Войти
Физика облаков - это изучение физических процессов, которые приводят к образование, рост и выпадение атмосферных облаков. Эти аэрозоли находятся 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). Капли облака первоначально образуются в результате конденсации водяного пара на зародышах конденсации, когда пересыщение воздуха превышает критическое значение согласно теории Келера. Облачные ядра конденсации необходимы для образования облачных капель из-за эффекта Кельвина, который описывает изменение давления насыщенного пара из-за искривленной поверхности. При малых радиусах пересыщение, необходимое для возникновения конденсации, настолько велико, что этого не происходит естественным образом. Закон Рауля описывает, как давление пара зависит от количества растворенного вещества в растворе. При высоких концентрациях, когда облачные капли маленькие, необходимое пересыщение меньше, чем без зародыша.
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 больших каплях. Затем крупные капли могут сталкиваться с мелкими каплями и объединяться, образуя еще более крупные капли. Когда капли становятся настолько большими, что их скорость движения вниз (относительно окружающего воздуха) больше, чем скорость движения вверх (относительно земли) окружающего воздуха, капли могут падать в виде осадков. Столкновение и коалесценция не так важны в облаках со смешанной фазой, где доминирует процесс Бержерона. Другими важными процессами, которые формируют осадки, являются обрамление, когда капля переохлажденной жидкости сталкивается с твердой снежинкой, и агрегация, когда две твердые снежинки сталкиваются и объединяются. Точная механика того, как облако формируется и растет, до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков, изучая микрофизику отдельных капель. Достижения в области технологии метеорологических радаров и спутников также позволили точно изучать облака в крупном масштабе.
Современная физика облаков началась в 19 веке и была описана в нескольких публикациях. Отто фон Герике положил начало идее, что облака состоят из водяных пузырей. В 1847 году Август Уоллер использовал паутинку для исследования капель под микроскопом. Эти наблюдения были подтверждены Уильямом Генри Дайнсом в 1880 году и Ричардом Ассманном в 1884 году.
Воспроизвести медиа Развитие облаков менее чем за минуту. 
Позднее лето ливень в Дании. Почти черный цвет основания указывает на главное облако на переднем плане, вероятно, кучево-дождевые.Когда вода испаряется с участка поверхности Земли, воздух над этой областью становится влажным. Влажный воздух легче окружающего сухого воздуха, что создает нестабильную ситуацию. Когда накопится достаточно влажного воздуха, весь влажный воздух поднимается единым пакетом, не смешиваясь с окружающим воздухом. По мере того, как на поверхности образуется все больше влажного воздуха, процесс повторяется, в результате чего серия отдельных пакетов влажного воздуха поднимается, образуя облака.
Этот процесс происходит, когда один или несколько из трех возможных подъемных агентов - циклонный / фронтальный, конвективный, или орографический - заставляет воздух, содержащий невидимый водяной пар подниматься и охлаждаться до его точки росы, температуры, при которой воздух становится насыщенным. Основным механизмом этого процесса является адиабатическое охлаждение. Атмосферное давление уменьшается с высотой, поэтому поднимающийся воздух расширяется в процессе, который расходует энергию и заставляет воздух холодный, в результате чего водяной пар конденсируется в облако. Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается к ядрам конденсации, таким как частицы пыли и соли, которые достаточно малы, чтобы удерживаться в воздухе при нормальной циркуляции воздуха. Капли воды в облаке имеют нормальный радиус около 0,002 мм (0,00008 дюйма). Капли могут сталкиваться с образованием более крупных капель, которые остаются в воздухе до тех пор, пока скорость поднимающегося воздуха внутри облака равна или превышает конечную скорость капель.
Для неконвективного облака Высота, на которой начинается конденсация, называется приподнятым уровнем конденсации (LCL), что примерно определяет высоту нижней границы облака. Свободные 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 в воздухе при нормальной циркуляции воздуха. Если процесс конденсации происходит ниже уровня замерзания в тропосфере, ядра помогают преобразовать пар в очень маленькие капли воды. Облака, которые образуются чуть выше уровня замерзания, состоят в основном из капель переохлажденной жидкости, тогда как те, 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 имеет тенденцию подавляться.
Фронтальная и Циклоническая подъемная сила проявляется в наиболее чистом виде, когда стабильный воздух, который подвергался небольшому нагреву поверхности или не подвергался никакому нагреву, поднимается вверх на погодных фронтах и вокруг центров низкое давление. Теплые фронты, связанные с внетропическими циклонами, имеют тенденцию генерировать в основном усовидные и слоистые облака на обширной территории, если только приближающаяся теплая воздушная масса не является нестабильной; в этом случае обычно образуются скопления кучевых или кучево-дождевых облаков в основном слое осаждающих облаков. Холодные фронты обычно движутся быстрее и образуют более узкую полосу облаков, которые в основном слоисто-кучевые, кучево-кучевые или кучево-дождевые, в зависимости от стабильности теплой воздушной массы перед фронтом.
Другой фактор - это подъемное конвективное движение вверх, вызванное значительным дневным солнечным нагревом на уровне поверхности или относительно высокой абсолютной влажностью. Поступающее коротковолновое излучение, генерируемое Солнцем, переизлучается как длинноволновое излучение, 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 холода на высоте. Это заставляет его подниматься и охлаждаться, пока не будет достигнуто температурное равновесие с окружающим воздухом в воздухе. Умеренная нестабильность позволяет формировать кучевые облака умеренного размера, которые могут давать легкие ливни, если воздушная масса достаточно влажная. Типичные восходящие потоки конвекции могут позволить каплям вырасти до радиуса примерно 0,015 миллиметра (0,0006 дюйма) перед тем, как выпадет в осадок в виде ливней. 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 довольно взрывным, что приведет к образованию высоких кучево-дождевых облаков, которые могут вызвать суровую погоду. Как крошечные частицы воды, которые составляют облако, группируются вместе, образуя капли дождя, они притягиваются к земле под действием силы гравитации. Обычно капли испаряются ниже уровня конденсации, но сильные восходящие потоки сдерживают падающие капли и могут удерживать их в воздухе намного дольше, чем в противном случае. Сильные восходящие потоки могут достигать скорости до 180 миль в час (290 км / ч). Чем дольше капли дождя остаются в воздухе, тем больше времени им нужно, чтобы превратиться в более крупные капли, которые в конечном итоге выпадают в виде сильного ливня.
Капли дождя, которые уносятся намного выше уровня замерзания, сначала переохлаждены, а затем замерзают и превращаются в небольшой град. Замерзшее ледяное ядро может увеличиваться в размере 0,5 дюйма (1,3 см), проходя через один из этих восходящих потоков, и может проходить через несколько восходящих и нисходящих потоков, прежде чем, наконец, стать настолько тяжелым, что оно упадет на землю в виде большого града. При разрезании грады пополам видны луковичные слои льда, указывающие на определенные моменты времени, когда он проходил через слой переохлажденной воды. Обнаружен град диаметром до 7 дюймов (18 см).
Конвективный подъем может возникать в нестабильных воздушных массах вдали от любых фронтов. Однако очень теплый нестабильный воздух может также присутствовать вокруг фронтов и центров низкого давления, часто создавая кучево-дымчатые и кучево-дымчатые облака в более тяжелых и более активных концентрациях из-за сочетания фронтальных и конвективных подъемных агентов. Как и в случае нефронтовой конвективной подъемной силы, возрастающая нестабильность способствует росту восходящих вертикальных облаков и повышает вероятность суровой погоды. В сравнительно редких случаях конвективная подъемная сила может быть достаточно мощной, чтобы проникнуть через тропопаузу и вытолкнуть верхнюю часть облака в стратосферу.
Третий источник подъемной силы - это ветровая циркуляция, нагнетающая воздух над физический барьер, такой как гора (орографический подъемник ). Если воздух в целом стабильный, не будет образовываться ничего, кроме линзообразных облаков. Однако, если воздух становится достаточно влажным и нестабильным, могут появиться орографические ливни или грозы.
Ветреный вечер сумерки, усиленные углом Солнца, могут визуально имитировать торнадо в результате орографического подъема Наряду с адиабатическим охлаждением, для которого требуется подъемный агент, существуют еще три основных механизма понижения температуры воздуха до точки росы, все из которые возникают почти на уровне поверхности и не требуют подъема воздуха. Кондуктивное, радиационное и испарительное охлаждение может вызвать конденсацию на уровне поверхности, что приведет к образованию тумана. Кондуктивное охлаждение происходит, когда воздух из относительно мягкой области источника 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. Этот тип охлаждения обычно используется ночью, когда небо чистое. Охлаждение за счет испарения происходит, когда влага добавляется к воздуху посредством испарения, что приводит к понижению температуры воздуха до температуры по влажному термометру, а иногда и до точки насыщения.
Есть пять основных способов добавления водяного пара в воздух. Повышенное содержание пара может быть результатом схождения ветра над водой или влажной почвой в области восходящего движения. Осадки или падающая сверху вирга также увеличивает влажность. Дневное отопление вызывает испарение воды с поверхности океанов, водоемов или влажной земли. Транспирация с растений - еще один типичный источник водяного пара. Наконец, прохладный или сухой воздух, проходящий над более теплой водой, станет более влажным. Как и при дневном отоплении, добавление влаги в воздух увеличивает его теплосодержание и нестабильность и помогает запустить те процессы, которые приводят к образованию облаков или тумана.
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 составляет 100%. В этом равновесии количество молекул, испаряющихся из воды, равно количеству молекул, конденсирующихся обратно в воду. Если относительная влажность становится больше 100%, это называется перенасыщением. Перенасыщение происходит в отсутствие ядер конденсации.
Поскольку давление насыщенного пара пропорционально температуре, холодный воздух имеет более низкую точку насыщения, чем теплый воздух. Разница между этими значениями - основа образования облаков. Когда насыщенный воздух охлаждается, он больше не может содержать такое же количество водяного пара. Если условия подходящие, 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.
Пересыщение более чем на 1-2% относительно воды редко наблюдается в атмосфере, поскольку конденсация облаков ядра обычно присутствуют. В чистом воздухе возможны гораздо более высокие степени пересыщения, и они лежат в основе камеры Вильсона.
. Нет приборов для измерения пересыщения в облаках.
Капли воды обычно остаются жидкой водой и не замерзают даже при температуре 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 ледяных ядер капли переохлажденной воды (а также любая чрезвычайно чистая жидкая вода) могут существовать при температуре примерно до -38 ° C (-36 ° F), при которой происходит самопроизвольное замерзание.
Одна из теорий, объясняющих, как поведение отдельных капель в облаке приводит к образованию осадков, - это процесс столкновения-слияния. Капли, взвешенные в воздухе, будут взаимодействовать друг с другом, либо сталкиваясь и отскакивая друг от друга, либо объединяясь с образованием более крупной капли. В конце концов, капли становятся достаточно большими и падают на землю в виде осадков. Процесс столкновения-коалесценции не составляет значительной части образования облаков, поскольку капли воды имеют относительно высокое поверхностное натяжение. Кроме того, возникновение столкновения-слияния тесно связано с процессами уноса-перемешивания.
Первичный механизм образования ледяных облаков был обнаружен Тор Бержерон. В процессе Бержерона отмечается, что давление насыщенного пара воды, или сколько водяного пара может содержать данный объем, 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 100% относительной влажности при взаимодействии с каплей воды, но такое же количество водяного пара может быть перенасыщенным при взаимодействии с частицей льда. Водяной пар будет пытаться вернуться к равновесию, поэтому дополнительный водяной пар будет конденсироваться в лед на поверхности частицы. Эти частицы льда превращаются в ядра более крупных кристаллов льда. Этот процесс происходит только при температуре от 0 ° C (32 ° F) до -40 ° C (-40 ° F). Ниже -40 ° C (-40 ° F) жидкая вода самопроизвольно зарождается и замерзает. Поверхностное натяжение воды позволяет капле оставаться в жидком состоянии при температуре значительно ниже ее нормальной точки замерзания. Когда это происходит, теперь это переохлажденная жидкость вода. Процесс Бержерона основан на взаимодействии переохлажденной жидкой воды (SLW) с ядрами льда с образованием более крупных частиц. Если ледяных ядер немного по сравнению с количеством SLW, капли не смогут образоваться. Процесс, при котором ученые засевают облако ядрами искусственного льда, чтобы стимулировать выпадение осадков, известен как засева облаков. Это может способствовать выпадению осадков в облаках, которые в противном случае могут не попасть в дождь. Засев облаков добавляет избыточные зародыши искусственного льда, что смещает баланс так, что имеется много ядер по сравнению с количеством переохлажденной жидкой воды. Засеянное облако образует множество частиц, но каждая из них будет очень маленькой. Это можно сделать в качестве превентивной меры для районов, подверженных риску hail бурь.
Облака в тропосфере, Ближайшие к Земле слои атмосферы классифицируются в зависимости от высоты, на которой они находятся, а также их формы или внешнего вида. Есть пять форм, основанных на физической структуре и процессе формирования. Круговидные облака высокие, тонкие и тонкие, и наиболее часто они видны по передним краям организованных погодных возмущений. Многослойные облака неконвективны и выглядят как обширные пластинчатые слои, от тонких до очень толстых со значительным вертикальным развитием. В основном они являются результатом крупномасштабного подъема стабильного воздуха. Неустойчивые свободно-конвективные кучевые облака образуют в основном локализованные кучи. Слоисто-кучевые облака с ограниченной конвекцией демонстрируют сочетание кучевых и слоистых характеристик, которые проявляются в виде рулонов или ряби. Высококонвективные кучево-дождевые облака имеют сложную структуру, часто включая усиковидные вершины и слоисто-кучевые дополнительные облака.
Эти формы перекрестно классифицируются по диапазону высот или уровню на десять родовых типов, которые можно подразделить на виды и меньшие типы. Высокие облака образуются на высоте от 5 до 12 километров. Все усовидные облака классифицируются как высокоуровневые и поэтому составляют единый род облаков cirrus. К названиям слоистых и слоисто-кучевых облаков на верхнем уровне тропосферы добавляется приставка cirro-, в результате чего возникают роды cirrostratus и cirrocumulus. Подобные облака, обнаруженные на среднем уровне (диапазон высот от 2 до 7 километров), имеют префикс alto-, в результате чего названия родов altostratus и altocumulus.
Облака низкого уровня не имеют префиксов, связанных с высотой, поэтому слоистые и слоисто-кучевые облака, расположенные на расстоянии около 2 километров или ниже, известны просто как слоистые и слоисто-кучевые. Небольшие кучевые облака с небольшим вертикальным развитием (виды humilis) также обычно классифицируются как низкоуровневые.
Кучевые и кучево-дымчатые кучи и глубокие слоистые слои часто занимают как минимум два тропосферных уровня, а самый большой или самый глубокий из них может занимать все три уровня. Они могут быть классифицированы как низкие или средние, но также обычно классифицируются или характеризуются как вертикальные или многоуровневые. Nimbostratus облака представляют собой слоистые слои с достаточной вертикальной протяженностью, чтобы производить значительные осадки. Возвышающиеся кучевые облака (виды congestus) и кучево-дождевые облака могут образовываться где угодно от поверхности до средней высоты около 3 километров. Из вертикально развитых облаков кучево-дождевые облака являются самыми высокими и могут практически охватывать всю тропосферу от нескольких сотен метров над землей до тропопаузы. Это облако ответственное за грозы.
Некоторые облака могут формироваться на очень высоких или экстремальных уровнях над тропосферой, в основном над полярными регионами Земли. Полярные стратосферные облака облака видны, но редко зимой на высотах от 18 до 30 километров, тогда как летом серебристые облака иногда образуются в высоких широтах на высоте от 76 до 85 километров.. Эти полярные облака имеют некоторые из тех же форм, которые видны ниже в тропосфере.
Гомосферные типы, определяемые перекрестной классификацией форм и уровней .
| Формы и уровни | Стратиформ. неконвективные | Круговые формы. в основном неконвективные | Слоисто-кучевые. ограниченно-конвективные | кучево-кучевые. свободноконвективные | кучево-дождевые. сильноконвективные |
|---|---|---|---|---|---|
| Экстремальный уровень | PMC : Серебристые вуали | Серебристые волны или вихри | Серебристые полосы | ||
| Очень высокий уровень | Азотная кислота вода PSC | Cirriform перламутровый PSC | Lenticular перламутровый PSC | ||
| Высокий уровень | Cirrostratus | Перистые | перисто-кучевые | ||
| средние | высокослоистые | высококучевые | |||
| низкоуровневые | слоистые | слоисто-кучевые | кучевые, кучевые или трещинные | ||
| многослойные -уровневый или умеренный вертикальный | Nimbostratus | Cumulus mediocris | |||
| Вертикально возвышающийся | Cumulus congestus | Cumulonimbus |
Гомосферные типы включают десять тропосферных родов и несколько дополнительные основные типы над тропосферой. Род кумулюсов включает четыре вида, которые имеют вертикальный размер и структуру.
Спутники используются для сбора данных о свойствах облаков и другой информации, такой как количество облаков, высота, ИК-излучательная способность, видимая оптическая глубина, обледенение, эффективный размер частиц как для жидкости, так и для лед, температура и давление верхней границы облаков.
Наборы данных, касающихся свойств облаков, собираются с помощью спутников, таких как MODIS, POLDER, CALIPSO или АТСР. Инструменты измеряют яркость облаков, из которой можно получить соответствующие параметры. Обычно это делается с помощью обратной теории.
. Метод обнаружения основан на том факте, что облака имеют тенденцию казаться ярче и холоднее, чем поверхность суши. Из-за этого возникают трудности с обнаружением облаков над яркими (сильно отражающими ) поверхностями, такими как океаны и лед.
Значение определенного параметра больше чем больше спутников измеряют указанный параметр. Это связано с тем, что диапазон ошибок и игнорируемых деталей варьируется от прибора к прибору. Таким образом, если анализируемый параметр имеет одинаковые значения для разных инструментов, считается, что истинное значение находится в диапазоне, заданном соответствующими наборами данных.
Эксперимент глобального цикла энергии и воды использует следующие величины для сравнения качества данных с разных спутников, чтобы установить надежную количественную оценку свойств облаков:
Другой важный Свойство - обледенение, характерное для различных типов облаков на разных высотах, что может иметь большое влияние на безопасность полета. Методологии, используемые для определения этих характеристик, включают использование данных CloudSat для анализа и извлечения условий обледенения, определение местоположения облаков с использованием геометрических данных и данных отражательной способности, идентификацию типов облаков с использованием данных классификации облаков и определение вертикального распределения температуры вдоль трассы CloudSat. (GFS).
Диапазон температур, при которых могут возникать условия обледенения, определяется в зависимости от типа облаков и уровней высоты:
Силы действуют по всей гомосфере ( который включает тропосферу, стратосферу и мезосферу), которые могут повлиять на структурную целостность облака. Было высказано предположение, что до тех пор, пока воздух остается насыщенным, естественная сила сцепления, удерживающая молекулы вещества вместе, может удерживать облако от разрушения. Однако это предположение имеет логический недостаток в том, что капли воды в облаке не контактируют друг с другом и, следовательно, не удовлетворяют условию, требуемому для действия межмолекулярных сил когезии. Растворение облака может происходить, когда процесс адиабатического охлаждения прекращается и подъем воздуха вверх заменяется опусканием. Это приводит по крайней мере к некоторой степени адиабатического нагревания воздуха, что может привести к тому, что облачные капли или кристаллы снова превратятся в невидимый водяной пар. Более сильные силы, такие как сдвиг ветра и нисходящие потоки, могут воздействовать на облако, но они в основном ограничены тропосферой, где происходит почти вся погода на Земле. Типичное кучевое облако весит около 500 метрических тонн или 1,1 миллиона фунтов, что составляет вес 100 слонов.
Существуют две основные схемы моделей, которые могут представлять физику облаков, наиболее распространенная из них - объемные модели микрофизики, которые используют средние значения для описания свойств облаков (например, содержания дождевой воды, содержания льда), свойства могут представлять только первый порядок (концентрация) или также второй порядок (масса). Второй вариант - использовать схему бункерной микрофизики, в которой моменты (масса или концентрация) сохраняются разными для разных размеров частиц. Модели объемной микрофизики намного быстрее, чем модели бункеров, но менее точны.
