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).
![Способы насыщения воздуха Насыщение воздуха](https://meteo59.ru/images/book/yavleniya/osadki-mechanism-nasyschenie.png)
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 при опускании или поднятии Зависимость температуры от объёма воздуха](https://meteo59.ru/images/book/yavleniya/osadki-mechanism-temp-vysota.png)
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 облачных элементов в зависимости от скорости восходящих движений Процесс коагуляции](https://meteo59.ru/images/book/yavleniya/osadki-mechanism-koagulyaciya.png)
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](https://meteo59.ru/images/book/yavleniya/osadki-mechanism-AD-presphase.png)
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.