Испарение и конденсация

Подписаться на эту рубрику по RSS

01
фев 10

Условия, благоприятствующие выпадению осадков

В связи с очень большим количеством разных факторов, влияющих на образование осадков, чрезвычайно трудно с большой точностью предсказать их выпадение. Начало выпадения осадков, их продолжительность и количество меняются в широких пределах даже на небольших площадях, около 100 кв км. Кроме того, при прогнозировании осадков трудно разграничить районы выпадения дождя и снега. Вид осадков зависит, в частности, от распределения температуры земной поверхности и температуры воздуха до высоты несколько сотен метров. Микрофизические свойства облаков и общая динамика процессов их образования в настоящее время еще не вполне выяснены.

01
фев 10

Образование облаков

Облака, являясь, одной стадией круговорота воды в природе, представляют собой системы из миллиардов крошечных капелек воды или мельчайших кристаллов льда, взвешенных в воздухе. Облака  образуются на любой широте.

Когда воздух поднимается, он быстро охлаждается вследствие расширения. Если охлаждение непрерывно и если количество водяного пара достаточно для того, чтобы он стал насыщенным, в воздухе появляются мельчайшие капли воды. Обычно такие капли медленно выпадают из вершины облака, где зародились. На более низких уровнях они начинают испаряться. Таким образом, в облаке на разных уровнях идет непрерывный процесс образования и испарения капель.

Некоторые облака образуются, когда две массы воздуха, имеющие разную температуру, перемешиваются и более теплый и влажный воздух охлаждается. Однако главным процессом, вызывающим образование облаков, все же 'бывает адиабатическое охлаждение поднимающегося воздуха.

Когда воздух поднимается, то точка росы достигается быстрее, чем в неподвижном воздухе вблизи земной поверхности. Точка росы в поднимающемся воздухе уменьшается с высотой примерно на 0,17°С/100 м. Таким образом, чем выше поднимается воздух, тем ниже становится в нем точка росы, т. е. температура, при которой начинается конденсация пара. Точка росы понижается, так как давление в поднимающемся воздухе уменьшается. Уменьшающееся же давление понижает концентрацию водяного пара.

Восходящее движение воздуха само по себе может быть вызвано несколькими причинами. Одна состоит в том, что возвышенность, лежащая на пути движущегося воздуха, заставляет его подниматься. Это явление называется орографическим восхождением. Другой причиной могут быть динамические особенности центральной части областей пониженного давления, где также развиваются восходящие движения воздуха. Поднимающийся воздух охлаждается и возникают облака. Наконец, воздух может подниматься в термиках — местных конвективных течениях небольшого масштаба.

01
фев 10

Классификация облаков

Первые и самые удачные классификации облаков были созданы еще в XIX веке. В этих классификациях учитывались разный внешний вид облаков и различная их высота. Современная классификация облаков выделяет 10 основных форм, которые далее часто подразделяются на несколько видов и разновидностей. Здесь мы рассмотрим лишь основные формы облаков. В тропосфере облака могут образоваться на всех высотах. Однако каждое семейство облаков, выделяемое в классификации, располагается в основном только в каком-либо одном диапазоне высот. В современной классификации выделены семейства облаков верхнего, среднего и нижнего ярусов, а также вертикального развития. Облака разных ярусов иногда могут сливаться, но обычно они довольно отчетливо разделяются   по ярусам.

Начиная со второй половины XIX в. метеорологи дают названия облакам, используя единые международные термины.

С 1880-х гг. при составлении классификации облаков используются их фотографии. В настоящее время формы облаков и облачных систем определяют, используя Международный атлас облаков. В названиях облаков часто встречаются слова или приставки, помогающие представить себе внешний вид данных облаков. Так, приставка . strato показывает, что речь идет о плоских слоистообразных облаках, cumulo относится к вытянутым по вертикали облакам в виде башен, nimbus—к облакам, дающим дождь, и т. д.

Облака нижнего яруса. Эти облака располагаются в слое атмосферы, простирающемся от земной поверхности до высоты около 2100 м. Приведем некоторые примеры облаков нижнего яруса.

  1. Слоистые (Stratus) — серые однородные облака, значительно вытянутые в горизонтальном направлении и похожие на более высоко расположенные облака, которые могут давать морось и ледяные кристаллы***. Однако обычно они состоят из мелких капель воды. Иногда   слоистые   облака   придают небу угрожающий вид*. Эти облака повторяют конфигурацию расположенной под ними местности, что связано с их происхождением: они часто являются результатом радиационного выхолаживания воздуха над разными ландшафтными участками.
  2. Кучевые (Cumulus) — плотные, иногда размытые, вытянутые повертикали, изолированные друг от друга облака, способные распространяться выше всех других облаков нижнего яруса. Обычно они имеют куполообразную белую вершину и плоское темное основание. Благодаря местным восходящим движениям воздуха эти облака не сливаются друг с другом, а имеют вид отдельных пирамид или ячеек. Из кучевых облаков могут выпадать ливневые осадки. Обычно эти облака состоят из капель воды. Осадки же они дают лишь в том случае, когда имеют большую вертикальную протяженность.
  3. Слоисто-дождевые облака (Nimbostratus) имеют серый или белый цвет и иногда пятнистый вид. Они состоят из капель воды и иногда из кристаллов льда.
  4. Слоисто-кучевые облака (Stratocumulus) возникают под влиянием конвективных восходящих движений воздуха и турбулентного перемешивания. Эти процессы придают облакам кучевообразный вид или волнистое строение.

Облака среднего яруса. Эти облака лежат на высотах от 2100 до 4000 м в полярных районах и до 8000 м над тропиками. В названиях этих облаков часто используется приставка "Alto". В таких облаках теплый и влажный воздух совершает     восходящее     движение и при этом охлаждается, за счет чего и образуются эти облака в умеренных широтах. Приведем некоторые примеры облаков среднего яруса.

  1. Высоко-слоистые облака (Altostratus) представляют собой сравнительно однородный серый или голубоватый облачный слой, покрывающий все небо. Он состоит из чередующихся скоплений (пятен) капель воды и кристаллов льда. Высоко-слоистые облака могут давать снег, дождь и ледяной дождь. Появление таких облаков может быть предвестником выпадения этих видов осадков в ближайшие часы.
  2. Высоко-кучевые облака (Altocumulus) — белые или серые кучевообразные или неоднородные облачные слои. Они состоят из капель воды, хотя при низких температурах в них преобладают ледяные кристаллы.

Облака верхнего яруса. В умеренных широтах высота нижней границы этих облаков составляет от 3500 до 8000 м. Верхняя же их граница в тропиках может располагаться на высотах до 20 км. Они принадлежат к типу cirrus, что означает «завиток», «спираль» и т. п. Часто эти облака являются предвестниками приближения шторма, бури. Обычно они состоят из ледяных кристаллов, образующих нити, пучки или перистообразные прозрачные тонкие белые облака. Часто они образуют гало вокруг Луны, если она просвечивает через эти облака. К облакам верхнего яруса относятся следующие роды облаков.

  1. Перистые (Cirrus) облака представляют собой тонкие, нежные, белые нити,   распространяющиеся по всему небу. Они почти целиком состоят из кристаллов льда. Во время восхода и захода Солнца они могут окрашиваться в разные цвета. За их внешний вид их обычно называют конскими хвостами.
  2. Перисто-слоистые (Cirrostratus) облака имеют вид тонких нитей или волокон. Они состоят из кристаллов льда и могут давать гало. В верхней части таких облаков водяной пар конденсируется, а в нижней — испаряются облачные элементы. Появление перисто-слоистых облаков может предвещать выпадение дождя (или снега).
  3. Перисто-кучёвые (Cirrocumulas) — тонкие белые неоднородные облака, возникающие под действием небольших конвективных потоков воздуха. Волнистый вид этих облаков привел к появлению термина «небо в барашках». Перисто-кучевые облака обычно состоят из ледяных кристаллов.

Некоторые формы облаков, характеризующиеся значительной вертикальной протяженностью, простираются с самых нижних уровней до высот, на которых обычно располагаются облака верхнего яруса. К таким облакам относятся кучево-дождевые (Cumulonimbus), имеющие вид гор, высоких башен и т. п. Они образуются в результате развития и дальнейшего преобразования кучевых облаков. Кучевые облака тоже могут иметь значительную вертикальную протяженность, но кучево-дождевые отличаются от них большей плотностью, массивностью и внешним видом. Их вершина часто растекается, приобретая форму наковальни, или же благодаря наличию в ней ледяных кристаллов  принимает вид    перистых облаков. Вертикальная протяженность кучево-дождевых облаков может составлять от 100 м до 12 км.

Кучево-дождевые облака в основном состоят из капель воды, лишь в верхней части они могут содержать кристаллы льда. Эти облака часто называют грозовыми, и они действительно могут дать сильный ветер, молнию, ливневые осадки. Нередко они сопровождаются выпадением града и наблюдаются при прохождении торнадо.

31
янв 10

Наблюдения за облаками.

Измерение высоты нижней границы облачного покрова носит название измерения облачного «потолка». Оно производится с помощью специального прибора, называющегося «измеритель потолка». Этот прибор направляет луч света на основание облака, от которого луч отражается вниз, к детектору, позволяющему точно отсчитать высоту нижней границы облака .

Метеорологи определяют также количество облаков. Оно выражается в десятых долях покрытия неба облаками, называемых баллами. В ежедневных сводках погоды используются также качественные характеристики типа «ясно», «переменная облачность», «пасмурно» и т. п.

Определение форм облаков служит одним из лучших вспомогательных средств для ориентировочного предсказания погоды на ближайшие часы. Различные формы облаков часто весьма показательны для предстоящих в скором времени изменений погоды. Это объясняется тем, что каждая форма облаков, помимо всего   прочего,   является   результатом  определенных метеорологических процессов, вызывающих ее возникновение. Однако многие виды и формы облаков имеют столь сходный внешний вид, что' иногда бывает трудно точно определить многочисленные возможные их сочетания, которые могут наблюдаться в разные моменты времени. Для того чтобы правильно определить форму облаков и характеризуемую ими погоду, необходимо ясно представлять себе процессы, приводящие к возникновению этих облаков.

31
янв 10

Возникновение тумана

Туман, особенно часто встречающийся на побережьях, в действительности бывает   слоистым облаком, расположенным непосредственно у земной поверхности. Этот плотный покров сконденсированного водяного пара образуется в результате охлаждения воздуха, содержавшего насыщенный пар.

Туман представляет собой слоистое облако на земной поверхности, состоящее из микроскопических капель воды или кристаллов льда. На автомобиле, движущемся в переохлажденном тумане, может появиться ледяная корка.

Туман образуется в случае поступления водяного пара в теплый воздух или при охлаждении влажного воздуха до температуры, более низкой, чем точка росы. Воздух может охлаждаться при вторжении в данную местность нового, еще более холодного воздуха. При этом пар, содержащийся в воздухе, конденсируется и над земной поверхностью возникает туман более или менее значительной вертикальной протяженности.

Существуют различные виды тумана. Они подразделяются в зависимости от процессов их образования и места появления. Все классификации туманов имеют более или менее описательный характер.

Мы выделим здесь три основных вида тумана. Каждый из них возможен при несколько различающихся условиях. Этими тремя видами являются: радиационный туман, адвективный туман и фронтальный туман.

Радиационный туман. Радиационный туман известен также под названием приземного. Этот вид тумана возникает при быстром охлаждении нижнего слоя воздуха путем теплообмена с земной поверхностью. В этом случае приземный воздух охлаждается, а над ним оказывается более теплый воздух. Если при этом воздух неподвижен, туман образуется слабый или вообще не возникает. Но если есть легкий ветер, образование тумана идет очень интенсивно. Однако при более сильном ветре туман рассеивается вследствие перемешивания воздуха. Легкий же ветер в районе образования тумана приводит к распространению конденсации на более высокий приземный слой атмосферы. При этом туман становится более густым. Утром, когда солнечные лучи начинают прогревать воздух, капли тумана испаряются, т. е. снова превращаются в водяной пар, и туман рассеивается.

В местностях, расположенных на значительной высоте над уровнем моря, радиационный туман может появиться на склонах гор. Более плотный воздух стекает по склонам вниз и образует плотный и высокий туман в долинах, лежащих между возвышенностями.

Радиационный туман чаще возникает осенью и зимой, когда бывает сравнительно высокая относительная влажность воздуха, а также значительная продолжительность ночи. Радиационный туман появляется также в центрах областей повышенного давления, обычно характеризующихся слабым ветром и безоблачным небом. В сравнительно устойчивом воздухе радиационный туман, возникший вечером или ночью, может удерживаться в течение всего дня.

Адвективный туман. Адвективный туман образуется в воздухе, движущемся над местностью, в которой температура поверхности ниже температуры натекающего воздуха. Когда сравнительно теплый воздух двигается над более холодной сушей  или водоемом, он быстро охлаждается, а водяной пар в нем начинает конденсироваться. Появляется густой низкий туман. Иначе говоря, пар в нижнем слое атмосферы быстро становится насыщенным и возле земной поверхности образуется слоистое облако, имеющее значительную вертикальную протяженность. Туман этого вида может наблюдаться в любое время суток, а не только в холодные ночные часы.

Адвективный туман чаще всего появляется на побережьях, а также в районах, частично покрытых снегом и перемежающихся с бесснежными участками. В умеренных широтах такие туманы образуются в тех случаях, когда теплые южные ветры переносят воздух на север, т. е. в более холодные климатические области.

В северных районах Атлантического побережья США часто наблюдаются высокие адвективные туманы. Они чрезвычайно опасны для судоходства между США, Канадой и Европой. В зимние месяцы основные судоходные линии переносятся в более южные районы, чтобы корабли могли избежать встречи с туманами, образующимися у берегов Ньюфаундленда.

Если адвективный туман возникает над открытым морем, его называют морским туманом. Это бывает в том случае, когда теплый воздух перемещается над более холодной поверхностью моря и охлаждается путем теплопроводности. Он может появляться также над такими районами океана, где поблизости друг от друга проходят течения, заметно различающиеся по температуре, так как находящиеся над ними массы воздуха перемешиваются. Морские туманы могут быть очень продолжительными. Иногда они не рассеиваются в течение нескольких недель.

В горных районах могут возникать туманы склонов. Это происходит, когда вследствие адиабатического охлаждения теплый воздух, встречающий на пути гору, вынужден подниматься по' ее склонам. Быстро расширяясь, поднимающийся воздух понижает свою температуру до точки росы, что и вызывает появление густого горного тумана.

Фронтальный туман. Фронтальные туманы возникают в местах соприкосновения двух воздушных масс с различными свойствами. Такие места называются фронтальными зонами или проето фронтами. Фронты встречаются в атмосфере очень часто, но не все они обязательно сопровождаются туманом.

Чаще всего фронтальный туман наблюдается перед теплым фронтом. Такой туман может быть очень продолжительным. Обычно ему сопутствует выпадение осадков. Фронтальные туманы часты на восточном побережье США.

Фронтальные туманы образуются также и на некоторых холодных фронтах, но реже, чем на теплых, и не на столь обширных площадях, что объясняется меньшей шириной зоны, занятой холодным фронтом, по сравнению с теплым.

Фронтальные туманы — постоянная угроза для всех видов транспорта. Они наносят большой ущерб, когда приходится отменять полеты на авиалиниях или изменять маршрут полета. Даже при современных средствах посадки самолета по приборам туманы все еще остаются проблемой для военной и гражданской авиации.

Туманы на море стали причиной многих столкновений кораблей. Они особенно опасны на линиях, проходящих через Северную Атлантику, где встречаются айсберги. Гибель «Титаника» произошла из-за столкновения с айсбергом.

В таких крупных промышленных центрах, как Лос-Анджелес, Нью-Йорк, Лондон, нередко туман, смешиваясь с дымом, образует так называемый смог. Смоги наносят огромный вред здоровью людей. Смешение густого тумана с промышленным дымом в индустриальных центрах очень опасно, особенно для людей с сердечными заболеваниями и с болезнями дыхательных путей. Дополнительная нагрузка на дыхание и кровообращение таких больных во время продолжительных смогов нередко приводит к смертельному исходу.

Сажа, находящаяся во взвешенном состоянии в воздухе городов и крупных   промышленных районов, способствует образованию тумана и смога. В таких районах в атмосферу выбрасывается большое количество ядер конденсации. В результате нарушается нормальный термический режим и циркуляция воздуха. Загрязнение воздуха влияет даже на погоду, так, температура ночью в промышленных районах понижается медленнее обычного.

Один из известных случаев смога с большим числом смертных случаев произошел в Лондоне в декабре 1952 г. В холодной воздушной массе, располагавшейся над городом, сформировалась инверсия, которая затормозила перемешивание в приземном слое атмосферы. Промышленный дым, продолжавший поступать в атмосферу, смешивался с неподвижным насыщенным влагой воздухом и образовал над городом густое облако с высоким содержанием окислов серы. Это облако явилось главной причиной раздражения дыхательных путей. Число смертных случаев в день возросло. К середине первой недели после начала смога было зарегистрировано почти 1000 смертных случаев, вызванных этим смогом. Влияние смога замечалось еще на протяжении нескольких недель после того, как он рассеялся. Все это время число смертных случаев оставалось выше нормы.

31
янв 10

Виды осадков

Если пользоваться точными названиями, то частицы, взвешенные в атмосфере и несколько уменьшающие видимость удаленных предметов, следует именовать метеорами. Этот термин применим к любым твердым, жидким и газообразным частицам. Однако метеорологи используют его иначе, чем астрономы, и не рассматривают, в частности, те частицы, которые поступают в атмосферу Земли из космоса. Метеоры, состоящие из воды или водяного пара, являются гидрометеорами. К ним прежде всего относятся дождевые капли.

