Хмари являють собою результат конденсації водяної пари. Вони грають важливу роль в процесах перерозподілу вологи на Землі.
Склад хмар
Залежно від складу діляться на 3 групи:
- Водяні - повністю складаються з крапель води (вище -10 ℃). При мінусових температурах краплі переохолоджуватися.
- Крижані або кристалічні - повністю складаються з крижаних кристалів (нижче -15 ℃).
- Змішані - суміш крижаних кристалів і крапель води (від -10 до -15 ℃).
Краплі води і кристали називаються хмарними елементами. Розміри крапель зазнають суттєвих змін. Їх визначають за допомогою методу мікрофотографування (створення фото з високим збільшенням).
Коли хмара тільки починає утворюватися, діаметр крапель в ньому варіюється в межах 5-50 мкм (1 мкм = 0,001 мм). На етапі розвитку хмари краплі стають більшими - від 50 до 200 мкм в діаметрі. Вони починають потроху падати, при цьому в метеорології говорять про дрібне дощі - мряці. Надалі краплі можуть перетворюватися в дощові - діаметром від 500 до 5000 мкм.
Цікавий факт: Хмари здаються легкими і «повітряними», однак насправді вага великого хмари - близько 1 тонни.
Кристали мають різну форму і розмір в залежності від вологості і температури повітря. Більшість називаються повними і за формою нагадують шестигранну призму. Якщо висота такого кристала в порівнянні з підставою невелика - це пластина. Кристали протилежної форми - це крижані стовпчики. Також зустрічаються елементи складної форми, голкоподібні.
Таким чином, краплі води відрізняються малим розміром, але їх щільність в складі хмари дорівнює кільком сотням в 1 см³. Кристали, навпаки, більші, але відрізняються меншою щільністю - до 100 в 10 см³.
Ще однією важливою характеристикою є водність - це кількість води, що міститься в 1 м ³ хмари. Середні показники водності:
- хмари з дрібними краплями - до 1 г / м³;
- купчасті - 2 г / м³;
- купчасто-дощові - 4-5 г / м³;
- кристалічні - до 0,02 г / м³;
- змішані - 0,2-0,3 г / м³.
Як утворюються хмари?
Освіта хмари - складний процес, всі етапи якого тісно пов'язані між собою. Хмари можуть формуватися на будь-якій широті.
Освіта хмари
Хмара виникає внаслідок переходу водяної пари в рідкий або твердий стан - конденсації. Вона відбувається з двох причин: зниження температури і збільшення абсолютної вологості повітря. Найчастіше присутні обидва чинники одночасно.
Зниження температури пояснюється підйомом повітряних мас, а також їх переміщенням по горизонталі (адвекцией). Таким чином, тепле повітря виявляється над холодною поверхнею землі. Повітряні маси піднімаються вгору з кількох причин:
- конвекція;
- рельєф місцевості;
- циклони;
- освіту атмосферних фронтів.
Коли земна поверхня інтенсивно нагрівається за рахунок сонячних променів, тепло передається повітрю. Виникає конвекція - нагріте повітря швидко піднімається вгору, а на висоті починає охолоджуватися. У ньому міститься водяна пара. Існує поняття точки роси - це температура, при якій водяна пара досягає точки насичення і починає конденсуватися.
Висота, на якій запускається процес перетворення пари в краплі роси, є нижньою межею утворюється хмари або рівнем конденсації. При цьому з поверхні землі продовжує надходити нагріте повітря. Він перетинає нижню межу, і конденсація здійснюється на більш високому рівні. Так хмара стає більше у висоту. Його верхня межа зазвичай виражена нечітко, вона називається рівнем вільної конвекції.
Цікавий факт: Іноді на шляху повітряних потоків з'являються височини. Під час їх подолання маси повітря піднімаються вгору.Такі хмари мають орографічне походження. Їх розміри в висоту визначаються висотою перешкоди.
Циклон являє собою повітряну масу у вигляді атмосферного вихору. Повітряні маси закручуються у напрямку до центру вертикальної осі циклону. Через це відбуваються перепади тиску - потоки повітря інтенсивно піднімаються вгору. Вони можуть досягати верхніх меж тропосфери і утворюють велику кількість шаруватих, дощових, купчастих хмар і їх різновидів. Такі хмари завжди приносять з собою опади.
Вплив атмосферних фронтів на хмари
Атмосферний фронт утворюється в результаті зближення мас теплого і холодного повітря. При цьому хмари можуть з'являтися як над теплим, так і над холодним фронтом. Над теплим облакообразованіе відбувається інтенсивніше.
Під час зіткнення повітряних мас теплі потоки рухаються вгору - по пологій лінії відступу холодних потоків або по фронтальній поверхні. Оскільки повітря рухається практично по горизонталі (з невеликим відхиленням вгору), утворюється хмарність висхідного ковзання. Такі хмари відрізняються невеликою висотою і суттєвою протяжністю в горизонтальному напрямку - аж до сотень кілометрів.
Над холодним атмосферним фронтом утворюються купчасті хмари. Коли теплі повітряні маси ковзають вгору, холодні рухаються прямо під ними.
Як хмари парять по небу?
Хмари відрізняються меншою вагою в порівнянні з повітрям. Вони розташовуються на різній висоті. Пересуваються по небу хмари за рахунок руху повітряних мас, потоків вітру.
Цікавий факт: Рух хмар в протилежні сторони - дивовижне, але цілком зрозуміле явище. Так відбувається через те, що хмари бувають не суцільний і пересуваються разом з повітряними потоками. При цьому з висотою змінюються напрямок і швидкість вітру.
Де зустрічаються хмари?
Кожній групі хмар властива певна зона розташування, яка залежить від пори року. Так, навесні і влітку (в помірних широтах) водяні хмари займають нижню частину тропосфери (нижній шар атмосфери, верхня межа якого розташована на висоті 6-20 км). Змішані хмари займають середній шар тропосфери, а кристалічні - верхній. При настанні осені-зими крижані хмари можуть зустрічатися в нижній частині тропосфери.
Також існує класифікація хмар, згідно з якою їх поділяють на сімейства і пологи. Кожне сімейство займає свій ярус:
- Хмари вертикального розвитку (конвекції).
- Нижній ярус - до 2 км.
- Середній ярус - від 2 до 6 км.
- Верхній ярус - від 6 до 13 км.
Види хмар
Виділяють 10 основних родів або видів хмар, які відрізняються зовнішнім виглядом, формою та іншими параметрами.
Купчасті хмари
Відрізняються щільністю, яскраво-білим відтінком. Розвинені в вертикальному напрямку. У верхній частині мають круглі обриси. Формуються, як правило, в нейтральних або холодних повітряних масах. Товщина - 1-2 або 3-5 км.
Шаруваті хмари
За структурою нагадують туман за рахунок однорідності, але займають висоту 100-400 м. Найчастіше затягують небо повністю, іноді спостерігаються розриви. Середня товщина - десятки, сотні метрів.
Шарувато-купчасті хмари
Відрізняються сірим відтінком і складаються, в основному, з води. Можуть бути представлені у вигляді суцільної маси або хвиль, розділених променями сонця. Товщина - 200-800 м.
Високо хмари
Зовні нагадують пелену сірого кольору, іноді з синюватим відтінком. Можуть мати однорідну або маловираженими структуру. У складі переважають кристали, охолоджені краплі.
Високо-купчасті хмари
Характерні для теплої пори року. Можуть мати білий, сірий, синій відтінок. Приймають форму пластин, розірваних пластівців, між якими просвічують промені сонця. У висоту простягаються на кілька сотень метрів. Іноді перетворюються в потужні купчасті.
Перисті хмари
Численні перістообразние елементи (нитки, шматки, гряди), витягнутої форми.Відрізняються волокнистої структурою і можливою наявністю шовковистого блиску. Розташовуються на великій висоті і складаються з кристалів.
Переважають кристали великого розміру, які помітно падають вниз. Тому пір'ястим хмар властива значна вертикальна протяжність і нерівне напрямок ниток.
Високо-купчасті хмари
Мають кулясту витягнуту форму, зустрічаються на висоті від 6 км. Характерною особливістю є відсутність тіней. Також можливе фарбування країв у вигляді веселки. Сформовано з кристалів.
Високо-шаруваті хмари
Представлені у вигляді пелени білого кольору з однорідною структурою. Добре просвічуються сонячними і місячними променями. Можуть бути туманообразнимі або волокнистими.
Цікавий факт: За участю купчасто-дощових хмар хмар часто виникає явище під назвою гало або ореол. Це атмосферне явище оптичного характеру, яке являє собою світіння навколо джерела світла. Воно виникає завдяки тому, що промені світла, проходячи крізь хмару, переломлюються кристалами. Гало частіше набуває форми кола, півкола, стовпи світла і ін.
Шарувато-дощові хмари
Цілісний шар темно-сірого відтінку. У товщину досягають декількох кілометрів. У період випадання опадів здаються однорідними. У перервах стають неоднорідними.
Купчасто-дощові хмари
Відрізняються щільністю, вертикальним розвитком, рясними опадами з грозою, градом. Формуються з великих купчастих хмар. Можуть збиратися в протяжну лінію - лінію шквалів.
Як розрізнити в небі купчасті, високо і перисто-купчасті хмари?
Купчасті хмари відрізняється яскраво вираженою формою, великими розмірами. Його товщина зазвичай відповідає ширині або перевищує її. Високо-купчасті хмари - маленькі і розкидані по небу (найчастіше з'являються навесні і влітку). Високо-купчасті хмари - тонкі, нагадують хвилю або брижі за рахунок численних вигинів.
Рідкісні види хмар
Якщо купчасті, перисті і інші хмари - звичайне явище, то побачити на небі, описані надалі різновиди можна вважати успіхом.
Ранкова глория
Низькорозташованим атмосферні хвилі, які найчастіше спостерігаються в північній частині Австралії (затока Карпентарія). Фахівці до цих пір не можуть визначити точну причину утворення таких хмар. Вони простягаються на сотні кілометрів в довжину, розташовані на висоті 100-200 м.
Грозовий комір
Інша назва - валове хмара. Також це загальна назва для певного різновиду купчасто-дощових хмар, що нагадують за формою довгий вал. Найчастіше грозовий комір утворюється на кордоні атмосферних фронтів на висоті від 100 до 2000 м. Приносить із собою шквали, зливи, грози, перепади тиску біля поверхні землі. Ранкова Глорія вважається найбільш рідкісною різновидом грозових комірів.
Ефект Fallstreak
Коли в суцільному шарі Високо або високо-шаруватих хмар з'являється розрив, мова йде про ефект Fallstreak. Великі діри з'являються в результаті падаючих крижаних кристалів. Вони утворюються у верхніх ярусах або навіть в вихлопних газах пролітає літака.
При дотриманні декількох умов (температура повітря, вологість, переохолоджені краплі води) кристали в процесі падіння поглинають воду і збільшуються в розмірах. Вода в хмарі випаровується і утворюється розрив.
Лентікулярние хмари
Лентікулярние (лінзоподібні) хмари не переміщаються по небу в незалежності від сили вітру. Вони виникають між двома повітряними шарами або на гребені повітряних хвиль. Стійкість пов'язана з тим, що процеси конденсації і випаровування відбуваються безперервно в хвильових потоках. Часто розташовані поруч з гірськими хребтами на висоті 2-15 км.
Хмари Кельвін Хельмхольца
Нагадують морські хвилі і формуються, коли два повітряних шару рухаються з різною швидкістю. При цьому верхній шар переміщається швидше, нижній - повільніше.Найчастіше зустрічаються при сильному вітрі і мінливої щільності повітря.
Грибоподібна хмара
Хмара грибовидной форми утворюється не тільки в результаті ядерного або термоядерного вибухів. Воно може сформуватися згодом звичайного вибуху за умови відсутності різних перешкод (наприклад, вітру). Сюди ж відносяться вибухи, викликані падінням метеорита, виверженням вулкана.
Сріблясті хмари
У даного рідкісного явища є кілька назв. Серед них - нічні світні хмари. Справа в тому, що розглянути їх можна тільки за умови глибоких сутінків або в ході сонячного затемнення. Ці хмари розташовані досить високо - в середньому на висоті 82 км. Їх дослідження проводилося не тільки з Землі, але і за допомогою ракетних зондів.
Цікавий факт: Великий внесок у вивчення сріблястих хмар зробив російський астроном - Вітольд Цераскій. Доведено, що дане явище властиве не тільки Землі, але і інших планет, наприклад, Марсу. У 2007 році запущений супутник НАСА AIM, серед завдань якого - дослідження сріблястих хмар.
Хмари-медузи
Хмари отримали таку назву за рахунок подібності за формою з медузами. Вони утворюються в місцях зіткнення вологого (від течії Гольфстрім) і сухого (атмосферного) повітря. Нижня частина, що нагадує щупальця, формується через випадають, але миттєво випаровуються крапель.
Вим'яподібні хмари
Хмари з характерною сумчастої структурою. Кожна осередок має розмір близько 500 метрів. Вважаються дуже рідкісними (зустрічаються пару раз на 10 років) і утворюються в зв'язку з тропічними циклонами.
Перламутрові хмари
Формуються на висоті приблизно від 20 до 30 км. Дуже рідкісні, але їх неможливо сплутати з іншими видами хмар завдяки специфічному кольором. Формуються в зимово-весняний період і видимі тільки перед сходом або після заходу сонця.
Чому хмари білі?
Хмари відрізняються білим кольором через великий вміст в них хмарних елементів - крапель і кристалів. Вони відображають сонячні промені. Чим менше розмір даних елементів, тим біліше виглядає хмара.
Чим відрізняється хмара від хмари?
У термінології поняття «хмара» відсутня. Це таке ж хмара, але більшого розміру і темного кольору. На відміну від білого хмари хмара містить велику кількість вологи через високої щільності водяних крапель і приносить опади.
Чому хмари білі, а хмари сірі?
Хмари набувають сірі і навіть чорні кольори, якщо дивитися на них з землі, оскільки характеризуються високою щільністю. Вони відкидають тінь один на одного, а також слабо пропускають сонячне світло.
Цікавий факт: Якщо пролетіти прямо над сірою хмарою, вона буде виглядати білою - сонячні промені потрапляють зверху.
Що таке конденсаційний слід від літака?
Конденсаційний слід - це техногенний або штучне хмара. Воно виникає в результаті конденсації атмосферної вологи, змішаної з водяною парою відпрацьованих газів, які виділяються двигунами літака. Згодом слід зникає - його складові випаровуються.
Як визначити погоду по хмарах?
Хмари не дають повної інформації про найближчі погодних умовах, але деякі з них все ж можуть провіщати певні метеорологічні явища:
- Купчасті - як правило, хороша погода без опадів.
- Купчасто-дощові (більш щільні) - розташовані низько над землею, можуть провіщати дощ.
- Перисті - поступово опускаються нижче до поверхні землі, можуть вказувати на опади в найближчі 12 годин.
- Шаруваті - рідко приносять опади через невеликої товщини.
Щільні темні хмари віщують опади. При цьому чорний колір свідчить про відсутність сильного вітру, коричневий означає можливість сильного вітру, а сірий може вказувати на затяжний дощ.
Процеси осадкообразованія
Опади утворюються переважно в тропосфері, так як тут найбільше водяної пари.Поруч із земною поверхнею формується туман як результат скупчення продуктів конденсації.
Опади утворюються тільки в тих хмарах, які складаються з великих хмарних частинок (0,1-7 мм). Вони стають важкими, не можуть утримуватися в хмарі і випадають у вигляді опадів. Атмосферні опади бувають випадають з хмар або осідають на поверхню з повітря.
Випадають опади:
- обложні - монотонні, тривалі;
- моросящие - неінтенсивні, монотонні;
- зливові - характеризуються різкими коливаннями.
Опади, що утворюються на поверхні:
- роса;
- іній;
- ожеледь (утворюється на будь-яких поверхнях через намерзання часток опадів);
- ожеледиця (утворюється тільки на поверхні землі).
Некласифіковані опади:
- крижані голки;
- золяція (рідкісне явище у вигляді великих водяних бульбашок, що виникають під час грози).
Методи впливу на хмари
Сучасною наукою відкриті деякі способи впливу на хмари. Зокрема - розсіювання переохолоджених хмар, туману, вплив на хмари, що несуть за собою град. При цьому змінюється мікроструктура хмар, а також їх фазовий стан штучним шляхом.
Наприклад, щоб розсіяти переохолоджене хмара, в нього з літака вносять хладореагентов або йодистого частки льдообразующих речовин. Дані речовини сприяють формуванню великої кількості кристалів - щільність водяних крапель знижується і хмара розсіюється. Для впливу на туман використовують наземні установки аналогічного характеру.
Також можливе штучне викликання опадів, наприклад, при лісових пожежах. Для цього за допомогою повітряного судна в хмару вводять реагенти - йодисте срібло, або спеціальні піротехнічні склади.