stringtranslate.com

Кучевые облака

Кучевые облака — это облака с плоским основанием , которые часто описываются как пушистые, ватные или пушистые по внешнему виду. Их название происходит от латинского cumulus , что означает «куча» или «груда». [1] Кучевые облака — это облака низкого уровня, обычно менее 2000 м (6600 футов) в высоту , если только они не являются более вертикальной формой cumulus congestus . Кучевые облака могут появляться сами по себе, в линиях или в скоплениях.

Кучевые облака часто являются предшественниками других типов облаков, таких как кучево-дождевые , под влиянием погодных факторов, таких как нестабильность , влажность и градиент температуры . Обычно кучевые облака производят мало или не производят осадков, но они могут перерасти в несущие осадки кучевые мощные или кучево-дождевые облака. Кучевые облака могут быть образованы из водяного пара , переохлажденных капель воды или ледяных кристаллов , в зависимости от температуры окружающей среды . Они бывают во многих различных подформах и, как правило, охлаждают землю, отражая поступающее солнечное излучение .

Кучевые облака являются частью более крупной категории свободно-конвективных кучевых облаков, которые включают кучево-дождевые облака. Последний тип рода иногда классифицируется отдельно как кучево-дождевые облака из-за его более сложной структуры, которая часто включает перисто-кучевую или наковальню . [2] Существуют также кучево-кучевые облака ограниченной конвекции, которые включают слоисто-кучевые (низкоуровневые), высококучевые (среднеуровневые) и перисто-кучевые (высокоуровневые). [3] Эти последние три типа рода иногда классифицируются отдельно как слоисто-кучевые. [2]

Формирование

Кучевые облака формируются над бассейном реки Конго

Кучевые облака образуются посредством атмосферной конвекции , когда воздух, нагретый поверхностью, начинает подниматься. По мере того, как воздух поднимается, температура падает (следуя градиенту температуры ), в результате чего относительная влажность (ОВ) повышается. Если конвекция достигает определенного уровня, ОВ достигает ста процентов, и начинается «влажно-адиабатическая» фаза. В этот момент возникает положительная обратная связь: поскольку ОВ выше 100%, водяной пар конденсируется, выделяя скрытое тепло , нагревая воздух и стимулируя дальнейшую конвекцию.

На этом этапе водяной пар конденсируется на различных ядрах, присутствующих в воздухе, образуя кучевое облако. Это создает характерную пухлую форму с плоским дном, связанную с кучевыми облаками. [4] [5] Высота облака (от его низа до его вершины) зависит от температурного профиля атмосферы и наличия любых инверсий . [6] Во время конвекции окружающий воздух увлекается (смешивается) с термиком , и общая масса восходящего воздуха увеличивается. [7] Дождь образуется в кучевом облаке посредством процесса , включающего две недискретные стадии. Первая стадия происходит после того, как капли объединяются на различных ядрах. Ленгмюр пишет, что поверхностное натяжение в каплях воды обеспечивает немного более высокое давление на каплю, повышая давление пара на небольшую величину. Повышенное давление приводит к тому, что эти капли испаряются, а образовавшийся водяной пар конденсируется на более крупных каплях. Из-за чрезвычайно малого размера испаряющихся капель воды этот процесс становится в значительной степени бессмысленным после того, как более крупные капли вырастают примерно до 20–30  микрометров , и наступает вторая стадия. [7] В фазе аккреции капля дождя начинает падать, а другие капли сталкиваются и объединяются с ней, увеличивая размер капли дождя. Ленгмюру удалось разработать формулу [примечание 1], которая предсказывала, что радиус капли будет неограниченно расти в течение дискретного периода времени. [8]

Описание

Кучевые облака, вид с самолета, летящего над ними.

