Перистые облака ( символ классификации облаков : Ci ) — род высоких облаков , состоящих из кристаллов льда . Перистые облака обычно кажутся тонкими и тонкими с белыми нитями. Перистые облака обычно образуются, когда поднимается теплый сухой воздух, вызывая осаждение водяного пара на частицы скал или металлической пыли на больших высотах. В глобальном масштабе они формируются на высоте от 4000 до 20 000 метров (от 13 000 до 66 000 футов) над уровнем моря , причем более высокие отметки обычно находятся в тропиках , а более низкие — в более полярных регионах .
Перистые облака могут образовываться на вершинах гроз и тропических циклонов и иногда предвещают приход дождя или штормов. Хотя они являются признаком приближения дождя и, возможно, грозы, сами перистые облака опадают не более чем падающими полосами кристаллов льда. Эти кристаллы рассеиваются, тают и испаряются, падая в более теплый и сухой воздух и никогда не достигая земли. Перистые облака нагревают землю, что потенциально способствует изменению климата . Потепление Земли, вероятно, приведет к образованию большего количества перистых облаков, что потенциально приведет к возникновению самоусиливающейся петли .
Оптические явления , такие как солнечные псы и ореолы , могут возникать в результате взаимодействия света с кристаллами льда в перистых облаках. Есть еще два перистоподобных облака высокого уровня, называемые перисто-слоистыми и перисто-кучевыми . Перисто-слоистые облака выглядят как полоса облаков, тогда как перисто-кучевые облака выглядят как узор из небольших пучков облаков. В отличие от перистых и перисто-слоистых облаков, перисто-кучевые облака содержат капли переохлажденной (ниже точки замерзания ) воды.
Перистые облака образуются в атмосферах Марса , Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна ; и на Титане , одном из крупнейших спутников Сатурна. Некоторые из этих внеземных перистых облаков состоят из аммиачного или метанового льда , подобно водяному льду в перистых облаках на Земле. Некоторые межзвездные облака , состоящие из пылинок размером менее тысячной доли миллиметра, также называются перистыми .
Перистые облака представляют собой тонкие облака, состоящие из длинных нитей кристаллов льда, которые по внешнему виду описываются как перистые, [1] похожие на волосы или слоистые. [2] Впервые научно определено Люком Ховардом в статье 1803 года, [3] их название происходит от латинского слова cirrus , что означает «завиток» или «бахрома». [4] Они прозрачны , а это значит, что сквозь них можно увидеть солнце. Кристаллы льда в облаках обычно делают их белыми, но восходящее или заходящее солнце может окрашивать их в различные оттенки желтого или красного. [2] [5] В сумерках они могут казаться серыми. [5]
Перистые бывают пяти визуально различающихся видов: castellanus , fibratus , floccus , spissatus и uncinus : [2]
Каждый вид делится на четыре разновидности: intortus , vertebratus , radiatus и duplicatus : [10]
Перистые облака часто образуют волосообразные нити, называемые осенними полосами , состоящие из более тяжелых кристаллов льда, которые падают из облака. Они похожи на виргу , образующуюся в жидко-водных облаках. Размеры и форма полос падения определяются сдвигом ветра. [13]
Перистая облачность меняется в течение суток . Днем перистая облачность снижается, а ночью увеличивается. [14] По данным спутника CALIPSO , перистые облака покрывают в среднем от 31% до 32% поверхности Земли. [15] Покрытие перистых облаков сильно различается в зависимости от местоположения: в некоторых частях тропиков покрытие перистых облаков достигает 70%. Полярные регионы, с другой стороны, имеют значительно меньший покров перистых облаков, при этом в некоторых районах среднегодовое покрытие составляет лишь около 10%. [14] Эти проценты рассматривают ясные дни и ночи, а также дни и ночи с облаками других типов как отсутствие перистого облачного покрова. [16]
Перистые облака обычно образуются при подъеме теплого сухого воздуха [2] , в результате чего водяной пар осаждается на частицах скал или металлической пыли [17] на больших высотах. Средняя высота перистых облаков увеличивается с уменьшением широты , но высота всегда ограничена тропопаузой . [18] Эти условия обычно возникают на переднем крае теплого фронта . [19] Поскольку абсолютная влажность на таких больших высотах низкая, этот род имеет тенденцию быть довольно прозрачным. [20] Перистые облака также могут образовываться внутри падений (также называемых «полостью»). [21]
