфере продуктов конденсации водяного пара – капель воды, ледяных кристаллов или их смеси; основной источник осадков, выпадающих на поверхность Земли при укрупнении облачных частиц. Содержание сконденсированных частиц в облаках составляет от нескольких сотых долей грамма до нескольких граммов на 1 м³ облачного воздуха. Облака играют важнейшую роль в климатической системе, отражая солнечную радиацию в космос и препятствуя тем самым прогреву приземных слоёв атмосферы.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. — М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006

Военно-морской Словарь

Облака (Clouds) — скопление мельчайших водяных капелек, ледяных кристалликов или снежинок, взвешенных в воздухе на большей или меньшей высоте. Мельчайшие капельки, из которых состоят облака, выделяются при охлаждении влажного воздуха, что происходит главным образом при поднятии воздушных масс снизу вверх в результате конвекции (кучевые и ливневые облака), при восхождении теплых потоков воздуха на теплых и холодных фронтах (слоисто-дождевые, ливневые и некоторые облака более высоких ярусов) и при смешении теплого влажного воздуха с холодным при ветрах (слоистые облака).

EdwART. Толковый Военно-морской Словарь, 2010

Большая советская энциклопедия

Облака — атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации водяного пара в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется Туманом. Обл. — существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. О. покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 109 тонн воды. О. являются важным звеном Влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978

Обл., как и многие другие, связанные с водой явления и формы, имеют романтическую ауру и мифологию … Они всегда были и будут неисчерпаемым источником вдохновения для многих художников, поэтов и просто мечтателей.

Тем не менее, в данном материале речь пойдет, в большей степени, про их физическую суть, о физических свойствах и видах.

В отличие от поэзии физика наука прозаичная, строгая 🙂 и дает облакам определение в соответствии с установленными канонами академической науки, и определяет обл. как скопление «облачных элементов» — капелек воды и кристалликов льда, которые образовались в процессе конденсации.

Как облака образуются

Обл. покрывают порядка 40% поверхности Земли и содержат приблизительно 10 в десятой степени тонн чистейшей воды. Температура более трети, от всей воды содержащейся в облаках отрицательная.

Несмотря на кажущееся многообразие, обл. классифицируются на несколько видов и типов.

Виды облаков — кучевые облака, перистые, слоистые, дождевые …

Cirrus (Ci) — перистые; Cirrostratus (Cs) — перисто — слоистые; Cirrocumulus (Cс) — перисто — кучевые; Altostratus (As) — Высоко — слоистые; Altocumulus (Ac) — высоко — кучевые; Nimbostratus (Ns) — слоисто-дождевые; Stratocumulus (Sc) — слоисто — кучевые; Stratus (St) — слоистые; Cumulus (Cu) — кучевые; Cumulonimbus (Cb) — кучево — дождевые.

Морфологическая классификация, в зависимости от высоты расположения нижней границы облака и его внешнего вида:

Обл. верхнего яруса — нижняя граница более 6 км:

Среднего яруса — нижняя граница от 2 до 6 км:

Нижнего яруса — нижняя граница менее 2 км:

Обл. вертикального развития (облака конвекции) — нижняя граница менее 2 км:

Генетическая классификация, по условиям образования:

Кучевообразные обл.:

Слоистообразные обл.:

Волнистообразные обл.:

Так же встречаются более редкие виды обл. — перламутровые облака и серебристые, которые располагаются на высотах 20-25 км и 70-80 км соответственно.

Источник