Физика облаков — это изучение физических процессов, которые приводят к образованию, росту и выпадению осадков в атмосферных облаках. Эти аэрозоли находятся в тропосфере , стратосфере и мезосфере , которые в совокупности составляют большую часть гомосферы . Облака состоят из микроскопических капелек 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] Капельки облаков изначально образуются путем конденсации водяного пара на ядрах конденсации, когда пересыщение воздуха превышает критическое значение согласно теории Келера . Ядра конденсации облаков необходимы для образования капель облаков из-за эффекта Кельвина , который описывает изменение давления насыщенного пара из-за искривленной поверхности. При малых радиусах величина пересыщения, необходимая для возникновения конденсации, настолько велика, что она не происходит естественным образом. Закон Рауля описывает, как давление пара зависит от количества растворенного вещества в растворе. При высоких концентрациях, когда капли облака малы, требуемое пересыщение меньше, чем без присутствия ядра.
В теплых облаках более крупные 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. Крупные капли затем могут сталкиваться с мелкими каплями и объединяться, образуя еще более крупные капли. Когда капли становятся достаточно большими, чтобы их нисходящая скорость (относительно окружающего воздуха) превышала восходящую скорость (относительно земли) окружающего воздуха, капли могут выпадать в виде осадков . Столкновение и коалесценция не так важны в облаках смешанной фазы, где доминирует процесс Бержерона . Другими важными процессами, которые образуют осадки, являются иней , когда переохлажденная жидкая капля сталкивается с твердой снежинкой, и агрегация, когда две твердые снежинки сталкиваются и объединяются. Точная механика того, как облако образуется и растет, 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 Август 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.
По мере испарения воды с поверхности Земли воздух над ней становится влажным. Влажный воздух легче окружающего сухого воздуха, что создает нестабильную ситуацию. Когда накапливается достаточно влажного воздуха, весь влажный воздух поднимается единым пакетом, не смешиваясь с окружающим воздухом. По мере того, как вдоль поверхности образуется 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 — циклонический/фронтальный, конвективный или орографический — 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 заставляет воздух охлаждаться, что заставляет водяной пар конденсироваться в облако. [8] Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается к ядрам конденсации, таким как частицы пыли и соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться в воздухе нормальной циркуляцией 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 начинается конденсация, называется уровнем поднятой конденсации (LCL), который грубо определяет высоту основания облака. Свободно-конвективные облака обычно образуются на высоте уровня конвективной конденсации (CCL). Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается к ядрам конденсации, таким как частицы соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться наверху обычной циркуляцией воздуха. Если процесс конденсации происходит ниже уровня замерзания в тропосфере, ядра помогают преобразовать пар в очень маленькие капельки воды. Облака, которые образуются чуть выше уровня замерзания, состоят в основном из переохлажденных жидких капель, в то время как те, которые конденсируются на больших высотах, где воздух намного холоднее, обычно принимают форму ледяных кристаллов . Отсутствие достаточного количества частиц конденсации на уровне конденсации и выше приводит к тому, что поднимающийся воздух становится перенасыщенным, и образование облаков, как правило, подавляется. [10]
Фронтальный и циклонический подъем происходят в своих самых чистых проявлениях, когда стабильный воздух, который был подвергнут небольшому или отсутствующему нагреву поверхности, выталкивается вверх на погодных фронтах и вокруг центров низкого давления . [11] Теплые фронты, связанные с внетропическими циклонами, как правило, генерируют в основном перисто- и слоистообразные облака на большой площади, если только приближающаяся теплая воздушная масса не является нестабильной, в этом случае кучевые мощные или кучево-дождевые облака обычно будут встроены в основной слой осаждающих облаков. [12] Холодные фронты обычно движутся быстрее и генерируют более узкую линию облаков, которые в основном слоисто-кучевые, кучево-дождевые или кучево-дождевые в зависимости от стабильности теплой воздушной массы непосредственно перед фронтом. [13]
Другим агентом является плавучее конвективное восходящее движение, вызванное значительным дневным солнечным нагревом на уровне поверхности или относительно высокой абсолютной влажностью. [10] Входящее коротковолновое излучение, генерируемое солнцем, переизлучается в длинноволновое излучение, когда достигает поверхности Земли. Этот процесс нагревает воздух, расположенный ближе всего к земле, и увеличивает нестабильность воздушной массы, создавая более крутой температурный градиент 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 производить легкие ливни, если воздушная масса достаточно влажная. Типичные восходящие конвекционные потоки могут позволить каплям вырасти до радиуса около 0,015 миллиметра (0,0006 дюйма) перед выпадением в виде ливней. [14] Эквивалентный диаметр этих капель составляет около 0,03 миллиметра (0,001 дюйма).
Если воздух вблизи поверхности становится чрезвычайно теплым и нестабильным, его восходящее движение может стать довольно взрывоопасным, что приведет к образованию возвышающихся кучево-дождевых облаков, которые могут вызвать суровую погоду . Поскольку крошечные частицы воды, из которых состоит облако, группируются вместе, образуя капли дождя, они притягиваются к земле силой тяжести . Капли обычно испаряются ниже уровня конденсации, но сильные восходящие потоки воздуха сдерживают падающие капли и могут удерживать их в воздухе гораздо дольше, чем в противном случае. Сильные восходящие потоки воздуха могут достигать скорости до 180 миль в час (290 км/ч). [15] Чем дольше капли дождя остаются в воздухе, тем больше у них времени, чтобы вырасти в более крупные капли, которые в конечном итоге выпадают в виде сильных ливней.
Капли дождя, которые переносятся значительно выше уровня замерзания, сначала переохлаждаются, а затем замерзают в мелкий град. Замороженное ледяное ядро может достигать размера 0,5 дюйма (1,3 см), проходя через один из этих восходящих потоков, и может циклически проходить через несколько восходящих и нисходящих потоков, прежде чем стать настолько тяжелым, что упадет на землю в виде большого града. Разрезание градины пополам показывает луковичные слои льда, что указывает на отдельные моменты, когда она проходила через слой переохлажденной воды. Были обнаружены градины диаметром до 7 дюймов (18 см). [16]
Конвективный подъем может происходить в нестабильной воздушной массе вдали от любых фронтов. Однако очень теплый нестабильный воздух может также присутствовать вокруг фронтов и центров низкого давления, часто производя кучевые и кучево-дождевые облака в более тяжелых и активных концентрациях из-за комбинированных фронтальных и конвективных подъемных агентов. Как и в случае с нефронтальным конвективным подъемом, увеличение нестабильности способствует вертикальному росту облаков и повышает вероятность суровой погоды. В сравнительно редких случаях конвективный подъем может быть достаточно мощным, чтобы проникнуть в тропопаузу и вытолкнуть верхнюю часть облака в стратосферу. [17]
Третий источник подъемной силы — это циркуляция ветра, которая заставляет воздух преодолевать физическое препятствие, например гору ( орографический подъем ). [10] Если воздух в целом стабилен, то не образуется ничего, кроме линзовидных облаков. Однако, если воздух становится достаточно влажным и нестабильным, 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 могут вызвать конденсацию на уровне поверхности, что приводит к образованию тумана . [19] Кондуктивное охлаждение происходит, когда воздух из относительно мягкой исходной области вступает в контакт с более холодной поверхностью, например, когда мягкий морской воздух движется по более холодной области суши. Радиационное охлаждение происходит из-за испускания инфракрасного излучения либо воздухом, либо поверхностью под ним. [20] Этот тип охлаждения распространен ночью, когда небо ясное. Испарительное охлаждение происходит, когда влага добавляется в воздух посредством испарения, что заставляет температуру воздуха понизиться до температуры влажного термометра , а иногда и до точки насыщения. [21]
Существует пять основных способов добавления водяного пара в воздух. Увеличение содержания пара может быть результатом конвергенции ветра над водой или влажной землей в области восходящего движения. [22] Осадки или вирга, падающие сверху, также увеличивают содержание влаги. [23] Дневное нагревание приводит к испарению воды с поверхности океанов, водоемов или влажных земель. [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 нагревании, добавление влаги в воздух увеличивает его теплосодержание и нестабильность и помогает запустить те процессы, которые приводят к образованию облаков или тумана. [26]
Количество воды, которое 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 составляет 100%. При этом равновесии число молекул, испаряющихся из воды, равно числу молекул, конденсирующихся обратно в воду. Если относительная влажность становится больше 100%, это называется перенасыщением. Пересыщение происходит при отсутствии ядер конденсации. [ необходима цитата ]
Поскольку давление насыщенного пара пропорционально температуре, холодный воздух имеет более низкую точку насыщения, чем теплый воздух. Разница между этими значениями является основой для образования облаков. Когда насыщенный воздух охлаждается, он больше не может содержать то же 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 пересыщению . [ необходима цитата ]
Пересыщение более 1–2% относительно воды редко наблюдается в атмосфере, поскольку обычно присутствуют ядра конденсации облаков. [27] Гораздо более высокие степени пересыщения возможны в чистом воздухе и являются основой камеры Вильсона .
Приборов для измерения пересыщения в облаках не существует. [28]
Капли воды обычно остаются в жидком состоянии 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 в диапазоне от 0 °C (32 °F) до −38 °C (−36 °F), в зависимости от геометрии и состава ядра. Без ядер льда переохлажденные капли воды (а также любая чрезвычайно чистая жидкая вода) могут существовать примерно до −38 °C (−36 °F), после чего происходит спонтанное замерзание. [ необходима цитата ]
Одной из теорий, объясняющих, как поведение отдельных капель в облаке приводит к образованию осадков, является процесс столкновения-слияния. Капли, взвешенные в воздухе, будут взаимодействовать друг с другом, либо сталкиваясь и отскакивая друг от друга, либо объединяясь, образуя более крупную каплю. В конце концов, капли становятся достаточно большими, чтобы падать 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 столкновения-слияния тесно связано с процессами захвата-смешивания. [29]
Основной механизм образования ледяных облаков был открыт Тором Бержероном . Процесс Бержерона отмечает, что давление насыщенного пара воды или то, сколько водяного пара может содержаться в данном объеме, зависит от того, с чем взаимодействует пар. В частности, давление насыщенного пара по отношению к 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 перенасыщенным при взаимодействии с частицей льда. [30] Водяной пар будет пытаться вернуться в состояние равновесия , поэтому дополнительный водяной пар будет конденсироваться в лед на поверхности частицы. Эти ледяные частицы в конечном итоге становятся ядрами более крупных кристаллов льда. Этот процесс происходит только при температурах от 0 °C (32 °F) до −40 °C (−40 °F). Ниже −40 °C (−40 °F) жидкая вода будет спонтанно зарождаться и замерзать. Поверхностное натяжение воды позволяет капле оставаться жидкой значительно ниже ее нормальной точки замерзания. Когда это происходит, она становится переохлажденной жидкой водой. Процесс Бержерона основан на взаимодействии переохлажденной жидкой воды (SLW) с ледяными ядрами для образования более крупных частиц. Если ледяных ядер мало по сравнению с количеством SLW, капли не смогут образоваться. Процесс, при котором ученые засевают облако искусственными ледяными ядрами для стимулирования осадков, известен как засев облаков. Это может помочь вызвать осадки в облаках, которые в противном случае могли бы не выпадать. Засев облаков добавляет избыточные искусственные ледяные ядра, что смещает баланс таким образом, что ядер становится много по сравнению с количеством переохлажденной жидкой воды. Перезасеянное облако будет образовывать много частиц, но каждая из них будет очень маленькой. Это можно сделать в качестве превентивной меры для районов, подверженных риску градовых бурь. [ требуется цитата ]
Облака в тропосфере , самом близком к Земле слое атмосферы, классифицируются в зависимости от высоты, на которой они находятся, а также от их формы или внешнего вида. [31] Существует пять форм, основанных на физической структуре и процессе формирования. [32] Усикообразные облака высокие, тонкие и тонкие, и наиболее широко видны вдоль передних краев организованных погодных возмущений. Слоистообразные облака неконвективны и выглядят как обширные слои, похожие на листы, от тонких до очень толстых со значительным вертикальным развитием. Они в основном являются продуктом крупномасштабного подъема устойчивого воздуха. Неустойчивые свободно-конвективные кучевообразные облака формируются в основном в локализованные кучи. Слоисто-кучевые облака с ограниченной конвекцией демонстрируют смесь кучевообразных и слоистых характеристик, которые проявляются в виде валиков или ряби. Высококонвективные кучево-дождевые облака имеют сложную структуру, часто включающую усикообразные вершины и слоисто-кучевые дополнительные облака. [ необходима ссылка ]
Эти формы перекрестно классифицируются по диапазону высот или уровню на десять типов родов , которые можно подразделить на виды и меньшие типы. Облака высокого уровня образуются на высотах от 5 до 12 километров. Все усикообразные облака классифицируются как облака высокого уровня и, следовательно, составляют единый род облаков cirrus . Слоистообразные и слоисто-кучевые облака в высоком уровне тропосферы имеют префикс cirro-, добавленный к их названиям, что дает роды cirrostratus и cirrocumulus . Похожие облака, обнаруженные в среднем уровне (диапазон высот от 2 до 7 километров), имеют префикс alto-, что приводит к названиям родов altostratus и altocumulus . [33]
Облака низкого уровня не имеют префиксов, связанных с высотой, поэтому слоистообразные и слоисто-кучевые облака, базирующиеся на высоте около 2 километров или ниже, известны просто как слоистые и слоисто-кучевые . Небольшие кучевые облака с небольшим вертикальным развитием (вид humilis) также обычно классифицируются как облака низкого уровня. [33]
Кучево-дождевые и кучево-дождевые облака и глубокие слоисто-образные слои часто занимают по крайней мере два тропосферных уровня, а самые большие или глубокие из них могут занимать все три уровня. Они могут быть классифицированы как низкие или средние, но также обычно классифицируются или характеризуются как вертикальные или многоуровневые. Слоисто-дождевые облака представляют собой слоисто-образные слои с достаточной вертикальной протяженностью для выпадения значительных осадков. Башнеобразные кучевые облака (вид congestus) и кучево-дождевые облака могут образовываться где угодно, от поверхности до промежуточных высот около 3 километров. Из вертикально развитых облаков кучево-дождевой тип является самым высоким и может фактически охватывать всю тропосферу от нескольких сотен метров над землей до тропопаузы. [33] Это облако отвечает за грозы.