На широтах 65° северной или южной широты , вблизи полярных регионов , перистые облака образуются в среднем всего на высоте всего 7000 м (23 000 футов) над уровнем моря. В регионах с умеренным климатом, примерно на 45 ° северной или южной широты , их средняя высота увеличивается до 9500 м (31 200 футов) над уровнем моря. В тропических регионах , примерно на 5° северной или южной широты , перистые облака формируются в среднем на высоте 13 500 м (44 300 футов) над уровнем моря. По всему миру перистые облака могут образовываться на высоте от 4000 до 20 000 м (от 13 000 до 66 000 футов) над уровнем моря. [18] Перистые облака образуются в широком диапазоне толщины. Они могут иметь толщину от 100 м (330 футов) сверху вниз до 8000 м (26 000 футов). Толщина перистых облаков обычно находится где-то между этими двумя крайностями, со средней толщиной 1500 м (4900 футов). [22]
Реактивное течение , ветровая полоса высокого уровня, может растягивать перистые облака достаточно долго, чтобы пересечь континенты. [23] Полосы реактивных струй, полосы более быстрого движения воздуха в реактивном потоке, могут создавать дуги перистых облаков длиной в сотни километров. [24]
На формирование перистых облаков могут влиять органические аэрозоли (частицы, вырабатываемые растениями), выступающие в качестве дополнительных точек зародышеобразования для образования кристаллов льда. [25] [26] Однако исследования показывают, что перистые облака чаще образуются на каменистых или металлических частицах, а не на органических. [17]
Покровы перистых облаков обычно расходятся от стенок глаз тропических циклонов. [27] (Стена глаза — это кольцо грозовых облаков, окружающее глаз тропического циклона. [28] ) Большой щит из перистых и перисто-слоистых облаков обычно сопровождает выходящие на большой высоте ветры тропических циклонов, [27] и они могут нижележащие полосы дождя — а иногда и глаз — трудно обнаружить на спутниковых фотографиях. [29]
Грозы могут образовывать на вершинах плотные перистые облака. Поскольку кучево-дождевое облако во время грозы растет вертикально, капли жидкой воды замерзают, когда температура воздуха достигает точки замерзания . [30] Облако -наковальня принимает свою форму потому, что температурная инверсия в тропопаузе не позволяет теплому влажному воздуху, образующему грозу, подниматься выше, создавая тем самым плоскую вершину. [31] В тропиках эти грозы иногда производят обильное количество перистых облаков на своих наковальнях. [32] Высотные ветры обычно выталкивают этот плотный мат в форму наковальни, которая тянется по ветру на несколько километров. [31]
Отдельные образования перистых облаков могут быть остатками наковальни, образовавшейся во время грозы. На стадии рассеивания кучево-дождевого облака, когда нормальный столб, поднимающийся к наковальне, испарился или рассеялся, все, что осталось - это перистый слой на наковальне. [33]
Инверсионные следы — это искусственный тип перистых облаков, образующийся, когда водяной пар из выхлопа реактивного двигателя конденсируется на частицах, поступающих либо из окружающего воздуха, либо из самих выхлопных газов, и замерзает, оставляя после себя видимый след. Выхлопные газы могут вызвать образование перистых облаков, образуя ядра льда , когда в атмосфере недостаточно естественного притока. [34] Одним из воздействий авиации на окружающую среду является то, что постоянные инверсионные следы могут образовывать большие маты перистых облаков, [35] а увеличение воздушного движения считается одной из возможных причин увеличения частоты и количества перистых облаков в атмосфере Земли. [35] [36]
Случайные, изолированные циррусы не имеют особого значения. [19] Большое количество перистых облаков может быть признаком приближающейся фронтальной системы или возмущения в верхних слоях атмосферы. Появление перистых облаков сигнализирует об изменении погоды – обычно более штормовой – в ближайшем будущем. [37] Если облако представляет собой перистые кастеляны , на большой высоте может наблюдаться нестабильность. [19] Когда облака углубляются и распространяются, особенно если они относятся к разновидности перистых лучистых или перистых волокнистых видов, это обычно указывает на приближение погодного фронта. Если это теплый фронт, перистые облака распространяются в перисто-слоистые, которые затем сгущаются и опускаются в высококучевые и высокослоистые . Следующая группа облаков — дождевые нимбослоистые облака . [1] [19] [38] Когда перистые облака предшествуют холодному фронту , линии шквала или многоклеточной грозе , это происходит потому, что они сдуваются с наковальни, и следующими облаками, которые прибудут, являются кучево-дождевые облака. [38] Волны Кельвина-Гельмгольца указывают на экстремальный сдвиг ветра на высоких уровнях. [19] Когда полоса реактивных самолетов создает большую дугу перистых облаков, погодные условия могут быть подходящими для развития зимних штормов . [24]
