Физика облаков — это изучение физических процессов, которые приводят к образованию, росту и выпадению атмосферных облаков. Эти аэрозоли встречаются в тропосфере , стратосфере и мезосфере , которые в совокупности составляют большую часть гомосферы . Облака состоят из микроскопических капель жидкой воды (теплые облака), крошечных кристаллов льда (холодные облака) или того и другого (облака смешанной фазы), а также микроскопических частиц пыли, дыма или другого вещества, известных как ядра конденсации. [1] Облачные капли первоначально образуются в результате конденсации водяного пара на ядра конденсации, когда перенасыщение воздуха превышает критическое значение согласно теории Келера . Ядра конденсации облаков необходимы для образования облачных капель из-за эффекта Кельвина , который описывает изменение давления насыщенного пара из-за искривленной поверхности. При малых радиусах степень пересыщения, необходимая для возникновения конденсации, настолько велика, что она не происходит естественным путем. Закон Рауля описывает, как давление пара зависит от количества растворенного вещества в растворе. При высоких концентрациях, когда облачные капли малы, требуемое пересыщение меньше, чем при отсутствии ядра.
В теплых облаках более крупные облачные капли падают с более высокой конечной скоростью; потому что при данной скорости сила сопротивления на единицу веса капли на более мелких каплях больше, чем на крупных каплях. Большие капли могут затем столкнуться с маленькими каплями и объединиться, образуя еще более крупные капли. Когда капли становятся достаточно большими, и их скорость вниз (относительно окружающего воздуха) превышает скорость движения вверх (относительно земли) окружающего воздуха, капли могут выпадать в виде осадков . Столкновение и слияние не так важны в смешанных фазовых облаках, где доминирует процесс Бержерона . Другими важными процессами, образующими осадки, являются инеймирование , когда капля переохлажденной жидкости сталкивается с твердой снежинкой, и агрегация, когда две твердые снежинки сталкиваются и объединяются. Точная механика формирования и роста облаков до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков, изучая микрофизику отдельных капель. Достижения в области метеорологических радаров и спутниковых технологий также позволили точно изучать облака в больших масштабах.
Современная физика облаков зародилась в 19 веке и была описана в нескольких публикациях. [2] [3] [4] Отто фон Герике выдвинул идею о том, что облака состоят из пузырьков воды. В 1847 году Огастес Уоллер использовал паутину для изучения капель под микроскопом. [5] Эти наблюдения были подтверждены Уильямом Генри Дайнсом в 1880 году и Ричардом Ассманном в 1884 году.
Когда вода испаряется с участка поверхности Земли, воздух над этим участком становится влажным. Влажный воздух легче окружающего сухого воздуха, что создает нестабильную ситуацию. Когда накопится достаточно влажного воздуха, весь влажный воздух поднимается вверх единым пакетом, не смешиваясь с окружающим воздухом. По мере того, как вдоль поверхности образуется все больше влажного воздуха, процесс повторяется, в результате чего серия отдельных пакетов влажного воздуха поднимается и образует облака. [6]
Этот процесс происходит, когда один или несколько из трех возможных подъемных агентов — циклонического/фронтального, конвективного или орографического — заставляет воздух, содержащий невидимый водяной пар , подниматься и охлаждаться до точки росы — температуры, при которой воздух становится насыщенным. Основным механизмом этого процесса является адиабатическое охлаждение . [7] Атмосферное давление уменьшается с высотой, поэтому поднимающийся воздух расширяется в процессе, который расходует энергию и вызывает охлаждение воздуха, в результате чего водяной пар конденсируется в облака. [8] Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается ядрами конденсации , такими как частицы пыли и соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться наверху за счет нормальной циркуляции воздуха. Капли воды в облаке имеют нормальный радиус около 0,002 мм (0,00008 дюйма). Капли могут сталкиваться, образуя более крупные капли, которые остаются в воздухе до тех пор, пока скорость поднимающегося воздуха внутри облака равна или превышает конечную скорость капель. [9]
