Почему образуются облака? Кучевые облака Холодный фронт. Структура облачности в холодном фронте

20.09.2019

Облака летают по небу, высоко над нашими головами. Они часто приковывают к себе взгляды взрослых и детей. Нет ничего удивительного в том, что у вас может возникнуть множество вопросов о том как появляются облака, из чего они состоят, как парят в небе, какие бывают и т.д. В этой статье вы получите ответы на все эти вопросы и сможете удовлетворить свое любопытство.

Из чего состоят облака?

Облака состоят из множества крошечных капелек воды или кристалликов льда, парящих в небе на разных высотах.

Как формируются облака?

Поскольку Солнце нагревает воду, она превращается в газ, называемый водяным паром. Этот процесс называется испарением. Когда водяной пар поднимается к небу, он охлаждается. Чем выше, тем прохладнее воздух. В конце концов, пар становится достаточно прохладным и конденсируется в капельки воды образовывая облака, которые мы наблюдаем на небе.

Как облака парят по небу?

Облака легче, чем окружающий воздух. Это означает, что они могут буквально плыть по небу. При этом потоки воздуха способны увеличивать их скорость.

Когда облака накапливают много влаги, и становятся тяжелыми, начинается дождь, град или снег.

Где встречаются облака?

Схема основных слоев атмосферы Земли

Все основные типы облаков парят в тропосфере; это самая низкая часть , наиболее близкая к Земле. Над тропосферой находится стратосфера, а выше - мезосфера, термосфера и экзосфера.

Почему облака разные?

Существует 10 основных видов облаков:

Кучевые облака

Они выглядят как пушистые шарики из ваты. Как правило, кучевые облака встречаются в спокойные ясные дни и указывают на хорошую погоду. Однако при определенных условиях они могут стать грозовыми.

Слоистые облака

Это плоские, серые, безликие слои, которые часто находятся близко к поверхности Земли, скрывая облака выше. Иногда они могут вызвать легкий дождь. Туман - это просто слоистое облако, которое опустилось до уровня поверхности земли. И когда вы идете в туманную погоду, вы фактически проходите через облака.

Слоисто-кучевые облака

Слоистые облака могут распадаться, образуя кучевые облака. Или несколько кучевых облаков способны соединяться вместе, образуя слои. Расстояние между ними характеризует этот тип, как слоисто-кучевые облака.

Высокослоистые облака

Высокослоистые облака находятся в середине тропосферы. Они обычно тоньше и легче, чем слоистые. Если внимательно посмотреть на небо, сквозь такое облако можно увидеть солнечные лучи.

Высококучевые облака

Подобно высокослоистым, высококучевые облака находятся в середине тропосферы. Однако есть разница, высококучевые облака значительно меньше кучевых и состоят как из кристаллов льда, так и капелек воды.

Перистые облака

Перистые облака - это облака самого высокого уровня, состоящие целиком из кристалликов льда. Это тонкие облака, которые выглядят как хвост лошади.

Перисто-кучевые облака

Это кучевые облака на высоте перистых. Перисто-кучевые облака состоят исключительно из кристалликов льда. Они похожи на маленькие рыбные чешуйки в небе.

Перисто-слоистые облака

Перисто-слоистые облака находятся высоко в небе. Они могут вызвать прекрасные оптические феномены, такие как Гало. Солнце по-прежнему сияет ярко сквозь эти слои, несмотря на то, что небо может быть полностью ими покрыто.

Слоисто-дождевые облака

Слоисто-дождевые облака производят длительный дождь или снег, который может быть легким, или умеренным. Эти высокие слоистые облака существуют на низких и средних уровнях тропосферы.

Кучево-дождевые облака

Также известные как «короли облаков», кучево-дождевые облака несут ответственность за очень сильный дождь и град. Осадки выпадают за короткий промежуток времени.

Это также единственные облака, которые могут генерировать молнию и гром. Кучево-дождевые облака очень высоки и часто распространяются на разных слоях неба.

Как различить в небе кучевые, высококучевые и перисто-кучевые облака?

Различить эти типы облаков можно с помощью руки. Протяните руку в сторону облака и сожмите пальцы в кулак. Если облако будет больше, чем кулак - это кучевое облако.

Если облако меньше, чем кулак, отведите в сторону большой палец. Когда облако больше пальца - это высококучевое, а если оно меньше - это, скорее всего, перисто-кучевое облако.

Почему облака белые?

Облака белые, потому что капли внутри них больше, чем частицы в вокруг. Это делает капельки облаков способными рассеивать и разбивать свет на различные цвета, которые затем объединяются в белый цвет.

