Научно-популярный сайт о метеорологии

"Метеоролог и я" - просто о сложном


Осадки. Механизм образования.


Все мы знаем, что осадки выпадают из облаков. Но иногда бывают случаи, что небо полностью затянуто серыми тучами, а дождя всё нет и нет. Дело в том, что осадки выпадают лишь из некоторых форм облачности. Кроме того, необходимо, чтобы капли дождя достигли определенных размеров, после чего они уже не смогут удерживаться в облаке за счёт восходящих движений, и под действием силы тяжести начнут своё движение вниз. Но каким путём капли образуются в облаке и за счёт чего увеличиваются? В этом предстоит разобраться во второй части статьи про осадки.

Не зависимо от их вида, в образовании главную роль играют три процесса:

  • Испарение – процесс перехода льда или воды в газообразное состояние;
  • Конденсация – процесс перехода водяного пара из газообразного состояния в жидкое;
  • Сублимация – процесс перехода водяного пара из газообразного состояния в твердое (лёд), минуя жидкую фазу.

Это касается не только осадков, но и туманов и облачности.


Теперь выделим в атмосфере воображаемый объём воздуха. В нём содержится какое-то количество сухого воздуха и водяного пара. Суммарно этот объём создаёт давление Р, которое складывается из давления сухого воздуха р и давления водяного пара е.

Давление водяного пара е принято называть парциальным давлением. Оно характеризует степень влажности объёма. Чем больше е, тем выше влажность. Если наш объём воздуха постепенно заполнять водяным паром, не изменяя температуру, то в итоге он станет насыщенным, а давление е вырастет до своего максимального значения, имеющее обозначение Е. Это значение называется давлением насыщения. Е показывает, что при данной температуре объём воздуха больше не может вместить в себя водяной пар.

Итак, первый путь к насыщению – это повышение влажности в объёме воздуха. Есть второй – это понижение температуры воздуха. Логика здесь простая: чем холоднее воздух, тем меньшее количество влаги он может в себе содержать (чем меньше T, тем меньше E).


Насыщение воздуха
Способы насыщения воздуха


В первом случае мы фиксируем (оставляем неизменной) температуру воздуха - T , при этом меняется степень влажности - e. Во втором случае неизменной остаётся e, при этом меняется T.


Температура при которой е = Е называется точкой росы.

Понижение температуры в объёме воздуха происходит во время его подъёма. При движении вверх затрачивается энергия на увеличение поднимающегося объёма, а значит, понижается его температура. Когда она станет равной точке росы, воздух становится насыщенным водяным паром. При дальнейшем подъёме наступает перенасыщение, излишки водяного пара начинают превращаться в мельчайшие капельки воды. Этот уровень называется уровнем конденсации. Примерно на высоте этого уровня начинается нижняя граница облачности.


Зависимость температуры от объёма воздуха
Зависимость температуры от объёма воздуха при опускании или поднятии


Образование капель всегда происходит на так называемых ядрах конденсации. Они представляют собой мельчайшие твердые частицы, например, пыли или морской соли. Без них образование осадков и облачности затруднено по двум причинам:

  • во-первых, без таких ядер капля будет неустойчивой и быстро распадётся;
  • во-вторых, чтобы капля образовалась в абсолютно чистой атмосфере, требуется очень большое перенасыщение водяного пара, чего в реальной атмосфере невозможно достичь.

Пока облако состоит полностью из жидкости, капли имеют маленькие размеры. При появлении в облаке кристаллов льда, облачные элементы начинают быстро увеличиваться.


Давление насыщения - Е - над водой выше, чем надо льдом. Получается, что над каплями воздух насыщенный, а над льдинками перенасыщенный.


В этом случае кристаллы льда начинают расти за счёт сублимации. При этом в воздухе будет уменьшаться количество водяного пара и над каплями он станет ненасыщенным. Соответственно капли начнут испаряться, а водяной пар переходить на льдинки. Этот процесс называется перегонкой водяного пара с капель на кристаллы.


Сублимация – это процесс перехода водяного пара из газообразного состояния в твердое (лёд), минуя жидкую фазу.


При достижении каплями определённого размера, преобладающую роль в увеличении облачных элементов начинает играть коагуляция.


Коагуляция – это процесс увеличения частиц за счёт слияния их друг с другом.


Из-за того, что облачные элементы падают с различной скоростью, они сталкиваются и соединяются друг с другом. Особо важное значение в этом процессе имеют восходящие движения. Чем они интенсивнее, тем выше могут подняться капли и льдинки, и тем больший путь они преодолеют, следовательно, тем крупнее будут облачные элементы (т.к. толщина кучево-дождевых облаков больше, чем у других, то размеры капель и снежинок ливневого дождя и снега будут больше, чем у обложных осадков). Однако рост капель не может продолжаться бесконечно. Достигнув критического значения, они начинают распадаться.


Процесс коагуляции
Процесс коагуляции облачных элементов в зависимости от скорости восходящих движений


Т.к. в верхней части облака температура значительно ниже 0, то поднимающиеся капли замерзают и при опускании остаются в твёрдом состоянии. Если к тому моменту, когда льдинки опустятся к основанию облака, температура окружающей среды будет выше 0, то они тают и выпадают в виде дождя. Исключение составляет град, который выпадает в жаркую погоду. Если же температура ниже 0 до самой земли, то выпадает снег или крупа.

Особая ситуация складывается, когда на высоте основания облака температура выше 0, а у земли ниже 0, т.е. наблюдается инверсия. Такое возможно при прохождении тёплого фронта. В этом случае капли дождя, попадая в зону отрицательной температуры, начинают покрываться ледяной коркой. Таким образом, образуется ледяной дождь.


Фаза осадков при инверсии
Фаза осадков при инверсии


Описанный выше механизм образования характерен для всех осадков. Различаются лишь отдельные условия, при образовании того или иного вида.

В конце отметим виды облачности, из которой выпадают осадки.


Осадки Вид облачности
Снег и дождь Слоисто-дождевая
Кучево-дождевая
Снег Высоко-слоистая
Морось Слоистая

Таким образом, лишь 4 формы облачности могут давать осадки. Дождь из высокослоистых не выпадает. Если быть точнее, то всё же выпадает, но не достигает поверхности земли. В связи с этим даже есть отдельный вид облаков, называемый Altocumulus Virga.




Похожие темы:
Осадки

Next Back Arrow-down arrow-down circle-up question book hand windowto принять отмена