В тропиках, за 36 часов до центрального прохождения тропического циклона, со стороны циклона приближается завеса белых перистых облаков. [39] В середине-конце 19-го века синоптики использовали эти перистые завесы, чтобы предсказать приход ураганов. В начале 1870-х годов президент Колледжа Белен в Гаване отец Бенито Виньес разработал первую систему прогнозирования ураганов; в основном он использовал движение этих облаков при формулировании своих предсказаний. [40] Он наблюдал за облаками каждый час с 4:00 до 22:00. Собрав достаточно информации, Виньес начал точно предсказывать пути ураганов; он суммировал свои наблюдения в своей книге Apuntes Relativos a los Huracanes de las Antilles , опубликованной на английском языке под названием « Практические советы по поводу ураганов в Вест-Индии» . [41]
Перистые облака покрывают до 25% территории Земли (до 70% в тропиках в ночное время [42] ) и оказывают суммарный согревающий эффект. [43] Когда облака тонкие и полупрозрачные, они эффективно поглощают исходящее инфракрасное излучение, лишь незначительно отражая входящий солнечный свет. [44] Когда перистые облака имеют толщину 100 м (330 футов), они отражают только около 9% входящего солнечного света, но предотвращают выход почти 50% исходящего инфракрасного излучения, тем самым повышая температуру атмосферы под облаками. в среднем на 10 °C (18 °F) [45] — процесс, известный как парниковый эффект . [46] В среднем по всему миру образование облаков приводит к снижению температуры на 5 °C (9 °F) у поверхности земли, в основном из-за слоисто-кучевых облаков . [47]
Перистые облака, вероятно, становятся все более распространенными из-за изменения климата . Поскольку их парниковый эффект сильнее, чем отражение солнечного света, это будет действовать как самоусиливающаяся обратная связь . [48] Металлические частицы из антропогенных источников действуют как дополнительные зародыши нуклеации, потенциально увеличивая покров перистых облаков и тем самым способствуя дальнейшему изменению климата. [17] Самолеты в верхних слоях тропосферы могут создавать перистые облака, если местные погодные условия подходящие. Эти следы способствуют изменению климата. [49]
Утончение перистых облаков было предложено в качестве возможного геоинженерного подхода для уменьшения ущерба климату от углекислого газа . Утончение перистых облаков потребует введения частиц в верхнюю тропосферу, чтобы уменьшить количество перистых облаков. В оценочном отчете МГЭИК за 2021 год выражена низкая уверенность в охлаждающем эффекте истончения перистых облаков из-за ограниченного понимания. [50]
Ученые изучили свойства перистых перьев, используя несколько разных методов. Лидар (лазерный радар ) дает очень точную информацию о высоте, длине и ширине облака. Гигрометры , переносимые на баллонах [a], измеряют влажность перистых облаков, но недостаточно точны для измерения глубины облака. Радиолокационные установки дают информацию о высоте и толщине перистых облаков. [51] Другим источником данных являются спутниковые измерения в рамках программы «Эксперимент по стратосферному аэрозолю и газу» . Эти спутники измеряют места поглощения инфракрасного излучения в атмосфере, и если оно поглощается на высоте перистых облаков, то предполагается, что в этом месте есть перистые облака. [52] Спектрорадиометр НАСА со средним разрешением дает информацию о перистых облаках, измеряя отраженное инфракрасное излучение различных конкретных частот в течение дня. Ночью он определяет покров перистых облаков, обнаруживая инфракрасное излучение Земли. Облако отражает это излучение обратно на землю, позволяя спутникам видеть «тень», которую оно отбрасывает в космос. [27] Визуальные наблюдения с самолетов или с земли дают дополнительную информацию о перистых облаках. [52] Анализ частиц с помощью лазерной масс-спектрометрии (PALMS) [b] используется для определения типа зародышей нуклеации, которые породили кристаллы льда в перистых облаках. [17]