Облака выглядят серыми, когда становятся достаточно плотными, чтобы не пропускать солнечные свет.

Что такое конденсационный след от самолета?

Конденсационный след образуется, когда самолеты проходят через прохладный воздух. Выброс теплого, влажного воздуха из выхлопной трубы самолета вызывает на своем пути облачную тропу.

Как определить погоду по облакам?

Сложно точно предсказать погоду с помощью облаков, однако по некоторым признакам это можно сделать! Если облака высокие, темные и покрывают все небо, дождь будет продолжительный. В случае, когда большая часть неба голубая, можно ожидать небольшой дождь.

Если кучевые облака становятся все выше и выше, вы можете наблюдать резкие ливни вечером или даже гром и молнию. Однако это зачастую происходит в жаркие и влажные дни.

Облака могут быть классифицированы следующим образом: слоистые, кучевые и перистые. Слоистые облака наблюдаются при медленном подъеме широкой полосы воздуха над поверхностью теплого фронта.

Кучевые облака образуются при освобождении теплого воздуха почвой или при обусловленном холодным воздухом неустойчивом состоянии верхних слоев атмосферы. Перистые облака, напротив, появляются в случае, когда скопившиеся в верхних слоях атмосферы кристаллы льда падают вниз и разносятся местными воздушными потоками. Эти три основных разновидности часто сочетаются, образуя длинный ряд дополнительных типов облаков.

Кучевые облака медленно растут по мере того, как воздушные потоки продолжают подниматься. Если их рост продолжается достаточно дол-" го, то они могут превращаться в кучево-дождевые облака.

Инверсионный слой расплющивает облако

Если слой температурной инверсии (в котором температура увеличивается вместе с высотой) формируется над развивающимся облаком, то облако может начать расти по горизонтали (внизу), становясь слоисто-кучевым. Если под влиянием стратосферы облако расширяется, оно превращается в плоское кучево-дождевое. Рост вверх или внутрь Облака различаются также в зависимости от высоты их положения над Землей: нижние, средние и верхние. Верхние облака (обнаруженные на высоте 5-8 км) включают в себя перистые, перисто-слоистые и перисто-кучевые облака. Средние облака, к которым относятся высоко-слоистые, высоко-кучевые и слоисто-дождевые облака, расположены на высоте от 2 до 7,3 км. И наконец, облака, которые образуются на высоте ниже 2 км, называются нижними облаками; к ним относятся слоистые и слоисто-кучевые. Вертикальные облака, образующиеся при нагревании воздуха солнцем в непосредственной близости от поверхности, бывают кучевыми и дождевыми.

Изгибающиеся облака

Кристаллы льда из плывущих на большой высоте перистых облаков (справа) могут падать вертикально, если скорость воздушных струй одинакова на всех высотах. Однако при наличии разницы скоростей, они могут изгибаться или надрезаться.

Высоко-кучевые облака (внизу), образующиеся между слоями теплого и холодного, соответственно, нижнего и верхнего, воздуха, иногда принимают округлую форму. Они удерживаются между нисходящими воздушными потоками верхнего слоя и восходящими потоками нижнего.

Высоко-кучевые облака

Слоистые облака и дождь

Когда дождевые капли падают на особенно теплые участки земной поверхности, часть из них начинает испаряться уже во время падения (внизу). Если испарение будет продолжаться, воздух может стать насыщенным и образовать слоистые облака.

Облака, образующиеся волнообразно

Когда горизонтальные воздушные массы (внизу) движутся быстро в верхней атмосфере и медленно - ближе к поверхности, их вращение создает облака волнообразной формы.

Гребни волн

Волнообразные облака (справа) могут также наблюдаться на вершинах потоков воздуха, которые перемещаются между сухим теплым слоем сверху и влажным холодным внизу.

Всем доводилось видеть облака. Они бывают большими и маленькими, почти прозрачными и совсем густыми, белыми или темными, предгрозовыми. Принимая различную форму, они напоминают животных и предметы. Но и почему они так выглядят? Об этом расскажем ниже.

Что такое облако

Тот, кто летал на самолете, наверняка "проходил" сквозь облако и заметил, что оно похоже на туман, только находится он не прямо над землей, а высоко в небе. Сравнение вполне логичное, ведь и то, и другое представляет собой обычный пар. А он, в свою очередь, состоит из микроскопических капелек воды. Откуда же они берутся?

Эта вода поднимается в воздух в результате испарения с поверхности земли и водоемов. Поэтому наибольшее скопление облаков наблюдается над морями. За год с их поверхности испаряется около 400 тысяч кубических километров, что в 4 раза превышает аналогичный показатель суши.