Для неконвективных облаков высота, на которой начинает происходить конденсация, называется поднятым уровнем конденсации (LCL), который примерно определяет высоту основания облака. Свободные конвективные облака обычно образуются на высоте уровня конвективной конденсации (УКЛ). Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается ядрами конденсации , такими как частицы соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться наверху за счет нормальной циркуляции воздуха. Если процесс конденсации происходит ниже уровня замерзания в тропосфере, ядра помогают превратить пар в очень маленькие капли воды. Облака, образующиеся чуть выше уровня замерзания, состоят в основном из капель переохлажденной жидкости, а облака, которые конденсируются на больших высотах, где воздух намного холоднее, обычно принимают форму кристаллов льда . Отсутствие достаточного количества частиц конденсации на уровне конденсации и выше приводит к тому, что поднимающийся воздух становится перенасыщенным, и образование облаков замедляется. [10]
Фронтальный и циклонический подъем возникают в своих самых чистых проявлениях, когда стабильный воздух, который подвергался незначительному поверхностному нагреву или вообще не подвергался ему, вытесняется вверх на погодных фронтах и вокруг центров низкого давления . [11] Теплые фронты , связанные с внетропическими циклонами, имеют тенденцию образовывать в основном усикообразные и слоистые облака на обширной территории, если только приближающаяся теплая воздушная масса не нестабильна, и в этом случае кучево-дождевые или кучево-дождевые облака обычно встраиваются в основной слой выпадающих облаков. [12] Холодные фронты обычно движутся быстрее и образуют более узкую линию облаков, которые в основном имеют слоисто-кучевую, кучево- или кучево-дождевую форму, в зависимости от стабильности теплой воздушной массы непосредственно перед фронтом. [13]
Другим фактором является плавучее конвективное движение вверх, вызванное значительным дневным солнечным нагревом на уровне поверхности или относительно высокой абсолютной влажностью. [10] Приходящая коротковолновая радиация, генерируемая Солнцем, переизлучается в виде длинноволновой радиации, когда достигает поверхности Земли. Этот процесс нагревает воздух, ближайший к земле, и увеличивает нестабильность воздушных масс, создавая более крутой градиент температуры от теплого или горячего на уровне поверхности до холодного наверху. Это заставляет его подниматься и охлаждаться до тех пор, пока не будет достигнуто температурное равновесие с окружающим воздухом наверху. Умеренная нестабильность позволяет образовывать кучевообразные облака среднего размера, которые могут вызывать легкие ливни, если воздушная масса достаточно влажная. Типичные восходящие конвекционные потоки могут позволить каплям вырасти до радиуса около 0,015 миллиметров (0,0006 дюйма), прежде чем они выпадут в виде ливней. [14] Эквивалентный диаметр этих капель составляет около 0,03 миллиметра (0,001 дюйма).
Если воздух у поверхности становится чрезвычайно теплым и нестабильным, его движение вверх может стать весьма взрывоопасным, что приведет к образованию высоких кучево-дождевых облаков, которые могут вызвать суровую погоду . Крошечные частицы воды, составляющие облако, группируются вместе, образуя капли дождя, и притягиваются к земле силой гравитации . Капли обычно испаряются ниже уровня конденсации, но сильные восходящие потоки смягчают падающие капли и могут удерживать их наверху гораздо дольше, чем в противном случае. Сильные восходящие потоки могут достигать скорости до 180 миль в час (290 км/ч). [15] Чем дольше капли дождя остаются наверху, тем больше времени у них есть, чтобы вырасти в более крупные капли, которые в конечном итоге выпадают в виде сильного ливня.
Капли дождя, которые переносятся значительно выше уровня замерзания, сначала переохлаждаются, а затем замерзают в виде небольшого града. Ядро замороженного льда может достигать размера 0,5 дюйма (1,3 см), проходя через один из этих восходящих потоков, и может циклически преодолевать несколько восходящих и нисходящих потоков, прежде чем, наконец, станет настолько тяжелым, что упадет на землю в виде большого града. Разрезав градину пополам, можно увидеть слои льда, похожие на луковицу, что указывает на определенное время, когда она проходила через слой переохлажденной воды. Были обнаружены градины диаметром до 7 дюймов (18 см). [16]
Конвективный подъем может возникать в нестабильной воздушной массе вдали от фронтов. Однако очень теплый нестабильный воздух также может присутствовать вокруг фронтов и центров низкого давления, часто образуя кучево- и кучево-дождевые облака в более тяжелых и более активных концентрациях из-за комбинирования фронтальных и конвективных подъемных агентов. Как и в случае нефронтального конвективного подъема, растущая нестабильность способствует вертикальному росту облаков вверх и повышает вероятность суровой погоды. В сравнительно редких случаях конвективный подъем может быть достаточно мощным, чтобы проникнуть через тропопаузу и вытолкнуть верхнюю часть облаков в стратосферу. [17]
Третий источник подъемной силы — это циркуляция ветра, заставляющая воздух преодолевать физический барьер, например гору ( орографический подъем ). [10] Если воздух в целом стабилен, не образуется ничего, кроме чечевицеобразных облаков. Однако если воздух становится достаточно влажным и неустойчивым, могут появиться орографические ливни или грозы . [18]
Наряду с адиабатическим охлаждением, требующим подъемного агента, существуют три других основных механизма понижения температуры воздуха до точки росы, все из которых происходят вблизи уровня поверхности и не требуют подъема воздуха. Кондуктивное, радиационное и испарительное охлаждение может вызвать конденсацию на уровне поверхности, приводящую к образованию тумана . [19] Кондуктивное охлаждение имеет место, когда воздух из относительно мягкой области источника вступает в контакт с более холодной поверхностью, например, когда мягкий морской воздух движется через более холодную территорию суши. Радиационное охлаждение происходит за счет испускания инфракрасного излучения либо воздухом, либо поверхностью под ним. [20] Этот тип охлаждения распространен ночью, когда небо ясное. Испарительное охлаждение происходит, когда в воздух добавляется влага в результате испарения, что приводит к снижению температуры воздуха до температуры по влажному термометру , а иногда и до точки насыщения. [21]
Существует пять основных способов добавления водяного пара в воздух. Повышенное содержание пара может возникнуть в результате схождения ветра над водой или влажной землей в области восходящего движения. [22] Осадки или вирга, выпадающие сверху, также повышают содержание влаги. [23] Дневное отопление приводит к испарению воды с поверхности океанов, водоемов или влажной земли. [24] Транспирация растений является еще одним типичным источником водяного пара. [25] Наконец, прохладный или сухой воздух, движущийся над более теплой водой, станет более влажным. Как и при дневном отоплении, добавление влаги к воздуху увеличивает его теплосодержание и нестабильность и помогает запустить те процессы, которые приводят к образованию облаков или тумана. [26]
Количество воды, которая может существовать в виде пара в данном объеме, увеличивается с температурой. Когда количество водяного пара находится в равновесии над плоской поверхностью воды, уровень давления пара называется насыщением, а относительная влажность равна 100%. При этом равновесии из воды испаряется одинаковое количество молекул, которые конденсируются обратно в воду. Если относительная влажность превышает 100%, это называется пересыщением. Пересыщение происходит при отсутствии ядер конденсации. [ нужна цитата ]
Поскольку давление насыщенного пара пропорционально температуре, холодный воздух имеет более низкую точку насыщения, чем теплый воздух. Разница между этими значениями является основой формирования облаков. Когда насыщенный воздух охлаждается, он уже не может содержать прежнее количество водяного пара. Если условия правильные, избыток воды будет конденсироваться из воздуха до тех пор, пока не будет достигнута нижняя точка насыщения. Другая возможность заключается в том, что вода остается в форме пара, даже если она находится за пределами точки насыщения, что приводит к перенасыщению . [ нужна цитата ]
В атмосфере редко наблюдается пересыщение более 1–2% по отношению к воде, поскольку обычно присутствуют облачные ядра конденсации. [27] Гораздо более высокие степени пересыщения возможны в чистом воздухе и являются основой камеры Вильсона .
Приборов для измерения пересыщения облаков нет. [28]
Капли воды обычно остаются в виде жидкой воды и не замерзают даже при температуре значительно ниже 0 ° C (32 ° F). Ядра льда, которые могут присутствовать в атмосферной капле, становятся активными для образования льда при определенных температурах от 0 ° C (32 ° F) до -38 ° C (-36 ° F), в зависимости от геометрии и состава ядра. Без ядер льда капли переохлажденной воды (как и любая чрезвычайно чистая жидкая вода) могут существовать примерно до -38 ° C (-36 ° F), после чего происходит самопроизвольное замерзание. [ нужна цитата ]
Одной из теорий, объясняющей, как поведение отдельных капель в облаке приводит к образованию осадков, является процесс столкновения-слияния. Капли, подвешенные в воздухе, будут взаимодействовать друг с другом, либо сталкиваясь и отскакивая друг от друга, либо объединяясь, образуя каплю большего размера. В конце концов капли становятся настолько большими, что выпадают на землю в виде осадков. Процесс столкновения-слияния не составляет значительной части образования облаков, поскольку капли воды имеют относительно высокое поверхностное натяжение. Кроме того, возникновение столкновений-слияний тесно связано с процессами увлечения-перемешивания. [29]
Основной механизм образования ледяных облаков был открыт Тором Бержероном . В процессе Бержерона отмечается, что давление насыщенного пара воды или количество водяного пара, которое может содержаться в данном объеме, зависит от того, с чем взаимодействует пар. В частности, давление насыщенного пара по отношению ко льду ниже, чем давление насыщенного пара по отношению к воде. Водяной пар, взаимодействующий с каплей воды, может быть насыщенным при относительной влажности 100% при взаимодействии с каплей воды, но такое же количество водяного пара будет пересыщенным при взаимодействии с частицей льда. [30] Водяной пар попытается вернуться к равновесию , поэтому лишний водяной пар конденсируется в лед на поверхности частицы. Эти частицы льда в конечном итоге превращаются в ядра более крупных кристаллов льда. Этот процесс происходит только при температуре от 0 ° C (32 ° F) до -40 ° C (-40 ° F). При температуре ниже -40 ° C (-40 ° F) жидкая вода будет самопроизвольно образовывать зародыши и замерзать. Поверхностное натяжение воды позволяет капле оставаться жидкой при температуре значительно ниже ее нормальной точки замерзания. Когда это происходит, это уже переохлажденная жидкая вода. Процесс Бержерона основан на взаимодействии переохлажденной жидкой воды (SLW) с ядрами льда с образованием более крупных частиц. Если ядер льда будет мало по сравнению с количеством SLW, капли не смогут образоваться. Процесс, посредством которого ученые засевают облако искусственными ядрами льда, чтобы стимулировать выпадение осадков, известен как засев облаков. Это может помочь вызвать осадки в облаках, которые в противном случае могли бы не состояться. Засев облаков добавляет избыточные ядра искусственного льда, что смещает баланс так, что ядер становится много по сравнению с количеством переохлажденной жидкой воды. В перезасеянном облаке образуется множество частиц, но каждая из них будет очень маленькой. Это можно сделать в качестве превентивной меры в районах, подверженных риску града . [ нужна цитата ]
Облака в тропосфере , ближайшем к Земле слое атмосферы, классифицируются в зависимости от высоты, на которой они находятся, а также их формы или внешнего вида. [31] Существует пять форм , основанных на физической структуре и процессе формирования. [32] Персиковые облака высокие, тонкие и тонкие и чаще всего наблюдаются вдоль передних границ организованных погодных возмущений. Слоистые облака неконвективны и выглядят как обширные пластинчатые слои от тонких до очень толстых со значительным вертикальным развитием. В основном они являются продуктом крупномасштабного подъема стабильного воздуха. Неустойчивые свободноконвективные кучевые облака формируются преимущественно в виде локализованных куч. Слоисто-кучевые облака с ограниченной конвекцией демонстрируют сочетание кучевых и стратиформных характеристик, которые проявляются в виде валов или ряби. Кучево-дождевые облака с высокой конвекцией имеют сложную структуру, часто включающую усикообразные вершины и слоисто-кучевые дополнительные облака. [ нужна цитата ]
Эти формы перекрестно классифицированы по диапазону высот или уровням на десять типов родов , которые можно подразделить на виды и более мелкие типы. Облака высокого уровня формируются на высоте от 5 до 12 километров. Все усиковидные облака относятся к категории высокоуровневых и поэтому составляют единый род облаков перистые . Слоистые и слоисто-кучевые облака, расположенные на верхних уровнях тропосферы, к их названиям добавляют приставку перисто -перистые, в результате чего образуются роды перисто-слоистые и перисто-кучевые облака . Подобные облака, обнаруженные на среднем уровне (диапазон высот от 2 до 7 километров), имеют приставку альто-, что приводит к названиям рода altostratus и altocumulus . [33]
Облака низкого уровня не имеют префиксов, связанных с высотой, поэтому слоистые и слоисто-кучевые облака, расположенные на высоте около 2 километров или ниже, известны просто как слоистые и слоисто-кучевые облака . Небольшие кучевые облака с небольшим вертикальным развитием (виды humilis) также обычно относят к низкоуровневым. [33]
Кучево-дождевые и кучево-дождевые нагромождения и глубокие стратиформные слои часто занимают не менее двух уровней тропосферы, причем наиболее крупные или глубокие из них могут занимать все три уровня. Их можно классифицировать как низкий или средний уровень, но также обычно классифицируют или характеризуют как вертикальные или многоуровневые. Слоисто-дождевые облака представляют собой слоистые слои достаточной вертикальной протяженности, чтобы вызывать значительное количество осадков. Возвышающиеся кучевые облака (виды congestus) и кучево-дождевые облака могут образовываться где угодно, от поверхности до промежуточных высот около 3 километров. Из вертикально развитых облаков кучево-дождевые облака являются самыми высокими и могут охватывать практически всю тропосферу от нескольких сотен метров над землей до тропопаузы. [33] Это облако ответственно за грозы.
Некоторые облака могут образовываться на очень высоких и экстремальных уровнях над тропосферой, в основном над полярными регионами Земли. Полярные стратосферные облака зимой наблюдаются редко на высотах от 18 до 30 километров, а летом серебристые облака иногда образуются в высоких широтах на высоте от 76 до 85 километров. [34] Эти полярные облака имеют некоторые из тех же форм, которые можно увидеть ниже в тропосфере.
Гомосферные типы определяются перекрестной классификацией форм и уровней .
Гомосферные типы включают десять тропосферных родов и несколько дополнительных основных типов над тропосферой. Род кучевых включает четыре вида, характеризующихся вертикальными размерами и строением.
Спутники используются для сбора данных о свойствах облаков и другой информации, такой как количество облаков, высота, ИК-излучение, видимая оптическая глубина, обледенение, эффективный размер частиц как для жидкости, так и для льда, а также температура и давление верхней границы облаков.
Наборы данных о свойствах облаков собираются с помощью спутников, таких как MODIS , POLDER , CALIPSO или ATSR . Приборы измеряют яркость облаков, из чего можно получить соответствующие параметры. Обычно это делается с помощью обратной теории . [35]
Метод обнаружения основан на том факте, что облака имеют тенденцию казаться ярче и холоднее, чем поверхность земли. Из-за этого возникают трудности с обнаружением облаков над яркими (сильно отражающими ) поверхностями, такими как океаны и лед. [35]
Значение определенного параметра тем надежнее, чем больше спутников измеряют этот параметр. Это связано с тем, что диапазон ошибок и упущенных деталей варьируется от прибора к прибору. Таким образом, если анализируемый параметр имеет схожие значения для разных инструментов, принимается, что истинное значение лежит в диапазоне, заданном соответствующими наборами данных. [35]
В эксперименте по глобальному энергетическому и водному циклу используются следующие величины для сравнения качества данных с разных спутников и установления надежной количественной оценки свойств облаков: [35]
Еще одним важным свойством является обледенение, характерное для различных типов облаков на разных высотах, что может иметь большое влияние на безопасность полетов. Методологии, используемые для определения этих характеристик, включают использование данных CloudSat для анализа и определения условий обледенения, определение местоположения облаков с использованием данных о геометрии облаков и отражательной способности, идентификацию типов облаков с использованием данных классификации облаков и определение вертикального распределения температуры вдоль траектории движения CloudSat. (ГФС). [36]
Диапазон температур, которые могут привести к обледенению, определяется в зависимости от типов облаков и уровней высоты:
В гомосфере (включая тропосферу, стратосферу и мезосферу) существуют силы, которые могут влиять на структурную целостность облака. Было высказано предположение, что пока воздух остается насыщенным, естественная сила сцепления, удерживающая молекулы вещества вместе, может удерживать облако от распада. Однако это предположение имеет логический изъян в том, что капли воды в облаке не контактируют друг с другом и, следовательно, не удовлетворяют условию, необходимому для действия межмолекулярных сил сцепления. Растворение облака может произойти, когда процесс адиабатического охлаждения прекращается и подъем воздуха вверх сменяется оседанием . Это приводит, по крайней мере, к некоторой степени адиабатического нагревания воздуха, в результате чего капли или кристаллы облаков снова превращаются в невидимый водяной пар. [37] На облако могут воздействовать более сильные силы, такие как сдвиг ветра и нисходящие потоки, но они в основном ограничены тропосферой, где происходит почти вся погода на Земле. [38] Типичное кучевое облако весит около 500 метрических тонн, или 1,1 миллиона фунтов, что соответствует весу 100 слонов. [39]
Существует две основные модельные схемы, которые могут представлять физику облаков. Наиболее распространенной является модель объемной микрофизики, в которой для описания свойств облаков используются средние значения (например, содержание дождевой воды, содержание льда), свойства могут представлять только первый порядок (концентрация) или также второй порядок (массовый). [40] Второй вариант - использовать схему микрофизики бина, которая сохраняет моменты (массу или концентрацию) разными для частиц разного размера. [41] Модели объемной микрофизики работают намного быстрее, чем модели бункера, но менее точны. [42]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )