Облачность. Классификация облаков

Облаком называют видимое скопление продуктов конденсации или сублимации водяного пара на некоторой высоте в свободной атмосфере.

Облака возникают в результате сублимации или конденсации водяного пара в атмосфере, главным образом в результате восходящих движений воздуха.

Высота облаков и их строение взаимозависимы с положением уровня конденсации, уровня нулевой изотермы, уровня замерзания и уровня конвекции.

Уровень конденсации практически совпадает с нижней границей облаков. Между уровнем конденсации и уровнем нулевой изотермы облако состоит из водных капель, а в отдельных случаях – тающих снежинок. Выше уровня нулевой изотермы облака состоят преимущественно из переохлажденных водных капель. Переохлажденные капли в облаках наблюдаются до уровня замерзания. Уровень замерзания располагается в среднем на той высоте, где температура воздуха составляет (–12) – (-17) ⁰С. Выше этого уровня уже происходит сублимация водяного пара, а также замерзание переохлажденных капель и облака состоят, в основном, из ледяных кристаллов. Верхняя граница облака определяется уровнем конвекции.

В зависимости от горизонтальных размеров областей, охваченных вертикальными движениями, от интенсивности восходящих движений, от термических и других факторов образуются облака, разные по внешнему виду и внутреннему строению. В зависимости от условий образования все облака разделяются на три класса:

1. Кучевообразные – сильно развитые по вертикали, они имеют сравнительно небольшую горизонтальную длину. Образуются они в результате интенсивных восходящих (конвективных) движений воздуха;

2. Волнообразные – распространенный по горизонтали слой облаков, которые имеют вид «барашков», валов или гряд. Получаются они в результате волновых движений в атмосфере.

3. Слоистообразные – имеют вид более или менее сплошного слоя. Горизонтальная длина этих облаков в десятки и сотни раз превосходит их вертикальную мощность. Образуются они в результате медленных, плавных восходящих движений воздуха, в частности, над фронтальными поверхностями.

Как возникают волновые движения атмосферы? Нижняя граница инверсионного слоя представляет собой поверхность раздела между холодным и теплым воздухом, который находится выше холодного. Если вдоль такой поверхности раздела холодный и теплый воздух двигаются с разными скоростями, то в ней развиваются волны. Воздух, который поднимается в гребнях волн, адиабатически охлаждается, и в нем начинается конденсация водного пара. В долинах между гребнями волн воздух опускается, и водяной пар, который там находится, удаляется от состояния насыщения. Таким образом, в гребнях волн образуются облака, а в долинах – просвети голубого неба. При этом в верхнем ярусе получаются перистые и перисто-кучевые облака, в среднем – высококучевые и в нижний – слоисто-кучевые.

В зависимости от высоты размещения нижней границы облаков, они делятся на четыре семейства:

А. Семейство облаков верхнего яруса. К ним относятся:

- Перистые - Cirrus - (циррус) – Ci;

- Перисто-кучевые - Cirrocumulus - (циррокумулюс) – Cc;

- Перисто-слоистые – Cirrostratus - (цирростратус) – Cs;

Б. Семейство облаков среднего яруса. К ним относятся:

- Высококучевые – Altocumulus - (альтокумулюс) – Ac;

- Высокослоистые – Altostratus - (альтостратус) – As;

В. Семейство облаков нижнего яруса. К ним относятся:

- Слоисто-дождевые – Nimbostratus - (нимбостратус) – Ns;

- Слоисто-кучевые – Stratocumulus - (стратокумулюс) – Sc;

- Слоистые – Stratus - (стратус) – St;

Г. Семейство облаков вертикального развития. К ним относятся:

- Кучевые – Cumulus - (кумулюс) – Cu;

- Кучево-дождевые – Cumulonimbus - (кумулонимбус) – Cb.

Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака располагаются в верхнем ярусе тропосферы – в умеренных широтах от 5 до 13 км. Высококучевые - в среднем ярусе, в умеренных широтах от 2 до 7 км. Высокослоистые облака обычно наблюдаются в среднем ярусе, но могут проникать и в верхний. Слоисто-дождевые почти всегда наблюдаются в нижнем ярусе, но, как правило, распространяются и в другие. Слоисто-кучевые и слоистые облака возникают в нижнем ярусе – от земной поверхности до 2 км. У кучевых и кучево-дождевых облаков основания располагаются обычно в нижнем ярусе, но вертикальное развитие их таково, что их вершины могут проникать в средний и даже верхний ярусы.

 

Перистые облака

Это отдельные белые волокнистые облака, обычно очень тонкие и прозрачные, с шелковистым блеском, но иногда с более плотными образованиями. Относятся к классу волнистообразных. Обычно наблюдаются в небольшом количестве, но иногда могут занимать и значительную часть неба. Закрывая солнце, они лишь немного ослабляют солнечное сияние. Часто сквозь перистые облака просвечивается голубое небо. Перед восходом или после захода солнца перистые облака иногда приобретают ярко-желтую или красную окраску. Перистые облака состоят преимущественно из ледяных кристаллов.

 

Перисто-кучевые

Это белые тонкие облака, состоящие из очень мелких волн, хлопьев, частично имеющих волокнистое строение или переходящих в перистые облака. Как правило, наблюдаются в небольшом количестве. Относятся к классу волнистообразных. Состоят из очень мелких ледяных кристаллов.

 

Перисто-слоистые

Это тонкая, беловатая пелена, которая не размывает контуров солнечного или лунного диска. Эти облака также кристаллические. При наличии перисто-слоистых облаков, так же как и перистых, и перисто-кучевых, вокруг солнца и луны образуются так называемые гало – большие светлые круги. Это оптическое явление возникает в результате преломления солнечных лучей в кристаллах облаков. Перисто-слоистые облака почти всегда наблюдаются одновременно с перистыми или после них, на тех же или несколько меньших высотах. Появление перисто-слоистых облаков служит признаком ухудшения погоды. Эти облака образуются в результате адиабатического охлаждения воздуха при его восходящем движении в верхней тропосфере, в зонах атмосферных фронтов. Относятся к классу слоистообразных.

 

Высококучевые облака

Это белые, иногда сероватые или синеватые облака в виде гряд или вон, состоящие из отдельных пластин или хлопьев, обычно разделенных просветами голубого неба, но иногда сливающихся почти в сплошной покров. От перисто-кучевых отличаются большей плотностью и большими видимыми размерами отдельных пластин или хлопьев. Высококучевые облака являются, как правило, водяными. Состоят из переохлажденных капель воды. Относятся к классу волнистообразных облаков.

 

Высокослоистые облака

Серая или синеватая однородная пелена слегка волокнистого строения. Как правило, постепенно закрывает все небо. Иногда на нижней ее поверхности заметны слабовыраженные волны. Относится к классу слоистообразных. Большей частью являются смешанными (состоят из ледяных кристаллов и переохлажденных капель воды). Осадки из высокослоистых облаков выпадают, но летом обычно не доходят до земной поверхности, испаряясь в подоблачном слое воздуха. Зимой даже тонкие высокослоистые облака дают снег.

 

Слоисто-кучевые

Это серые облака, состоящие из крупных гряд, волн, пластин или хлопьев, разделенных просветами или сливающихся в сплошной серый покров. Часто встречаются одновременно с кучевыми облаками. Состоят преимущественно из капелек воды. Изредка в них встречается некоторое количество ледяных кристаллов и снежинок. Слоисто-кучевые облака образуются в результате возникновения волновых движений в слоях инверси1, расположенных ниже двух км, растекания кучевых облаков в слое под инверсиями ниже двух км, а также вечером в связи с ослаблением конвекции. Относятся к классу волнистообразных.

Слоисто-дождевые облака

Они представляют собой при наблюдении снизу бесформенный сплошной серый облачный покров, из которого выпадают обложные осадки (дождь, снег). Одни слоисто-кучевые облака наблюдаются редко, чаще под их слоем образуются разорванные слоистые облака. Относятся к классу слоистообразных. Толщина слоисто-дождевых облаков порядка нескольких километров. Они состоят из капель и ледяных кристаллов. При отрицательных температурах капли находятся в переохлажденном состоянии. Слоисто-дождевые облака образуются в результате охлаждения воздуха при восходящем движении над поверхностью фронта.