Какие бывают? Все зависит от состояния воды, которая их образует. Она может быть газообразной, жидкой или твердой. Может показаться удивительным, но некоторые облака действительно состоят из льдинок.

Мы уже выяснили, что облака образуются в результате скопления большого количества частичек воды. Но для завершения процесса необходимо связующее звено, к которому будут "липнуть" капли и собираться вместе. Зачастую эту роль выполняет пыль, дым или соль.

Классификация

От высоты расположения во многом зависит, из чего образуются облака и как они будут выглядеть. Как правило, белые массы, которые мы привыкли видеть на небе, появляются в тропосфере. Ее верхняя граница варьируется в зависимости от географического положения. Чем ближе территория к экватору, тем выше могут формироваться стандартные облака. Например, над местностью с тропическим климатом граница тропосферы располагается на высоте примерно 18 км, а за Полярным кругом - 10 км.

Образование облаков возможно и на больших высотах, но они в настоящее время мало изучены. Например, перламутровые появляются в стратосфере, а серебристые - в мезосфере.

Облака тропосферы условно делятся на типы в зависимости от того, на какой высоте они расположены - в верхнем, среднем или нижнем ярусе тропосферы. Движение воздуха также оказывает большое влияние на формирование облака. В спокойной среде образуются перистые и слоистые облака, но если тропосферы движутся неравномерно, повышается вероятность появления кучевых.

Верхний ярус

Этот промежуток охватывает участок неба на высоте более 6 км и до края тропосферы. Учитывая, что температура воздуха здесь не поднимается выше 0 градусов, несложно догадаться, из чего образуются облака в верхнем ярусе. Это может быть только лед.

По внешнему виду облака, расположенные здесь, подразделяются на 3 рода:

Перистые . Имеют волнистую структуру и могут выглядеть как отдельные нити, полосы или целые гряды.
Перисто-кучевые состоят из мелких шариков, завитков или хлопьев.
Перисто-слоистые представляют собой полупрозрачное подобие ткани, "накрывающей" небо. Облака такого типа могут растягиваться на все небо или занимать только небольшой участок.

Высота облака, находящегося в верхнем ярусе, может сильно варьироваться в зависимости от различных факторов. Это могут быть и несколько сотен метров, и десятки километров.

Средний и нижний ярус

Средний ярус - это часть тропосферы, расположенная обычно в промежутке между 2 и 6 км. Здесь встречаются высококучевые облака, представляющие собой объемные серые или белые массы. Состоят они из воды в теплое время года и, соответственно, изо льда в холодное. Второй тип облаков - высокослоистые. Они имеют и зачастую полностью накрывают небо. Такие облака несут осадки в виде моросящего дождя или мелкого снега, но они редко долетают до поверхности земли.

Нижний ярус представляет собой непосредственно находящееся над нами небо. Облака здесь могут быть 4 типов:

Слоисто-кучевые в виде глыб или валов серого цвета. Могут нести осадки, кроме тех случаев, когда температура слишком низкая.
Слоистые . Располагаются ниже всех остальных, имеют серый цвет.
Слоисто-дождевые. Как можно понять по названию, несут осадки, причем, как правил, они имеют обложной характер. Это серые облака, не имеющие определенной формы.
Кучевые . Одни из самых узнаваемых облаков. Выглядят, как мощные кучи и клубы с практически плоским основанием. Осадков такие облака не приносят.

Существует еще один вид, не входящий в общий список. Это кучево-дождевые облака. Они развиваются вертикально и присутствуют в каждом из трех ярусов. Такие облака приносят ливни, грозы и град, поэтому зачастую их называют грозовыми, или ливневыми.

Продолжительность жизни облака

Для тех, кто знает, из чего образуются облака, интересным может быть и вопрос о сроке их жизни. Здесь большое значение играет уровень влажности. Она является своеобразным источником жизненных сил для облаков. Если воздух в тропосфере достаточно сухой, то облако не сможет просуществовать долго. Если же влажность высока, оно может дольше парить в небе, пока не станет более мощным для того, чтобы произвести осадки.

Что касается формы облака, то срок ее жизни совсем мал. Частицы воды имеют свойство постоянно перемещаться, испаряться и появляться снова. Поэтому одна и та же форма облака не может сохраниться даже на 5 минут.

Лёгкие, пушистые и воздушные облака – они ежедневно проплывают над нашими головами и заставляют поднимать вверх голову и любоваться причудливыми формами и оригинальными фигурами. Иногда сквозь них пробивается удивительного вида радуга, а бывает – утром или вечером во время заката или восхода Солнца облака озаряют солнечные лучи, придавая им невероятный, зачаровывающий дух оттенок. Ученые уже давно исследуют воздушные облака и другие виды облаков. Они дали ответы на вопросы, что это за явление и какие бывают облака.

На самом деле, не так уж и просто дать объяснение. Потому что состоят они из обыкновенных капелек воды, которые с поверхности Земли поднял вверх тёплый воздух. Самое большое количество водяных паров образуется над океанами (за один год вода здесь испаряется не менее 400 тыс. км. куб.), на суше – в четыре раза меньше.

А так как в верхних слоях атмосферы значительно холоднее, чем внизу, воздух там довольно быстро остывает, пар конденсируется, образуя малюсенькие частички из воды и льда, вследствие чего появляются белые облака. Вполне можно утверждать, что каждое облако является своеобразным генератором влаги, через который проходит вода.

Вода в облаке находится в газообразном, жидком и твердом состоянии. Вода в облаке и наличие в них ледяных частичек, влияют на внешний вид облаков, его формирование, а также на характер осадков. Именно от типа облака и зависит вода в облаке, например, у ливневых облаков наблюдается наибольшее количество воды, а у слоисто-дождевых этот показатель в 3 раза меньше. Вода в облаке характеризуется также тем количеством, которое запасено в них - водозапас облака (вода или лед, который содержится в столбе облака).

Но всё не так просто, поскольку для того, чтобы образовалось облако, капельки нуждаются в конденсационных зёрнах – мельчайших частицах пыли, дыма или соли (если речь идёт о море), к которым они должны прилипнуть и вокруг которых должны образоваться. Это значит, что даже если состав воздуха будет полностью перенасыщенный водяным паром, без пыли он не сможет превратится в облако.

Какую именно форму примут капли (вода), прежде всего зависит от температурных показателей в верхних слоях атмосферы:

если температура воздуха атмосферы превышает -10°С, белые облака будут состоять из водяных капель;
если температурные показатели атмосферы станут колебаться между -10°С и -15°С, то состав облаков будет смешанным (капельные + кристаллические);
если температура в атмосфере ниже -15°С, белые облака будут содержать в себе ледяные кристаллики.

После соответствующих преобразований получится, что в 1 см3 облака содержится около 200 капель, при этом их радиус будет составлять от 1 до 50 мкм (средние показатели – от 1 до 10 мкм).

Классификация облаков

Каждый наверняка задавался вопросом, какие бывают облака? Обычно образование облаков происходит в тропосфере, верхняя граница которой в полярных широтах находится на расстоянии в 10 км, в умеренных – 12 км, в тропических – 18 км. Нередко можно наблюдать и другие виды. Например, перламутровые обычно расположены на высоте от 20 до 25 км, а серебристые – от 70 до 80 км.

В основном мы имеем возможность наблюдать за тропосферными облаками, которые подразделяются на такие виды облаков: верхнего, среднего и нижнего ярусов, а также вертикального развития. Практически все они (кроме последнего типа) появляются тогда, когда влажный тёплый воздух поднимается наверх.

Если воздушные массы тропосферы находятся в спокойном состоянии, образуются перистые, слоистые облака (перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые) и если воздух в тропосфере движется волнообразно, появляются кучевые облака (перисто-кучевые, высококучевые и слоисто-кучевые).

Облака верхнего яруса

Речь идёт о перистых, перисто-кучевых и перисто-слоистых облаках. Небо облака внешне напоминает перья, волны или вуаль. Все они полупрозрачные и более-менее свободно пропускают солнечные лучи. Они могут быть как чрезвычайно тонкими, так и довольно плотными (перисто-слоистые), значит, свету пробиваться через них тяжелее. Погода облаков сигнализирует о приближении теплового фронта.

Перистые облака также могут возникать выше облаков. Они располагаются полосами, которые пересекают небесный свод. В атмосфере они располагаются выше облаков. Как правило, осадкой из них не выпадает.

В средних широтах расположены белые облака верхнего яруса обычно на высоте от 6 до 13 км, в тропических – значительно выше (18 км). При этом толщина облаков может составлять от несколько сотен метров до сотен километров, которые могут располагаться выше облаков.

Движение облаков верхнего яруса по небосводу прежде всего зависит от скорости ветра, поэтому может варьироваться от 10 до 200 км/ч. Небо облака состоит из мелких ледяных кристалликов, но погода облаков осадков практических не дает (а если и дает, то измерить их на данный момент нет никакой возможности).

Облака среднего яруса (от 2 до 6 км)

Это кучевые облака и слоистые облака. В умеренных и полярных широтах они находятся на расстоянии от 2 до 7 км над Землёй, в тропических могут подниматься немного выше – до 8 км. Все они имеют смешанную структуру и состоят из водяных капелек, смешанных с ледяными кристаллами. Поскольку высота небольшая, в тёплое время года в основном состоят из водяных, в холодное – из ледяных капелек. Правда, осадки из них до поверхности нашей планеты не доходят – испаряются в дороге.