Перистые облака имеют среднюю концентрацию кристаллов льда 300 000 кристаллов льда на 10 кубических метров (270 000 кристаллов льда на 10 кубических ярдов ). Концентрация варьируется от 1 кристалла льда на 10 кубических метров до 100 миллионов кристаллов льда на 10 кубических метров (от чуть менее 1 кристалла льда на 10 кубических ярдов до 77 миллионов кристаллов льда на 10 кубических ярдов), разница составляет восемь порядков . Размер каждого кристалла льда обычно составляет 0,25 миллиметра [22] , но они варьируются от 0,01 миллиметра до нескольких миллиметров. [55] Кристаллы льда в инверсионных следах могут быть намного меньше, чем в естественном перистом облаке, и составляют от 0,001 до 0,1 миллиметра в длину. [34]
Кристаллы льда в перистых облаках не только имеют разные размеры, но и могут кристаллизоваться в разных формах: сплошные колонны, полые колонны, пластины, розетки и конгломераты различных других типов. Форма кристаллов льда определяется температурой воздуха, атмосферным давлением и перенасыщением льда (величиной, на которую относительная влажность превышает 100%). Перистые облака в регионах с умеренным климатом обычно имеют кристаллы льда различной формы, разделенные по типам. Столбцы и пластины концентрируются вблизи вершины облака, тогда как розетки и конгломераты концентрируются у основания. В северном арктическом регионе перистые облака, как правило, состоят только из столбов, плит и конгломератов, и эти кристаллы имеют тенденцию быть как минимум в четыре раза больше минимального размера. В Антарктиде перистые облака обычно состоят только из колонн, которые намного длиннее обычных. [55]
Перистые облака обычно холоднее -20 ° C (-4 ° F). [55] При температуре выше -68 °C (-90 °F) большинство перистых облаков имеют относительную влажность примерно 100% (то есть они насыщены). [56] Перистые облака могут перенасыщаться, при этом относительная влажность над льдом может превышать 200%. [57] [56] Ниже -68 ° C (-90 ° F) больше как недонасыщенных, так и перенасыщенных перистых облаков. [58] Более перенасыщенные облака, вероятно, представляют собой молодые перистые облака. [56]
Перистые облака могут создавать несколько оптических эффектов, таких как ореолы вокруг Солнца и Луны. Ореолы возникают в результате взаимодействия света с шестиугольными кристаллами льда, присутствующими в облаках, что, в зависимости от их формы и ориентации, может привести к появлению на небе самых разнообразных белых и цветных колец, дуг и пятен, включая солнечные собаки [55] . ] гало 46° , [59] гало 22° , [59] и окологоризонтальные дуги . [60] [61] Окологоризонтальные дуги видны только тогда, когда Солнце поднимается выше 58 ° над горизонтом, что не позволяет наблюдателям на более высоких широтах когда-либо увидеть их. [62]
Реже перистые облака способны создавать сияние , чаще всего связанное с жидкими облаками на водной основе, такими как слоистые . Глори — это набор концентрических слабоокрашенных светящихся колец, которые появляются вокруг тени наблюдателя и лучше всего наблюдаются с высокой точки обзора или с самолета. [63] Перистые облака образуют великолепие только тогда, когда составляющие их кристаллы льда имеют асферическую форму; Исследователи предполагают, что для появления славы кристаллы льда должны иметь длину от 0,009 до 0,015 миллиметров. [64]
Перистые облака — один из трех различных родов облаков высокого уровня, каждому из которых присвоен префикс «перистые-». Два других рода — перисто-кучевые и перисто-слоистые. Облака высокого уровня обычно образуются на высоте более 6100 м (20 000 футов). [1] [65] [66] Перисто-кучевые и перисто-слоистые облака иногда неофициально называют усикообразными облаками из-за их частой ассоциации с перистыми облаками. [67]
В промежуточном диапазоне, от 2000 до 6100 м (от 6500 до 20 000 футов), [1] [65] находятся облака среднего уровня, которым присвоена приставка «альт-». Они включают два рода: altostratus и altocumulus . Эти облака образуются из кристаллов льда, капель переохлажденной воды или капель жидкой воды. [1]
Облака низкого уровня обычно образуются на высоте ниже 2000 м (6500 футов) и не имеют префикса. [1] [65] Два рода, которые относятся к строго низкому уровню, — это слоисто-кучевые и слоисто-кучевые . Эти облака состоят из капель воды, за исключением зимнего периода, когда они состоят из переохлажденных капель воды или кристаллов льда, если температура на уровне облаков ниже нуля. Три дополнительных рода обычно формируются в низкогорном диапазоне, но могут базироваться и на более высоких уровнях в условиях очень низкой влажности. Это роды кучевые , кучево-дождевые и слоисто-дождевые . Их иногда классифицируют отдельно как облака вертикального развития, особенно когда их вершины достаточно высоки и состоят из переохлажденных капель воды или кристаллов льда. [68] [1]
Перисто-кучевые облака формируются пластами или пятнами [69] и не отбрасывают теней. Обычно они появляются в виде регулярных волнистых узоров [66] или в виде рядов облаков с чистыми участками между ними. [1] Перисто-кучевые облака, как и другие представители категории кучевых облаков, образуются в результате конвективных процессов. [70] Значительный рост этих пятен указывает на высотную нестабильность и может сигнализировать о приближении ухудшения погоды. [71] [72] Кристаллы льда в нижней части перисто-кучевых облаков обычно имеют форму шестиугольных цилиндров. Они не сплошные, а имеют ступенчатые воронки, выходящие с концов. К вершине облака эти кристаллы имеют тенденцию слипаться. [73] Эти облака держатся недолго и имеют тенденцию превращаться в перистые, потому что, поскольку водяной пар продолжает откладываться на кристаллах льда, они в конечном итоге начинают падать, разрушая восходящую конвекцию. Затем облако превращается в перистые облака. [74] Перисто-кучевые облака бывают четырех видов: слоистообразные , чечевицеобразные , кастеляновые и флоккусные . [71] Они переливаются , когда составляющие их капли переохлажденной воды примерно одинакового размера. [72]
Перисто-слоистые облака могут выглядеть как молочный блеск на небе [71] или как полосатый лист. [66] Иногда они похожи на высокослоистые и отличаются от последних, потому что Солнце или Луна всегда хорошо видны через прозрачный перисто-слоистый слой, в отличие от высокослоистого слоя, который имеет тенденцию быть непрозрачным или полупрозрачным. [75] Cirrostratus бывает двух видов: fibratus и nebulosus . [71] Кристаллы льда в этих облаках различаются в зависимости от высоты облака. Ближе к низу, при температуре от -35 до -45 ° C (от -31 до -49 ° F), кристаллы имеют тенденцию представлять собой длинные твердые шестиугольные столбцы. Ближе к вершине облака, при температуре от -47 до -52 ° C (от -53 до -62 ° F), преобладающими типами кристаллов являются толстые шестиугольные пластины и короткие сплошные шестиугольные столбцы. [74] [76] Эти облака обычно создают ореолы, и иногда ореол является единственным признаком присутствия таких облаков. [77] Они образуются в результате медленного подъема теплого влажного воздуха на очень большую высоту. [78] Когда приближается теплый фронт, перисто-слоистые облака становятся толще и опускаются, образуя высокослоистые облака, [1] и дождь обычно начинается через 12–24 часа. [77]
Перистые облака наблюдались на нескольких других планетах. В 2008 году марсианский посадочный модуль «Феникс» с помощью лидара сделал покадровую фотографию группы перистых облаков, движущихся по марсианскому небу . [79] Ближе к концу своей миссии посадочный модуль «Феникс» обнаружил более тонкие облака вблизи северного полюса Марса. В течение нескольких дней они уплотнялись, опускались и в конце концов пошел снег. Общее количество осадков составило всего несколько тысячных долей миллиметра. Джеймс Уайтвей из Йоркского университета пришел к выводу, что «осадки являются компонентом [марсианского] гидрологического цикла ». [80] Эти облака образовались во время марсианской ночи в два слоя: один на высоте около 4000 м (13000 футов) над землей, а другой на уровне поверхности. Они продержались до раннего утра, прежде чем были сожжены Солнцем. Кристаллы в этих облаках образовались при температуре -65 °C (-85 °F) и имели форму эллипсоидов длиной 0,127 мм и шириной 0,042 мм. [81]
На Юпитере перистые облака состоят из аммиака . Когда Южный экваториальный пояс Юпитера исчез, Гленн Ортен выдвинул одну из гипотез, заключавшуюся в том, что над ним образовалось большое количество перистых облаков аммиака, скрывающих его из виду. [82] Зонд НАСА «Кассини» обнаружил эти облака на Сатурне [83] и тонкие перистые облака из водяного льда на спутнике Сатурна Титане . [84] На Уране существуют перистые облака, состоящие из метанового льда. [85] На Нептуне над Большим Темным Пятном были обнаружены тонкие тонкие облака, которые могли быть перистыми . Как и на Уране, это, вероятно, кристаллы метана. [86]
Межзвездные перистые облака состоят из крошечных пылинок размером менее микрометра и поэтому не являются настоящими перистыми облаками, состоящими из замороженных кристаллов. [87] Их размеры варьируются от нескольких световых лет до десятков световых лет в поперечнике. Хотя технически они не являются перистыми облаками, пылевые облака называются «перистыми» из-за их сходства с облаками на Земле. Они излучают инфракрасное излучение, подобно тому, как перистые облака на Земле отражают тепло, излучаемое в космос. [88]
Сноски
Библиография