 

Слоистые облака

Они представляют собой однородный слой серого цвета, сходный с туманом, приподнятым над поверхностью земли. Обычно они закрывают все небо. Основание этих облаков располагается на высоте нескольких десятков или сотен метров; иногда они сливаются с наземным туманом. Относятся к классу волнистообразных. Состоят из мельчайших капелек воды, при отрицательных температурах – переохлажденных. В них могут находиться и мелкие ледяные кристаллы. Из этих облаков может выпадать морось, а зимой – снежные зерна и ледяные иглы. Слоистые облака образуются преимущественно в нижних слоях однородных воздушных масс.

 

Кучевые облака

Это плотные, развитые по вертикали облака с белыми куполообразными вершинами и плоским сероватым или синеватым основанием. При сильном порывистом ветре края кучевых облаков могут быть разорванными. Высота основания над поверхностью земли 1–2 км. Эти облака состоят из капель воды, которые при отрицательных температурах находятся в переохлажденном состоянии. В умеренных широтах осадки из кучевых облаков обычно не выпадают; в тропиках из них могут выпадать слабые осадки. Относятся к классу кучевообразных.

 

Кучево-дождевые

Это мощные облачные образования, создающиеся в результате особенно сильного развития кучевых облаков, поднимающихся в виде гор или башен высотой в несколько километров. Верхние части таких облаков имеют волокнистую структуру и кристаллическое строение подобно перистым облакам. В нижних частях эти облака состоят из капель воды, иногда в смеси с ледяными ядрами крупы, града или снежинками. Кучево-дождевые облака дают ливневые осадки (дождь, снег, крупу) и летом часто сопровождаются грозами. Прохождение их всегда вызывает резкие изменения погоды: темнеет, поднимается резкий шквалистый ветер, выпадают ливневые осадки. Эти облака образуются в результате адиабатического охлаждения воздуха при мощном восходящем движении воздуха.

 

 

Туман

 

Туман – это совокупность взвешенных в воздухе капель води или кристаллов льда, которые уудшают дальность горизонтальной видимости до значений меньше 1 км.

Туман обычно образуется в тех случаях, когда упругость водяного пара в нижнем слое атмосферы, прилегающем к земной поверхности, превышает упругость насыщения. При наличии активных ядер конденсации туман может возникнуть при относительной влажности воздуха менее 100 %, т.е. когда упругость водяного пара еще не достигла упругости насыщения над плоской поверхностью дистиллированной воды. Существование тумана при относительной влажности воздуха менее 100 % возможно также при сильных морозах, когда туман состоит из ледяных кристаллов, над которыми упругость насыщения водяного пара меньше, чем над переохлажденной водой при той же температуре.

В качестве активных ядер конденсации могут быть взвешенные в воздухе частицы почвы, горных пород, органических веществ, некоторые микроорганизмы, частицы некоторых солей, остающиеся в атмосфере после испарения капель морской воды, продукты сгорания угля.

Интенсивность тумана определяется следующими градациями:

1. слабый туман – видимость 500-1000 м;

2. умеренный туман – видимость 50-500 м;

3. сильный туман – видимость < 50 м.

По физическим условиям образования туманы можно разделить на:

1. туманы охлаждения;

2. туманы, не связанные с охлаждением;

3. туманы, вызванные деятельностью человека.

Туманы охлаждения образуются в результате понижения температуры воздуха, прилегающего к земной поверхности ниже точки росы.

К туманам не связанным с охлаждением относятся туманы испарения и туманы смешения.

Туманы испарения наблюдаются в тех случаях, когда температура поверхности воды выше температуры прилегающего воздуха. Их образование вызывается охлаждением и конденсацией пара, поступающего с водной поверхности в воздух. Испарение при этом происходит даже при влажности воздуха 100 % и более. Объясняется это тем, что дефицит влажности, вычисленный по температуре испаряющей поверхности будет в этом случае больше нуля даже при относительной влажности воздуха >100 %.

Туман смешения образуется при перемешивании двух масс воздуха, содержащих водяной пар, близкий к состоянию насыщения, и имеющих различную температуру. Чаще всего такие туманы образуются на берегах морей и озер при большом контрасте температур воздуха над сушей и над водной поверхностью и при слабом ветре.

К туманам, вызванным деятельностью человека относятся городские и морозные (печные) туманы, а также специально созданные искусственные туманы, например, для борьбы с заморозками.

Городские туманы образуются в крупных городах, где в воздух выбрасываются в большом количестве отходы промышленного производства. Своим появлением они обязаны большому количеству активных ядер конденсации, при наличии которых конденсация может начаться уже при относительной влажности 75-95 %. Чаще всего городские туманы наблюдаются утром, когда водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к состоянию насыщения. В крупных промышленных городах нередко возникают сильные и опасные туманы, смешанные с дымом или выхлопными газами машин. Такие туманы называются смогами.

Морозные (печные) туманы образуются зимой при низкой температуре воздуха и при наличии приземной инверсии над небольшими населенными пунктами. Они обычно возникают утром, когда в воздух поступает большое количество ядер конденсации вместе с дымом от топки печей, с чем и связано название этих туманов.

 

Годовой ход туманов

Зависит от географических условий. Над континентами туманы чаще всего образуются осенью, а над морями и океанами – весной, когда водная поверхность наиболее холодная. Туманы уменьшают эффективное излучение деятельной поверхности и этим оказывают полезное действие на растения, препятствуя их чрезмерному охлаждению в ночные часы.

 

Осадки

 

Укрупнение облачных элементов – это обязательное условие выпадения атмосферных осадков. Основными процессами, которые возникают при укрупнении являются конденсация (или сублимация) на облачных элементах водяного пара и коагуляция (от латинского – свертывание), т.е. слияние капель или сцепление кристаллов при столкновении.

Различают следующие виды осадков:

1. твердые осадки

2. жидкие осадки

3. смешанные осадки.

Твердые осадки:

1. снег – ледяные или снежные кристаллы, чаще всего имеющие форму звездочек и хлопьев.

2. Снежная крупа – непрозрачные сферические снегоподобные крупинки белого или матово-белого цвета диаметром от 2 до5 мм.

3. Снежные зерна – не прозрачные матово-белые крупинки диаметром менее1 мм.

4. Ледяная крупа – ледяные прозрачные крупинки, в цетре которых имеется непрозрачное ядро. Диаметр крупинок до 3 мм.

5. Ледяной дождь – прозрачные ледяные шарики размером от 1 до 3 мм. Иногда внутри твердой оболочки остается не замерзшая (переохлажденная вода).

6. Град – кусочки льда различных форм и размеров.

Жидкие осадки:

7. дождь – состоит из капель диаметром от 0,5 до 7,0 мм.

8. Морось – капельки диаметром 0,05-0,5 мм, находящиеся как бы во взвешенном состоянии, так что падение их почти незаметно.

Смешанные осадки

9. мокрый снег – осадки в виде тающего снега или смеси снега с дождем.

 

Важной характеристикой осадков является их интенсивность, т.е. количество осадков, выпадающих в единицу времени. На метеостанциях количественно (в мм/мин) определяется только интенсивность жидких осадков.

Интенсивность, как жидких, так и твердых осадков, определяется количественно и визуально. Осадки делятся на слабые, умеренные и сильные.

По характеру выпадения различают осадки:

1. обложные

2. ливневые

3. моросящие.

Обложные осадки выпадают обычно из системы фронтальных слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков, а иногда и из слоисто-кучевых. Они характеризуются умеренной, приблизительно равномерной интенсивностью, охватывают одновременно большие площади и могут непрерывно или с короткими перерывами продолжаться в течение нескольких часов и даже десятков часов.

Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков. Они отличаются внезапностью начала и конца выпадения, резкими колебаниями интенсивности и сравнительно малой продолжительностью. Они охватывают небольшую площадь.

Моросящие осадки выпадают из слоисто-кучевых и слоистых облаков. Это может быть морось, мельчайшие снежинки или снежные зерна.

По синоптическим условиям образования различат осадки:

1. внутримассовые

2. фронтальные.

Внутримассовые осадки образуются внутри однородных воздушных масс.

Фронтальные осадки связаны с прохождением фронтов. Для теплого фронта типичны обложные осадки, для холодного фронта – ливневые.

По месту образования различают осадки:

1. континентального происхождения

2. морского происхождения.

 

 

Химический состав осадков

Изучение химического состава осадков необходим для решения многих практических вопросов и в первую очередь для исследования круговорота веществ в природе. Содержание различных примесей в осадках нужно знать агрохимикам, гидрохимикам, гидрогеологам и геохимикам для изучения формирования состава природных и поверхностных вод и поверхностных слоев почвы, а также техникам, разрабатывающим меры предохранения различных сооружений от коррозии и изоляционные устройства на линиях электропередач.

Поэтому, химический анализы атмосферной воды – частиц туманов и облаков, осадков, росы, изморози – ведутся различными специалистами.

Атмосферные осадки представляют собой слабые растворы солей. Общая минерализация осадков изменяется в среднем от 10 до 30 мг/л. Осадки приносят в почву значительное количество различных веществ, смешавшихся с водой. А именно, от 50 до 150 кг/га в год.

Концентрация примесей в осадках зимой больше, чем летом. Это объясняется тем, что вследствие большей площади захвата и меньшей скорости падения снежинки на пути своего падения могут захватывать гораздо больше взвешенных в воздухе частиц, чем капли.

В осадках континентального происхождения основной примесью являются сульфаты, а в осадках морского происхождения – хлориды. Метеорологическими службами проводятся исследования проб воды из облаков и аэрозолей свободной атмосферы. Многочисленные анализы показывают, что облачная вода чище, чем вода осадков. Это означает, что осадки сорбируют примеси в подоблачных слоях атмосферы. Осадки вымывают из атмосферы радиоактивные вещества, при чем твердые осадки в большей степени, чем жидкие. Но капли и снежинки становятся радиоактивными не только в результате вымывания ими радиоактивных аэрозолей из подоблачных слоев воздуха, но и раньше, во время своего роста в облаке.

 

Продукты наземной конденсации:

1. роса и иней

2. зернистая изморозь

3. кристаллическая изморозь

4. гололед

5. гололедица

6. жидкий и твердый налет.

Роса – жидкий осадок в виде капель воды. Образуется ночью, но может образовываться и вечером после захода солнца, когда земная поверхность и находящиеся на ней предметы охлаждаются путем излучения ниже точки росы прилегающего воздуха. При этом происходит конденсация водяного пара на почве и наземных предметах.

Иней образуется при условиях, аналогичным условиям образования росы, но при температуре поверхности почвы и наземных предметов ниже 0⁰. Кристаллы инея образуются путём сублимации водяного пара из воздуха, соприкасающегося с предметами. Иней возникает при заморозке на почве, но и сам способствует увеличению ночного выхолаживания почвы из-за большой своей излучательной способности. Зернистая изморозь образуется вследствие намерзания на предметах переохлажденных капель тумана. При соприкосновении с предметами капли так быстро замерзают, что не успевают потерять свою форму и дают снеговидное отложение, состоящее из отдельных не различимых глазом ледяных зёрен. Они обычно образуются при t⁰ воздуха от –2 до –7⁰. Толщина слоя отложения может достигать нескольких десятков сантиметров.

Кристаллическая изморозь образуется в результате сублимации водяного пара, поступающего в воздух при испарении капель тумана. При образовании на сучьях деревьев, проводах кристаллическая изморозь имеет вид пушистых гирлянд, легко осыпающихся при встряхивании. Толщина отложения не больше 1 см. Гололёд представляет собой слой прозрачного или мутного льда, образующегося на поверхности земли, деревьях и других предметах преимущественно с наветренной стороны. Его появление вызвано выпадением переохлаждённого дождя или мороси. При соприкосновении с земной поверхностью или наземными предмерами, имеющими температуру ниже 0⁰ С, выпадающие переохлаждённые капли замерзают, образуя гладкий слой прозрачного льда.

Гололедица образуется при выпадении обыкновенного (не переохлаждённого) дождя на сильно охлаждённую поверхность. Она представляет собой тонкий слой и существует непродолжительное время. При длительном выпадении дождя, образовавшаяся корка тает.

Жидкий налёт представляет собой водяной осадок, образующийся преимущественно на вертикальных поверхностях с наветренной стороны. Возникает он в тех случаях, когда после умеренных холодов приходит тёплый влажный воздух. Соприкасаясь с выхоложенными предметами, но всё же имеющими температуру выше 0⁰ С, движущийся воздух охлаждается, в результате чего на них выделяются капельки воды, тонким слоем покрывающие вертикальные этих предметов. Твёрдый налет представляет собой полупрозрачный слой льда, имеющего кристаллическое строение. Условия его образования аналогичны условиям образования жидкого налёта, с той разницей, что твёрдый налёт образуется на поверхностях, охлаждённых ниже 0 ⁰С.