Кучевые облака немного прозрачные и располагаются выше облаков. Цвет облаков белого или серого оттенков, местами затемнённые, имеющие вид слоёв или параллельных рядов из округлых масс, валов или огромных хлопьев. Туманные или волнистые слоистые облака представляют собой пелену, которая постепенно закрывает небеса.

Образуются в основном тогда, когда холодный фронт вытесняет наверх тёплый. И, хотя осадки до земли не долетают, появление облаков среднего яруса почти всегда (кроме, может, башенковидных) сигнализирует о перемене погоды в худшую сторону (например, к грозе или к снегопадам). Происходит это из-за того, что сам по себе холодный воздух намного тяжелее тёплого и двигаясь вдоль поверхности нашей планеты, он очень быстро вытесняет нагретые воздушные массы наверх – поэтому из-за этого при резком вертикальном подъёме тёплого воздуха образуются сначала белые облака среднего яруса, а затем и дождевые облака, небо облака которого несет громы и молнии.

Облака нижнего яруса (до 2 км)

Слоистые облака, дождевые облака и кучевые облака содержат капельки воды, которые в холодное время года замерзают и превращаются в частицы снега и льда. Расположены они довольно невысоко – на расстоянии от 0,05 до 2 км и являют собой плотный, однородный низко нависающий покров, редко размещаются выше облаков (других видов). Цвет облаков серый. Слоистые облака похожи на большие валы. Погода облаков часто сопровождается осадками (мелкий дождь, снег, туман).

Облака вертикального развития (конвенции)

Кучевые облака сами по себе довольно плотные. По форме немного напоминают купола или башни с округлыми очертаниями. Кучевые облака при порывистом ветре могут становиться разорванными. Находятся они на расстоянии 800 метров от земной поверхности и выше, толщина составляет от 1 до 5 км. Некоторые из них способны преобразоваться в кучево-дождевые облака и располагаться выше облаков.

Кучево-дождевые облака могут находиться на довольно большой высоте (до 14 км). Нижние их уровни содержат воду, верхние – ледяные кристаллики. Их появление всегда сопровождается ливнями, грозами, в отдельных случаях – градом.

Кучевые и кучево-дождевые, в отличии от других облаков образуются только при очень быстром вертикальном подъеме влажного воздуха:

Влажный тёплый воздух чрезвычайно интенсивно поднимается вверх.
Наверху капельки воды замерзают, верхняя часть облака тяжелеет, опускается и вытягивается по направлению к ветру.
Через четверть часа начинается гроза.

Облака верхних слоёв атмосферы

Иногда в небе можно наблюдать за облаками, которые находятся в верхних слоях атмосферы. Например, на высоте от 20 до 30 км образуются перламутровые небесные облака, которые состоят в основном из ледяных кристаллов. А перед заходом или восходом Солнца нередко можно увидеть серебристые тучки, которые находятся в верхних слоях атмосферы, на расстоянии около 80 км (интересно, что эти небесные облака открыли только в 19 веке).

Облака этой категории могут размещаться выше облаков. Например, облако-шапка — это небольшое, горизонтальное и высоко-слоистое облако, которое зачастую располагается выше облаков, а именно выше кучево-дождевых и кучевых. Данный вид облака может образовываться выше облака из пепла или огненного облака в период извержения вулканов.

Сколько живут облака

Жизнь облаков напрямую зависит от влажности воздуха в атмосфере. Если её мало, они довольно быстро испаряются (например, есть белые облака, которые живут не более 10-15 минут). Если много – могут продержаться довольно длительное время, дождаться образования определённых условий, и выпасть на Землю в виде осадков.

Сколько бы не жило облако, оно никогда не находится в неизменном состоянии. Частицы, из которых оно состоит, постоянно испаряются и появляются снова. Если даже внешне облако не изменяет своей высоты, на самом деле оно находится в постоянном движении, поскольку находящиеся в нём капли опускаются, переходят в воздух под облаком и испаряются.

Облако в домашних условиях

Белые облака довольно нетрудно сделать в домашних условиях. Например, один нидерландский художник научился создавать его в квартире. Для этого он при определённой температуре, уровне влажности и освещения из дымовой машины выпустил немного пара. Облако, которое получается в состоянии продержаться несколько минут, чего будет вполне достаточно, чтобы сфотографировать удивительное явление.

Кучевые облака - плотные, днём ярко-белые облака со значительным вертикальным развитием. Связаны с развитием конвекции в нижней и частично средней тропосфере.

Чаще всего кучевые облака возникают в холодных воздушных массах в тылу циклона, однако нередко наблюдаются и в тёплых воздушных массах в циклонах и антициклонах (кроме центральной части последних).

В умеренных и высоких широтах наблюдаются преимущественно в тёплое время года (вторая половина весны, лето и первая половина осени), а в тропиках круглогодично. Как правило, возникают в середине дня и разрушаются к вечеру (хотя над морями могут наблюдаться и ночью).

Виды кучевых облаков:

Кучевые облака - плотные и хорошо развиты по вертикали. Они имеют белые куполообразные или кучевообразные вершины с плоским основанием сероватого или синеватого цвета. Очертания резкие, однако при сильном порывистом ветре края могут становиться разорванными.

Кучевые облака располагаются на небе в виде отдельных редких или значительного скопления облаков, закрывающих почти всё небо. Отдельные кучевые облака обычно разбросаны беспорядочно, но могут образовывать гряды и цепочки. При этом их основания находятся на одном уровне.

Высота нижней границы кучевых облаков сильно зависит от влажности приземного воздуха и составляет чаще всего от 800 до 1500 м, а в сухих воздушных массах (особенно в степях и пустынях) может составлять 2-3 км, иногда даже 4-4,5 км.

Причины образования облаков. Уровень конденсации (точка росы)

В воздухе атмосферы всегда содержится некоторое количество водяного пара, который образуется в результате испарения воды с поверхности суши и океана. Скорость испарения зависит прежде всего от температуры и ветра. Чем выше температура и больше емкость пара, там сильнее испарение.

Воздух может принимать водяной пар до известного предела, пока не станет насыщенным . Если насыщенный воздух нагреть, он вновь приобретет способность принимать водяной пар, т. е. опять станет ненасыщенным . При охлаждении ненасыщенного воздуха он приближается к насыщению. Таким образом, способность воздуха содержать в себе большее или меньшее количество водяного пара зависит от температуры

Количество водяного пара, которое содержится в воздухе в данный момент (в г на 1 м3), называют абсолютной влажностью .

Отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе в данный момент к тому их количеству, которое он может вместить при данной температуре, называется относительной влажностью и измеряется в процентах.

Момент перехода воздуха от ненасыщенного состояния к насыщенному называют точкой росы (уровнем конденсации). Чем ниже температура воздуха, тем меньше он может содержать водяного пара и тем выше относительная влажность. Это означает, что при холодном воздухе быстрее наступает точка росы.

При наступлении точки росы, т. е. при полном насыщении воздуха водяным паром, когда относительная влажность приближается к 100 %, происходит конденсация водяных паров – переход воды из газообразного состояния в жидкое.

При конденсации водяного пара в атмосфере на высоте от нескольких десятков до сотен метров и даже километров образуются облака .

Это происходит в результате испарения водяного пара с поверхности Земли и его поднятия восходящими потоками теплого воздуха. В зависимости от своей температуры облака состоят из капелек воды или кристалликов льда и снега. Эти капли и кристаллы настолько малы, что их удерживают в атмосфере даже слабые восходящие потоки воздуха. Облака, перенасыщенные водяным паром, имеющие темно-фиолетовый или почти черный оттенок, называют тучами.

Структура кучевого облака венчающего активный ТВП

Воздушные потоки в кучевых облаках

Термический поток представляет собой столб поднимающего воздуха. Поднимающийся теплый воздух замещается холодным воздухом сверху и по краям воздушного потока образуются зоны нисходящего движения воздуха. Чем сильнее поток, т.е. чем быстрее поднимается теплый воздух – быстрее происходит замещение и тем быстрее опускается по краям холодный воздух.

В облаках эти процессы, естественно, продолжаются. Теплый воздух поднимается вверх, охлаждается и конденсируется. Капельки воды вместе с холодным воздухом сверху опускаются вниз, замещая теплый. В результате образуется вихревое движение воздуха с сильным подъемом в центре и столь же сильным нисходящим движением по краям.

Образование грозовых облаков. Жизненный цикл грозового облака

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть - в ледяном. Существуют фронтальные и местные грозы: в первом случае, развитие конвекции обусловлено прохождением фронта, а во втором – неравномерным прогревом подстилающей поверхности внутри одной воздушной массы.

Можно разбить жизненный цикл грозового облака на несколько стадий:

формирование кучевой облачности и ее развитие вследствие неустойчивости местной воздушной массы и конвекции: формирование кучево-дождевой облачности;
максимальная фаза развития кучево-дождевого облака, когда наблюдаются наиболее интенсивные осадки, шквалистый ветер во время прохождения грозового фронта, а также наиболее сильная гроза. Для этой фазы также характерны интенсивные нисходящие движения воздуха;
разрушение грозового шторма (разрушение кучево-дождевой облачности), уменьшение интенсивности осадков и грозы вплоть до их прекращения).

Итак, остановимся более подробно на каждом из этапов развития грозы.

Формирование кучевой облачности

Допустим, в результате прохождения фронта или интенсивного нагрева подстилающей поверхности солнечными лучами, возникает конвекционное движение воздуха. При неустойчивости атмосферы теплый воздух подниматься вверх. Поднимаясь вверх, воздух адиабатически охлаждается, достигая определенной температуры, при которой начинается конденсация влаги, содержащейся в нем. Начинается формирование облаков. При конденсации наблюдается выделение тепловой энергии, достаточной для дальнейшего подъема воздуха. При этом наблюдается развитие кучевого облака по вертикали. Скорость вертикального развития может составлять от 5 до 20 м/с, поэтому верхняя граница образуемого кучево-дождевого облака даже в местной воздушной массе может достигать 8 и более километров над поверхностью земли. Т.е. в течение примерно 7 минут кучевое облако может разрастить до высот порядка 8 км и превратиться в кучево-дождевое облако. Как только растущее по вертикали кучевое облако миновало на некоторой высоте нулевую изотерму (тепрературу замерзания), в его составе начинают появляться кристаллы льда, хотя общее количество капель (уже переохлажденных) доминирует. Надо отметить, что даже при температурах минус 40 градусов могут встречаться переохлажденные капли воды. В этот же момент начинается процесс формирования осадков. Как только начинается выпадение осадков из облака, начинается второй этап эволюции грозового шторма.

Максимальная фаза развития грозы

На этом этапе уже кучево-дождевое облако достигло своего максимального вертикального развития, т.е. достигло «запирающего» слоя более стабильного воздуха - тропопаузы. Поэтому на смену вертикальному развитию, вершина облака начинает развиваться в горизонтальном направлении. Появляется так называемая «наковальня», представляющая собой перистые облака, состоящие уже из ледяных кристаллов. В самом же облаке конвективные потоки формируют восходящие потоки воздуха (от основания к вершине облака), а осадки становятся причиной потоков нисходящих (направленных от вершины облака к его основанию, а потом и вовсе к земной поверхности). Осадки охлаждают прилегающий к ним воздух, порой на 10 градусов. Воздух становится плотнее, а его падение к поверхности земли усиливается и становится более стремительным. В такой момент, обычно в первые минуты ливня, у земли могут наблюдаться шквалистые усиления ветра, опасные для авиации и способные причинить значительные разрушения. Именно их иногда ошибочно называют «смерчем» при отсутствии настоящего смерча. В это же время наблюдается наиболее интенсивная гроза. Выпадение осадков приводит к преобладанию нисходящих потоков воздуха в грозовом облаке. Наступает третий, заключительный этап эволюции грозы – разрушение грозового шторма.

Разрушение грозового шторма

На смену восходящим потокам воздуха в кучево-дождевом облаке приходят нисходящие потоки, тем самым, перекрывая доступ теплого и влажного воздуха, отвечающего за вертикальное развитие облака. Грозовое облако полностью разрушается, а на небе остается лишь абсолютно бесперспективная с точки зрения формирования грозового шторма «наковальня», состоящая из перистых облаков.

Опасности, связанные с полётами возле кучевых облаков

Как уже было сказано выше, облака образуются за счет конденсации поднимающегося теплого воздуха. Вблизи нижней кромки кучевых облаков теплый воздух разгоняется, т.к. температура окружающей среды падает, и замещение происходит быстрее. Дельтаплан, набирая в этом теплом воздушном потоке, может пропустить момент, когда его горизонтальная скорость еще выше скорости подъема, и оказаться затянутым вместе с поднимающимся воздухом в облако.

В облаке из-за высокой концентрации капель воды видимость практически нулевая, соответственно дельтапланерист мгновенно теряет ориентацию в пространстве и уже не может сказать, куда и как он летит.

В самом худшем случае, если теплый воздух поднимается очень быстро (к примеру, в грозовом облаке), дельтаплан может случайно попасть в смежную зону поднимающегося и опускающегося воздуха, что приведет к кувырку и, скорее всего, разрушению аппарата. Либо пилот будет поднят на высоты с сильной минусовой температурой и разряженным воздухом.

Анализ и краткосрочное предсказание погоды. Атмосферные фронты. Внешние признаки приближения холодного, тёплого фронтов

В предыдущих лекциях я говорила о возможности предсказания летной и нелетной погоды, приближении того или иного атмосферного фронта.