Было обнаружено, что плотность жидкой воды в кучевых облаках меняется с высотой над основанием облака, а не является приблизительно постоянной по всему облаку. В одном конкретном исследовании было обнаружено, что концентрация равна нулю у основания облака. По мере увеличения высоты концентрация быстро увеличивалась до максимальной концентрации вблизи середины облака. Было обнаружено, что максимальная концентрация составляет что-то до 1,25 грамма воды на килограмм воздуха. Концентрация медленно падала с увеличением высоты до высоты верхней части облака, где она немедленно снова упала до нуля. [9]

Линии кучевых облаков над Бретанью
Кучевые облака разбросаны над Кигали , Руанда

Кучевые облака могут образовывать линии, простирающиеся более чем на 480 километров (300 миль) в длину, называемые облачными улицами. Эти облачные улицы охватывают обширные площади и могут быть разорванными или непрерывными. Они образуются, когда сдвиг ветра вызывает горизонтальную циркуляцию в атмосфере, создавая длинные трубчатые облачные улицы. [10] Они обычно образуются во время систем высокого давления , например, после холодного фронта. [11]

Высота, на которой образуется облако, зависит от количества влаги в термике, который его образует. Влажный воздух обычно приводит к более низкой нижней границе облаков. В умеренных зонах нижняя граница кучевых облаков обычно находится ниже 550 метров (1800 футов) над уровнем земли, но может достигать высоты до 2400 метров (7900 футов). В засушливых и горных зонах нижняя граница облаков может превышать 6100 метров (20000 футов). [12]

Некоторые кучевые облака средней величины

Кучевые облака могут состоять из ледяных кристаллов , капель воды, переохлажденных капель воды или их смеси. [1] Капли воды образуются, когда водяной пар конденсируется на ядрах, и затем они могут объединяться в более крупные капли.

Одно исследование показало, что в умеренных регионах изучаемые основания облаков находились на высоте от 500 до 1500 метров (от 1600 до 4900 футов) над уровнем земли. Обычно эти облака были выше 25 °C (77 °F), а концентрация капель составляла от 23 до 1300 капель на кубический сантиметр (от 380 до 21 300 капель на кубический дюйм). Эти данные были получены из растущих изолированных кучевых облаков, которые не давали осадков. [13] Капли были очень маленькими, диаметром около 5  микрометров . Хотя могли присутствовать и более мелкие капли, измерения были недостаточно чувствительными, чтобы их обнаружить. [14] Самые маленькие капли были обнаружены в нижних частях облаков, при этом процент крупных капель (около 20-30 микрометров) резко возрастал в верхних областях облака. Распределение размеров капель было слегка бимодальным по своей природе, с пиками при малых и больших размерах капель и небольшим провалом в диапазоне промежуточных размеров. Перекос был примерно нейтральным. [15] Более того, большой размер капель примерно обратно пропорционален концентрации капель на единицу объема воздуха. [16]

Местами кучевые облака могут иметь «дыры», где нет капель воды. Это может произойти, когда ветры разрывают облако и вбирают в себя окружающий воздух или когда сильные нисходящие потоки испаряют воду. [17] [18]

Подформы

Кучевые облака бывают четырех различных видов: cumulus humilis , mediocris , congestus и fractus . Эти виды могут быть организованы в разновидность cumulus radiatus ; и могут сопровождаться семью дополнительными характеристиками: cumulus pileus , velum , virga , praecipitatio , arcus , pannus и tuba . [19] [20]

Вид Cumulus fractus имеет рваный вид и может формироваться в ясном воздухе как предшественник кучевых низких и более крупных видов кучевых облаков; или он может формироваться в осадках как дополнительная черта pannus (также называемая scud ), которая также может включать stratus fractus плохой погоды. [21] [22] Облака Cumulus humilis выглядят как пухлые, сплющенные формы. Облака Cumulus mediocris выглядят похожими, за исключением того, что они имеют некоторое вертикальное развитие. Облака Cumulus congestus имеют структуру, похожую на цветную капусту, и возвышаются высоко в атмосфере, отсюда их альтернативное название «башнеобразные кучевые облака». [23] Разновидность Cumulus radiatus формируется в радиальных полосах, называемых облачными улицами, и может включать в себя любой из четырех видов кучевых облаков. [24]

Дополнительные характеристики кучевых облаков чаще всего встречаются у вида congestus. Облака Cumulus virga — это кучевые облака, производящие virga (осадки, которые испаряются на высоте), а облака cumulus praecipitatio производят осадки, которые достигают поверхности Земли. [25] Cumulus pannus состоят из разорванных облаков, которые обычно появляются под родительским кучевым облаком во время осадков. Облака Cumulus arcus имеют фронт порыва , [26] а облака cumulus tuba имеют воронкообразные облака или торнадо . [27] Cumulus pileus относятся к кучевым облакам, которые выросли так быстро, что заставили сформироваться pileus над вершиной облака. [28] Cumulus velum облака имеют вуаль из ледяных кристаллов над растущей вершиной облака. [19] Существуют также cumulus cataractagenitus, которые образуются водопадами. [29]

Прогноз

Cumulus humilis облака обычно указывают на хорошую погоду. [23] Cumulus mediocris облака похожи, за исключением того, что они имеют некоторое вертикальное развитие, что подразумевает, что они могут перерасти в cumulus congestus или даже cumulonimbus облака , которые могут вызывать сильный дождь, молнии, сильные ветры, град и даже торнадо . [4] [23] [30] Cumulus congestus облака, которые выглядят как башни, часто перерастают в cumulonimbus грозовые облака. Они могут вызывать осадки. [23] Планеристы часто уделяют пристальное внимание кучевым облакам, так как они могут быть индикаторами восходящих воздушных потоков или термических потоков внизу, которые могут затянуть самолет высоко в небо — явление, известное как засасывание облаков . [31]

Влияние на климат

Кучевые облака в сравнении с кучево-дождевыми облаками на заднем плане

Из-за отражательной способности облака охлаждают землю примерно на 12 °C (22 °F), эффект, в значительной степени вызванный слоисто-кучевыми облаками. Однако в то же время они нагревают землю примерно на 7 °C (13 °F), отражая испускаемое излучение, эффект, в значительной степени вызванный перистыми облаками . Это в среднем составляет чистую потерю в 5 °C (9,0 °F). [32] Кучевые облака, с другой стороны, оказывают переменное влияние на нагревание поверхности Земли. [33] Более вертикальные виды кучевых мощных и кучево-дождевых облаков растут высоко в атмосфере, перенося с собой влагу, что может привести к образованию перистых облаков. Исследователи предположили, что это может даже вызвать положительную обратную связь, когда увеличивающаяся влажность верхней атмосферы еще больше нагревает землю, что приводит к увеличению количества кучевых мощных облаков, переносящих больше влаги в верхние слои атмосферы. [34]

Связь с другими облаками

Кучевые облака — это род свободно-конвективных облаков низкого уровня вместе с связанными с ними ограниченно-конвективными облаками слоисто-кучевыми. Эти облака образуются от уровня земли до 2000 метров (6600 футов) на всех широтах. Слоистые облака также являются облаками низкого уровня. В среднем уровне находятся облака alto-, которые состоят из ограниченно-конвективных слоисто-кучевых облаков altocumulus и слоисто-слоистых облаков altostratus. Облака среднего уровня образуются на высоте от 2000 метров (6600 футов) до 7000 метров (23 000 футов) в полярных областях, 7000 метров (23 000 футов) в умеренных областях и 7600 метров (24 900 футов) в тропических областях. Облака высокого уровня, перисто-кучевые, являются слоисто-кучевыми облаками ограниченной конвекции. Другие облака этого уровня — перистые и перисто-слоистые. Высокие облака образуют высоту от 3000 до 7600 метров (от 9800 до 24900 футов) в высоких широтах, от 5000 до 12000 метров (от 16000 до 39000 футов) в умеренных широтах и ​​от 6100 до 18000 метров (от 20000 до 59100 футов) в низких тропических широтах. [12] Кучево-дождевые облака, как и cumulus congestus, простираются вертикально, а не ограничиваются одним уровнем. [35]

Перисто-кучевые облака

Большое поле перисто-кучевых облаков на голубом небе, начинающих сливаться в верхнем левом углу.
Большое поле перисто-кучевых облаков

Перисто-кучевые облака образуются пятнами [36] и не могут отбрасывать тени. Они обычно появляются в виде регулярных, рябящих узоров [37] или рядов облаков с чистыми областями между ними. [38] Перисто-кучевые облака, как и другие члены категорий кучевых и слоисто-кучевых облаков, образуются посредством конвективных процессов. [39] Значительный рост этих пятен указывает на высотную нестабильность и может сигнализировать о приближении более плохой погоды. [40] [41] Кристаллы льда в нижней части перисто-кучевых облаков, как правило, имеют форму шестиугольных цилиндров. Они не сплошные, а вместо этого имеют тенденцию иметь ступенчатые воронки, идущие от концов. Ближе к вершине облака эти кристаллы имеют тенденцию слипаться. [42] Эти облака не сохраняются долго и имеют тенденцию превращаться в перистые, потому что по мере того, как водяной пар продолжает осаждаться на ледяных кристаллах, они в конечном итоге начинают падать, разрушая восходящую конвекцию. Затем облако рассеивается в перистые облака. [43] Перисто-кучевые облака бывают четырех видов, которые являются общими для всех трех родотипов, имеющих ограниченно-конвективные или слоисто-кучевые характеристики: стратиформные , лентикулярные , кастеллановые и флоккусные . [40] Они переливаются , когда составляющие их переохлажденные капли воды имеют примерно одинаковый размер. [41]

Высококучевые облака

Высококучевые облака

Высококучевые облака — это облака среднего яруса, которые образуются на высоте от 2000 метров (6600 футов) до 4000 метров (13000 футов) в полярных областях, 7000 метров (23000 футов) в умеренных областях и 7600 метров (24900 футов) в тропических областях. [12] Они могут иметь осадки и обычно состоят из смеси ледяных кристаллов, переохлажденных капель воды и капель воды в умеренных широтах. Однако концентрация жидкой воды почти всегда была значительно больше, чем концентрация ледяных кристаллов, и максимальная концентрация жидкой воды, как правило, была в верхней части облака, в то время как лед концентрировался в нижней части. [44] [45] Было обнаружено, что ледяные кристаллы в основании высококучевых облаков и в вирге представляют собой дендриты или конгломераты дендритов, в то время как иглы и пластины располагались больше по направлению к вершине. [45] Высококучевые облака могут образовываться посредством конвекции или посредством принудительного подъема, вызванного теплым фронтом . [46]

Слоисто-кучевые облака

Слоисто-кучевые облака

Слоисто-кучевые облака — это еще один тип слоисто-кучевых облаков. Как и кучевые облака, они образуются на низких уровнях [38] и посредством конвекции. Однако, в отличие от кучевых облаков, их рост почти полностью замедляется сильной инверсией . В результате они сплющиваются, как слоистые облака, придавая им слоистый вид. Эти облака чрезвычайно распространены, покрывая в среднем около двадцати трех процентов океанов Земли и двенадцать процентов континентов Земли. Они менее распространены в тропических районах и обычно образуются после холодных фронтов . Кроме того, слоисто-кучевые облака отражают большое количество входящего солнечного света, создавая чистый охлаждающий эффект. [47] Слоисто-кучевые облака могут вызывать морось , которая стабилизирует облако, нагревая его и уменьшая турбулентное перемешивание. [48]