Некоторые облака могут формироваться на очень высоких и экстремальных уровнях над тропосферой, в основном над полярными регионами Земли. Полярные стратосферные облака видны, но редко зимой на высоте от 18 до 30 километров, в то время как летом серебристые облака иногда образуются в высоких широтах на высоте от 76 до 85 километров. [34] Эти полярные облака демонстрируют некоторые из тех же форм, которые видны 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 облаков включает четыре вида, которые указывают на вертикальный размер и структуру.
Спутники используются для сбора данных о свойствах облаков и другой информации, такой как количество облаков, высота, излучательная способность в ИК-диапазоне, видимая оптическая толщина, обледенение, эффективный размер частиц как жидкости, так и льда, а также температура и давление наверху облаков.
Наборы данных о свойствах облаков собираются с помощью спутников, таких как MODIS , POLDER , CALIPSO или ATSR . Приборы измеряют яркость облаков, из которой можно извлечь 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 в обнаружении облаков над яркими (сильно отражающими ) поверхностями, такими как океаны и лед. [35]
Значение определенного параметра тем надежнее, чем больше спутников измеряют этот параметр. Это происходит потому, что диапазон ошибок и упущенных деталей варьируется от прибора к прибору. Таким образом, если анализируемый параметр имеет схожие значения для разных приборов, принимается, что истинное значение лежит в диапазоне, заданном соответствующими наборами данных. [35]
Глобальный эксперимент по энергетическому и водному циклу использует следующие величины для сравнения качества данных с разных спутников с целью установления надежной количественной оценки свойств облаков: [35]
Другим важным свойством является характеристика обледенения различных типов облаков на разных высотах, которая может иметь большое влияние на безопасность полетов. Методологии, используемые для определения этих характеристик, включают использование данных CloudSat для анализа и извлечения условий обледенения, определение местоположения облаков с использованием данных о геометрии облаков и отражательной способности, идентификацию типов облаков с использованием данных классификации облаков и поиск вертикального распределения температуры вдоль трассы CloudSat (GFS). [36]
Диапазон температур, при которых может возникнуть обледенение, определяется в зависимости от типа облаков и высоты над уровнем моря:
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, которая удерживает молекулы вещества вместе, может действовать, чтобы 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 восходящий подъем воздуха заменяется оседанием . Это приводит по крайней мере к некоторой степени адиабатического нагревания воздуха, что может привести к тому, что капли или кристаллы облака превратятся обратно в невидимый водяной пар. [37] Более сильные силы, такие как сдвиг ветра и нисходящие потоки, могут влиять на облако, но они в основном ограничиваются тропосферой, где происходит почти вся погода на Земле. [38] Типичное кучевое облако весит около 500 тонн или 1,1 миллиона фунтов, что соответствует весу 100 слонов. [39]
Существуют две основные схемы моделей, которые могут представлять физику облаков, наиболее распространенной является модель объемной микрофизики, которая использует средние значения для описания свойств облаков (например, содержание дождевой воды, содержание льда), свойства могут представлять только первый порядок (концентрацию) или также второй порядок (массу). [40] Второй вариант заключается в использовании схемы микрофизики контейнеров, которая сохраняет моменты (массу или концентрацию) разными для разных размеров частиц. [41] Модели объемной микрофизики намного быстрее, чем модели контейнеров, но они менее точны. [42]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )