Описание отдельных видов облаков

Классификация облаков.

Облака

В результате конденсации внутри атмосферы возникают скопления продуктов конденсации, их называют облаками. Размеры облачных элементов — капелек и кристаллов настолько малы, что их удельный вес уравновешивается силой трения. Турбулентное движение воздуха приводит к тому, что эти капельки и кристаллы длительное время находятся взвешенными в воздухе, смещаясь то вниз, то вверх с элементами турбулентности. При конденсации непосредственно у земной поверхности скопления продуктов конденсации называют туманами. Прин­ципиальной разницы в строении облаков и туманов нет. В горах возможны и такие случаи, когда облако возникает на самом горном склоне. Для наблюдателя, смотрящего снизу, из долины, явление представится облаком; для наблюдателя на самом склоне — туманом.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность воздуха, содержащего облака, снижается, то облака испаряются. При определённых условиях часть облачных элементов укрупняется и выпадает из облаков в виде осадков. Отдельные облака существуют очень короткое время, это значит, что недавно возникшие капельки, из которых состоит облако, снова быстро испаряются. Даже если облако наблюдается очень долго, это не означает, что оно состоит из одних и тех же капелек. В действительности облака находятся всё время в процессе постоянного образования и исчезновения. Длительно существует процесс облакообразования, облако же является только видимой в данный момент частью общей массы воды, вовлекаемой в этот процесс.

Взвешенность облаков также обманчива. Если облако не меняет своей высоты, то это не означает, что составляющие его элементы не выпадают. Жидкая или твёрдая частичка в облаке может опускаться, но, достигая нижней границы облака, она переходит в ненасыщенный воздух и здесь испаряется. В результате облако кажется длительно находящимся на одном уровне.

По своему строению облака делятся на три класса: водяные (капельные) облака, состоящие только из капелек; смешанные облака, состоящие из смеси переохлаждённых капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах; ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах. В тёплое время года водяные облака образуются главным образом в нижних слоях атмосферы, смешанные — в средних, ледяные — в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать вблизи земной поверхности. Чисто капельное строение облака могут сохранять до температуры -10°С.

Размеры облачных капель варьируют в широких пределах — от долей микрона до сотен микронов. Кристаллы также разнообразны по форме и размерам. Замерзание капелек при низких температурах даёт полные кристаллы — ледяные шестиугольные пластинки или призмы диаметром 10-20мк. При дальнейшей сублимации они превращаются в шестилучевые звёзды или кристаллы более сложной структуры и размером до нескольких миллиметров в диаметре.

Количество капелек в единице объёма облачного воздуха составляет несколько сотен на кубический сантиметр в нижней части тропосферы, содержание кристаллов ещё меньше.

Водность облаков (содержание воды в жидком или твёрдом виде) очень невелико и составляет от 0,2 до 5 г на кубический метр облачного воздуха, то есть водность облаков меньше, чем абсолютная влажность воздуха.

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. В настоящее время по внешнему виду (согласно международной классификации) их объединяют в 10 основных родов. В этих основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей.

Ниже перечислены десять основных родов облаков и приведены международные (латынь) названия и их сокращения.

1. Перистые — Cirrus (Ci)

2. Перисто-кучевые — Cirrocumulus (Cc)

3. Перисто-слоистые — Cirrostratus (Cs)

4. Высоко-кучевые — Altocumulus (Ac)

5. Высоко-слоистые — Altostratus (As)

6. Слоисто-дождевые — Nimbostratus (Ns)

7. Слоисто-кучевые — Stratocumulus (Sc)

8. Слоистые — Stratus (St)

9. Кучевые — Cumulus (Cu)

10. Кучево-дождевые — Cumulonimbus (Cb)

Кроме международной классификации, основанной на внешнем виде облаков, облака разделяются также по высотам и по происхождению (по механизму образования). По высоте формирования облака подразделяются на три яруса между уровнем моря и тропопаузой. В зависимости от температурных условий и от высоты тропопаузы границы этих ярусов в разных широтах различны.

Верхний ярус облаков в полярных широтах простирается в среднем от 3 до 8 км, в умеренных широтах — от 5 до 13 км, в тропических — от 6 до 18 км. Средний ярус — в полярных широтах — от 2 до 4 км, в умеренных — от 2 до 7 км, в тропических — от 2 до 8 км. Нижний ярус — во всех широтах — от земной поверхности до 2 км.

Из перечисленных 10 родов облаков первые три — перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые — облака верхнего яруса, высоко-кучевые — среднего, слоисто-кучевые и слоистые — нижнего. Высоко-слоистые, располагаясь в среднем ярусе, могут проникать в верхний; слоисто-дождевые облака существуют в нижнем ярусе, но проникают в средний. Основания (нижние поверхности) кучевых и кучево-дождевых облаков находятся в нижнем ярусе, но их вершины часто проникают в средний и верхний ярусы.

1 - 3. Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака верхнего яруса — самые высокие облака тропосферы. Они встречаются при наиболее низких температурах и состоят из ледяных кристаллов. На вид все облака белые, полупрозрачные, мало затеняющие солнечный свет. Разница между этими тремя родами облаков в следующем: перистые облака выглядят как отдельные нити, гряды или полосы волокнистой структуры; перисто-кучевые представляют собой гряды или пласты, имеющие ясно выраженную структуру из мелких хлопьев, шариков, завитков, похожую на рябь на поверхности воды; перисто-слоистые облака — это тонкая прозрачная белесоватая вуаль, частично или полностью перекрывающая небо.

4. Высоко-кучевые облака в среднем ярусе представляют собой облачные пласты или гряды белого или серого цвета. Они тонки, но частично затеняют солнце. Состоят из мелких однородных переохлаждённых капель.

5. Высоко-слоистые облака. Их вертикальная мощность измеряется уже километрами, а на вид они представляют собой светлый, молочно-серый облачный покров, застилающий небосвод целиком или частично. В отдельных частях этого покрова сквозь него можно видеть диск солнца, но в виде размытых пятен. Это типичные смешанные облака, и они дают осадки. Но осадки незначительны и, как правило, в тёплое время года испаряются, не долетев до земной поверхности.

6. Слоисто-дождевые облака имеют общее происхождение с высоко-слоистыми, но значительно более мощные. Они начинаются в нижнем ярусе, проникают в средний, иногда поднимаются и до верхнего. Слой этих облаков серый, солнечный диск сквозь них не просвечивает. Из этих облаков выпадает обложной дождь или снег, достигающий поверхности Земли.

7. Слоисто-кучевые облака в нижнем ярусе представляют собой гряды или слои серых или беловатых облаков, почти всегда имеющих более тёмные части. Они, как правило, не дают осадков, лишь при очень низких температурах из них выпадает мелкий снег.

8. Слоистые облака находятся в нижнем ярусе. Это самые низкие облака, в равнинной местности их высота может быть всего несколько десятков метров над землёй. Это однородный на вид серый слой капельного строения, из которого может выпадать морось. При низких температурах из них выпадает мелкий снег. Солнечный диск, если он просвечивает сквозь облака, имеет чёткие очертания.

9. Кучевые облака — это отдельные облака в нижнем и среднем ярусах, как правило, плотные, с резко очерченными контурами, развивающимися в виде холмов, куполов, башен. На солнце кажутся ослепительно-белыми. Кучевые облака осадков, как правило, не дают, но в тропиках при большой водности облаков из них могут выпадать небольшие дожди.

10. Кучево-дождевые облака являются дальнейшей стадией развития кучевых облаков. Они представляют собой мощные кучеобразные массы, очень сильно развитые по вертикали в виде гор или башен от нижнего до верхнего яруса. Закрывая солнце, они имеют мрачный вид и сильно уменьшают освещённость. Они дают осадки ливневого характера, интенсивные дожди с градом, зимой — густой снег. С ними часто связаны грозовые явления и радуга.

Генетические типы облаков. Различия в структуре и внешнем облике облаков объясняют различиями в условиях их возникновения, в их генезисе. Различают облака внутримассовые и фронтальные. Первые обязаны своим происхождением процессам внутри воздушных масс, вторые — процессам, связанным с фронтами, то есть с границей между отдельными воздушными массами.

Наиболее яркими примерами внутримассовых облаков являются облака конвекции. Они возникают в результате адиабатического охлаждения воздуха в восходящих токах в неустойчивых воздушных массах (рис.6.10).

Рис. 6.10. Схема возникновения облаков конвекции.

В среднем скорость восходящих токов воздуха при облакообразовании 3-6 м/сек, но в отдельных случаях — выше 20 м/сек. Так формируются кучевые облака, которые при последующем развитии могут превратиться в кучево-дождевые. Превращение заключается в появлении ледяных кристаллов в верхней части облаков (оледенение вершин облаков) и появлении в них волокнистых структур. Именно этот процесс приводит к выпадению осадков из кучево-дождевых облаков, тогда как кучевые облака осадков не дают.

Для развития облаков конвекции необходимо, чтобы воздушная масса до значительных высот обладала неустойчивой стратификацией, т.е. вертикальные градиенты температуры в ней до уровня конденсации должны быть больше сухоадиабатического градиента или близки к нему, а выше уровня конденсации – больше влажноадиабатического градиента.

Высоту конденсации в этом случае можно подсчитать, зная температуру и влажность воздуха у земной поверхности:

Z =122 (t₀-t₀), (48)

Где Z – высота конденсации в метрах, t₀ - температура воздуха у земли (⁰С), t₀ – точка росы для этого воздуха, размерность коэффициента – 122 м/град. Температуры на уровне оледенения составляют -8 -12⁰С.

При наличии на какой-либо высоте слоя инверсии температуры или хотя бы слоя с малыми вертикальными градиентами конвекция замедляется или прекращается. Эти слои называются задерживающими. Такие явления часто наблюдаются в тропиках и объясняют отсутствие осадков в сухие сезоны.

Облака конвекции образуются:

- в холодных воздушных массах, движущихся над теплой поверхностью. В этом случае они возникают и над сушей, и над морем;

- летом над сушей в местных воздушных массах над сильно прогревающейся днем поверхностью почвы. В этом случае облакообразование имеет отчетливо выраженный суточный ход: наибольшее развитие днем, в послеполуденные часы, и исчезновение под утро;

- зимой над морем - довольно часто, над сушей – редко или отсутствуют вовсе.

Волнообразные (волнистые) облака. В устойчивых воздушных массах (в основном тёплых) главным процессом развития облаков является турбулентный перенос водяного пара вместе с воздухом от земной поверхности вверх и соответствующее его адиабатическое охлаждение. Подъём осуществляется до слоя инверсии, под ним происходит накопление водяного пара, его радиационное выхолаживание и формирование облаков (рис.6.11).

Рис. 6.11. Схема возникновения волнистых облаков

Так образуются слоистые и слоисто-кучевые облака нижнего яруса. И те, и другие облака растянуты в горизонтальном направлении и имеют волнистую структуру. Эта структура связана с волновым процессом в слое инверсии. В слое инверсии и по обе стороны от него возникают воздушные волны длиной 50-2000 м. В гребнях этих волн воздух поднимается вверх, между гребнями опускается вниз. В результате облачный слой разделяется на отдельные валы, характерные для слоисто-кучевых облаков. При больших длинах волн возникают слоистые облака, волнистая структура которых заметна только с самолёта. При существовании слоев инверсии в средней тропосфере этот же процесс приводит к образованию высококучевых облаков. Волнообразные облака образуются чаще всего ночью и в холодный сезон.

Фронтальными облаками являются облака упорядоченного восходящего скольжения (рис.6.12). Эти облака представляют собой огромные облачные системы, вытянутые в длину вдоль линии раздела воздушных масс (вдоль фронта) на тысячи километров и в ширину захватывающие сотни километров. Наиболее отчетливо эта облачная система бывает выражена на теплом фронте. При надвигании тёплого воздуха на холодный формируется очень пологая поверхность теплого фронта. Медленное вползание тёплого воздуха по холодному клину приводит к адиабатическому охлаждению мощных слоёв теплого воздуха и к конденсации в нем водяного пара. В результате возникает облачная система, расположенная в тёплом воздухе над холодным клином. Самая мощная часть облачной системы расположена вблизи линии фронта и образована слоисто-дождевыми облаками мощностью в несколько километров между уровнями 1-2 и 6-8 км. Дальше от линии фронта облака теплого фронта представлены менее мощными высокослоистыми, ещё дальше перисто-слоистыми, перед которыми на расстоянии многих сотен километров от линии фронта наблюдаются гряды перистых облаков. Осадки из высокослоистых облаков не достигают земной поверхности, по крайней мере, летом. Но из слоисто-дождевых облаков выпадают обложные осадки полосой, ширина которой 200-300 км. Вместе с перемещением фронта перемещаются и связанные с ним облака и осадки. Признаками приближающегося тёплого фронта с последующей мощной облачностью и осадками являются вытянутые полосы перистых облаков на западном или южном горизонте.

Рис. 6.12. Схема возникновения облаков восходящего скольжения.

В случае холодного фронта (перемещения холодной массы на место тёплой) получается, по существу, такая же облачная система. Отличие состоит в том, что она более узкая и в передней, наиболее мощной части, имеет характер кучево-дождевых облаков с ливневыми осадками.

Следует отметить, что на фронтах возможно образование и некоторых других типов облаков. Например, на холодном фронте возможно образование перисто-кучевых облаков, летом кучево-дождевые облака могут образовываться и на теплом фронте.

Облачность упорядоченного восходящего движения более характерна для внетропических широт, а в тропиках преобладают облака конвекции.

6.3.6. Облачность, её суточный и годовой ход

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Облачность выражается в десятых долях покрытия неба (0-10 баллов). При облаках, полностью закрывающих небо, облачность обозначается числом 10, при совершенно ясном небе — 0. На метеостанциях облачность обычно определяют на глаз. Но существуют для этого и приборы в виде фотокамер с выпуклым полусферическим зеркалом. Принято отдельно оценивать общую облачность и количество нижних облаков, так как высокие и отчасти средние облака мало затеняют солнечный свет.

Облачность имеет большое значение для оборота тепла на Земле. Она отражает прямую солнечную радиацию и уменьшает её приток на земную поверхность, увеличивает рассеяние радиации, уменьшает эффективное излучение, меняет условия освещённости.

Суточный ход облачности на Земле сложен и в большой степени зависит от рода облаков. Внутримассовые слоистые и слоисто-кучевые облака, связанные с выхолаживанием воздуха от земной поверхности и со сравнительно слабым турбулентным переносом водяного пара вверх, имеют максимум ночью и утром.

Облака конвекции имеют отчетливо выраженный суточный ход. Они возникают в дневное время (максимальное прогревание суши) и исчезают к ночи. Поэтому над сушей в умеренных широтах летом наблюдаются два максимума облаков — утром и после полудня. В холодное же время года преобладает утренний максимум. В тропиках весь год преобладает послеполуденный максимум, так как важнейшим облакообразующим процессов является конвекция. Над морем облака конвекции и облака восходящего скольжения не имеют ясного суточного хода.

Годовой ход облачности различен в разных климатических зонах. В высоких и умеренных широтах над сушей максимум приходится на зиму, когда наиболее развита циклоническая деятельность, а минимум – на весну и лето, когда преобладают облака конвекции. Над морем в этих широтах различий в годовом ходе облачности между сезонами не наблюдается. Внутри континентов, где в зимнее время господствуют антициклоны, минимальная облачность наблюдается зимой, а максимальная летом.

В субтропиках, где летом господствуют антициклоны, на это время приходится минимум облачности, на зиму – максимум. В тропиках, в пассатной зоне – максимум облачности приходится на лето, минимум на зиму.

В географическом распределении облачности на Земле можно отметить следующие особенности. Над морем облачность больше, чем над сушей. В среднем для всего северного полушария она над морем — 5.6, над сушей — 4.8, для южного полушария — над морем 6.0, над сушей — 4.9. Для всего Земного шара в целом облачность составляет 5.4, то есть поверхность Земного шара в целом закрыта облаками более чем наполовину. От самых высоких к субполярным широтам облачность растёт и достигает максимума в зоне 70-60° широты. Это связано с максимальным развитием циклонической деятельности в субполярных широтах. Затем к субтропикам облачность убывает и достигает минимума в зоне 30-20°. Этот минимум связан с субтропическими антициклонами. Далее к экватору облачность снова увеличивается: это зона пассатов с их кучевыми облаками и затем зона внутритропической конвергенции вблизи экватора, где развивается сильная конвекция.

Дата добавления: 2015-04-30