Следует отметить, что не все гидрометеоры выпадают в виде осадков и достигают земной поверхности. Нередко падающие гидро-метеоры успевают испариться или их подхватывают и уносят вверх конвективные восходящие движения.

В этом случае наблюдаются так называемые полосы падения осадков. Если гидрометеоры очень мелки, они могут оставаться в атмосфере во взвешенном состоянии.

В зависимости от условий образования гидрометеоры могут иметь различный вид.

31
янв 10

Дождь.

Диаметр дождевых капель 0,05— 0,6 см. Они достигают земной поверхности в виде капель воды. Однако, соприкасаясь с холодной земной поверхностью, они могут замерзать. Обычно дождь выпадает из кучево-дождевых, высоко-слоистых, слоисто-кучевых и слоисто-дождевых облаков. В облаках дождь образуется в виде капель воды или кристаллов льда, но, достигая земной поверхности, он всегда представляет собой капли воды.

30
янв 10

Ледяной дождь

Ледяной дождь образуется в том случае, когда теплая воздушная масса располагается выше слоя с отрицательной температурой, через который вынуждены пролетать капли дождя. В этом случае капли могут замерзнуть, не успев долететь до земной поверхности. В местах своего зарождения частицы ледяного дождя имеют примерно одинаковые размеры, но во время падения эти размеры быстро меняются. На падающих каплях конденсируется водяной пар, многие из них сливаются друг с другом и достигают диаметра 0,1 см. По мере дальнейшего поступления водяного пара образуются ледяные кристаллы. Эти гидрометеоры образуют плотный слои высоко-слоистых облаков. Переохлажденные дождевые капли, ударяясь о земную поверхность, часто образуют гололед.

30
янв 10

Морось

Морось представляет собой медленно падающие капли диаметром менее 0,05 см, которые иногда кажутся неподвижно висящими в воздухе. Капли мороси мельче дождевых и легко вовлекаются в движения воздуха. Морось образуется в низких слоистых облаках. Такие облака характеризуются высокой влажностью возле основания, которое может даже располагаться непосредственно у земной поверхности, как это бывает при тумане.

Если морось соприкасается с сильно охлажденной поверхностью земли или наземных предметов, то капли ее могут замерзать. Замерзшая морось образует на земной поверхности гололед, представляющий большую опасность для пешеходов и транспорта.

29
янв 10

Град

Градины — мелкие ледяные шарики, диаметр которых лежит в пределах от диаметра дождевых капель до 5 см и более*. Отмечены градины размером с бейсбольный мяч, но, к счастью, такие градины очень редки. Град возникает в кучево-дождевых облаках.

Разрез градины показывает, что она состоит из нескольких концентрических слоев льда.

Процесс роста градины обычно начинается со стадии образования небольшой ледяной крупинки. Концентрические слои градины состоят из чередующихся прослоек льда и плотного снега.

Существуют два самых распространенных представления о том как образуется град. Согласно одному из них, градина получается в результате многократных подъемов и падений частицы во влажном воздухе выше слоя замерзания. Бросать ее вверх-вниз могут, например, мощные восходящие и нисходящие потоки воздуха в грозовых облаках. Когда ледяной кристалл попадает в верхние холодные слои воздуха, на нем нарастает новый слой льда. Так повторяется несколько раз, пока градина не станет настолько тяжелой, что восходящие движения воздуха уже не смогут подбрасывать ее вверх, после чего она и выпадает на землю.

По другой теории градина, падая под действием силы тяжести, проходит в облаке через несколько слоев переохлажденных капель. Соприкасаясь с переохлажденными каплями облака, градина обрастает новыми ледяными прослойками.

Хотя очень крупные градины выпадают редко, все же градобития составляют серьезную проблему для сельского хозяйства. Сильный град может очень быстро уничтожить весь урожай.

В настоящее время делаются попытки разными методами предотвратить выпадение града. Так, например, засевают кучево-дождевые облака, дающие град, кристаллами йодистого серебра, которые путем сильного нагрева переводятся в газообразное состояние. В результате засева градины в таком облаке образуются очень рано, до того как успевают вырасти до значительных размеров. В Советском Союзе в целях управления процессом роста градин выполнен ряд экспериментов с йодистым серебром. Для этого облака обстреливали из зенитных орудий, снаряды которых начинялись йодистым серебром, способствующим раннему образованию ледяных крупинок и не дающим им вырасти до размера крупных градин.