Кучево-дождевые облака

Кучево-дождевые облака являются конечной формой растущих кучевых облаков. Они образуются, когда кучевые облака congestus развивают сильный восходящий поток , который поднимает их вершины все выше и выше в атмосферу, пока они не достигнут тропопаузы на высоте 18 000 метров (59 000 футов) над уровнем моря. Кучево-дождевые облака, обычно называемые грозовыми фронтами, могут вызывать сильные ветры, проливные дожди, молнии, порывистые фронты, водяные смерчи , воронкообразные облака и торнадо. Обычно они имеют облака-наковальни . [23] [35] [49]

Подковообразные облака

Кратковременное подковообразное облако может возникнуть, когда подковообразный вихрь деформирует кучевое облако. [50]

Внеземной

Некоторые кучевые и слоисто-кучевые облака были обнаружены на большинстве других планет Солнечной системы . На Марсе орбитальный аппарат Viking обнаружил перисто-кучевые и слоисто-кучевые облака, формирующиеся посредством конвекции, в основном вблизи полярных ледяных шапок. [51] Космический зонд Galileo обнаружил массивные кучево-дождевые облака вблизи Большого Красного Пятна на Юпитере . [52] Кучево-образные облака также были обнаружены на Сатурне . В 2008 году космический аппарат Cassini определил, что кучевые облака вблизи южного полюса Сатурна были частью циклона диаметром более 4000 километров (2500 миль). [53] Обсерватория Кека обнаружила беловатые кучевые облака на Уране . [54] Как и на Уране, на Нептуне есть метановые кучевые облака. [55] Однако на Венере кучевых облаков, по-видимому, нет. [56]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Формула была следующей : , где — время до бесконечного радиуса, — вязкость воздуха, — процентное содержание капель воды, образовавшихся на единицу объема воздуха, через который падает капля, — концентрация воды в облаке в граммах на кубический метр, — начальный радиус капли.

Ссылки

Сноски

  1. ^ ab "Классификация и характеристики облаков". Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 17 октября 2012 года . Получено 18 октября 2012 года .
  2. ^ ab Barrett, EC; Grant, CK (1976). "Идентификация типов облаков на снимках LANDSAT MSS". NASA . Архивировано из оригинала 2013-10-05 . Получено 2012-08-22 .
  3. ^ Geerts, B. (апрель 2000 г.). "Cumuliform Clouds: Some Examples". Ресурсы по атмосферным наукам . Колледж атмосферных наук Университета Вайоминга . Получено 11 февраля 2013 г.
  4. ^ ab "Cumulus clouds". Погода . 16 октября 2005 г. Архивировано из оригинала 28 июня 2017 г. Получено 16 октября 2012 г.
  5. ^ Стоммель 1947, стр. 91
  6. ^ Моссоп и Халлетт 1974, стр. 632–634.
  7. ^ ab Langmuir 1948, стр. 175
  8. ^ Ленгмюр 1948, стр. 177
  9. ^ Стоммель 1947, стр. 94
  10. ^ Уэстон 1980, стр. 433
  11. ^ Уэстон 1980, стр. 437–438.
  12. ^ abc "Cloud Classifications". JetStream . Национальная метеорологическая служба. Архивировано из оригинала 7 ноября 2014 года . Получено 21 июля 2014 года .
  13. ^ Уорнер 1969, стр. 1049
  14. ^ Уорнер 1969, стр. 1051
  15. ^ Уорнер 1969, стр. 1052
  16. ^ Уорнер 1969, стр. 1054
  17. ^ Уорнер 1969, стр. 1056
  18. ^ Уорнер 1969, стр. 1058
  19. ^ ab "Классификация облаков ВМО" (PDF) . Всемирная метеорологическая организация. Архивировано (PDF) из оригинала 2005-02-26 . Получено 18 октября 2012 .
  20. ^ Претор-Пинни 2007, стр. 17
  21. ^ "L7 Clouds: Stratus fractus (StFra) and/or Cumulus fractus (CuFra) плохая погода". JetStream - Онлайн-школа погоды: Классификации облаков . Национальная метеорологическая служба. Архивировано из оригинала 18 января 2012 г. Получено 11 февраля 2013 г.
  22. ^ Аллаби, Майкл, ред. (2010). "Паннус". Словарь экологии (4-е изд.). Oxford University Press. doi :10.1093/acref/9780199567669.001.0001. ISBN 978-0-19-956766-9.
  23. ^ abcde "Weather Glossary". The Weather Channel . Архивировано из оригинала 17 октября 2012 года . Получено 18 октября 2012 года .
  24. ^ Претор-Пинни 2007, стр. 20
  25. ↑ Данлоп 2003, стр. 77–78.
  26. ^ Ладлэм 2000, стр. 473
  27. ^ Данлоп 2003, стр. 79
  28. ^ Гарретт и др. 2006, стр. i
  29. ^ "Cataractagenitus". Международный атлас облаков.
  30. ^ Томпсон, Филипп; Роберт О'Брайен (1965). Погода . Нью-Йорк: Time Inc. стр. 86–87.
  31. ↑ Пейген 2001, стр. 105–108.
  32. ^ "Cloud Climatology". Международная программа спутниковой облачной климатологии . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 12 июля 2011 г.
  33. ^ «Ускорят или замедлят ли облака глобальное потепление?». Национальный научный фонд. Архивировано из оригинала 29 января 2013 года . Получено 23 октября 2012 года .
  34. ^ Дель Дженфо, Лацис и Руди 1991, стр. 384
  35. ^ ab "Cumulonimbus Incus". Ассоциация космических исследований университетов. 5 августа 2009 г. Получено 23 октября 2012 г.
  36. ^ Миядзаки и др. 2001, с. 364
  37. ^ Хаббард 2000, стр. 340
  38. ^ ab Funk, Ted. "Cloud Classifications and Characteristics" (PDF) . The Science Corner . National Oceanic and Atmospheric Administration . стр. 1. Архивировано из оригинала (PDF) 20 июля 2004 г. . Получено 19 октября 2012 г. .
  39. ^ Парунго 1995, стр. 251
  40. ^ ab "Common Cloud Names, Shapes, and Altitudes" (PDF) . Georgia Institute of Technology. стр. 2, 10–13. Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2011 г. . Получено 12 февраля 2011 г. .
  41. ^ ab Ludlum 2000, стр. 448
  42. ^ Парунго 1995, стр. 252
  43. ^ Парунго 1995, стр. 254
  44. ^ Кэри и др. 2008, стр. 2490
  45. ^ ab Кэри и др. 2008, стр. 2491
  46. ^ Кэри и др. 2008, стр. 2494
  47. ^ Вуд 2012, стр. 2374
  48. ^ Вуд 2012, стр. 2398
  49. ^ Ладлэм 2000, стр. 471
  50. ^ «Невероятно редкое «подковообразное облако» было замечено в Неваде, и оно не давало покоя создателям мемов». Independent.ie . 12 марта 2018 г. Получено 12 марта 2018 г.
  51. ^ "NASA SP-441: Viking Orbiter Views of Mars". Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 26 января 2013 г.
  52. ^ "Thunderheads on Jupiter". Лаборатория реактивного движения . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Получено 26 января 2013 г.
  53. ^ Минард, Энн (14 октября 2008 г.). «Загадочные циклоны, замеченные на обоих полюсах Сатурна». National Geographic News . Архивировано из оригинала 23 ноября 2012 г. Получено 26 января 2013 г.
  54. ^ Бойл, Ребекка (18 октября 2012 г.). «Посмотрите на самое детальное изображение Урана, когда-либо полученное». Popular Science . Получено 26 января 2013 г.
  55. ^ Ирвин 2003, стр. 115
  56. ^ Боугер и Филлипс 1997, стр. 127–129.

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Кучевые облака» .