Напоминаю, что атмосферный фронт - это переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами.

При замещении и смешивании одной массы воздуха с другой с отличными физическими свойствами – температурой, давлением, влажностью – происходят различные природные явления, по которым можно анализировать и предсказывать движение этих масс воздуха.

Так, при приближении теплого фронта за сутки появляются его предвестники – перистые облака. Они плывут, как перья, на высоте 7-10 км. В это время атмосферное давление понижается. С приходом теплого фронта обычно связаны потепление и выпадение обложных, моросящих осадков.

С наступлением холодного фронта наоборот связаны слоисто-кучевые дождевые облака, громоздящиеся, как горы или башни, а осадки из них выпадают в виде ливней со шквалами и грозами. С прохождением холодного фронта связаны похолодание и усиление ветра.

Циклоны и антициклоны

Земля вращается и перемещающиеся массы воздуха тоже вовлекаются в это круговое движение, закручиваясь по спирали. Это огромные атмосферные вихри получили названия циклоны и антициклоны.

Циклон - атмосферный вихрь огромного диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.

Антициклон – атмосферный вихрь с повышенным давлением воздуха в центре, с постепенным его понижением от центральной части к периферии.

Мы также можем по изменению погоды предсказывать наступление циклона или антициклона. Так циклон несет с собой пасмурную погоду с выпадением дождей летом и со снегопадами зимой. А антициклон - ясную или малооблачную погоду, безветрие и отсутствие осадков. Наблюдается устойчивый характер погоды, т.е. она заметно не меняется с течением времени. С точки зрения полетов нам, конечно, интереснее антициклоны.

Холодный фронт. Структура облачности в холодном фронте

Вернемся опять к фронтам. Когда мы говорим, что «идет» холодный фронт, мы имеем в виду, что большая масса холодного воздуха движется в сторону более теплой. Холодный воздух тяжелее, теплый – легче, поэтому наступающая холодная масса словно подползает под теплую, выталкивая ее наверх. При этом образуется сильное восходящее движение воздуха.

Стремительно поднимающийся теплый воздух охлаждается в верхних слоях атмосферы и конденсируется, появляются облака. Как я уже сказала, наблюдается устойчивое восходящее движение воздуха, поэтому облака, имея постоянную подпитку теплым влажным воздухом, вырастают вверх. Т.е. холодный фронт приносит кучевые, слоисто-кучевые и дождевые облака, характеризующиеся хорошим вертикальным развитием.

Холодный фронт движется, теплый выталкивается кверху, и в облаках происходит перенасыщение сконденсировавшейся влагой. В какой-то момент она проливается ливнями, словно бы сбрасывая излишек до тех пор, пока сила восходящего движения теплого воздуха снова не превысит силу тяжести водяных капель.

Теплый фронт. Структура облачности в тёплом фронте

Теперь представим обратную картину: теплый воздух движется в сторону холодного. Теплый воздух легче и при движении он наползает на холодный, атмосферное давление падает, т.к. опять же столб более легкого воздуха давит меньше.

Взбираясь по холодному воздуху, теплый воздух охлаждается и конденсируется. Появляется облачность. Но восходящего движения воздуха не происходит: холодный воздух уже растекся внизу, ему нечего выталкивать, теплый воздух уже наверху. Т.к. восходящего движения воздуха нет, теплый воздух охлаждается равномерно. Облачность получается сплошной, без какого либо вертикального развития – перистые облака.

Опасности, связанные с наступлением холодного и тёплого фронтов

Как я уже сказала ранее, наступление холодного фронта характеризуется мощным восходящим движением теплого воздуха и, как следствие, переразвитием кучевой облачности и грозообразованием. Кроме того, резкое изменение восходящее движение теплого воздуха и соседствующее нисходящее движение холодного, стремящегося его заместить, приводит к сильной турбулентности. Пилот ощущает это как сильную болтанку с резкими внезапными кренами и опусканием/поднятием носа у аппарата.

Турбулентность в самом худшем случае может привести к кувырку, кроме того осложняются процессы взлета и посадки аппарата, полет вблизи склонов требует большей концентрации.

Частые и сильные грозы могут затянуть невнимательного или увлекшегося пилота, и произойдет кувырок уже в облаке, заброс на огромную высоту, где холодно, и нет кислорода – и возможная смерть.

Теплый фронт малопригоден для хороших парящих полетов и никакой опасности, кроме разве что опасности промокнуть, не несет.

Вторичные фронты

Раздел внутри одной и той же воздушной массы, но между разными по температуре областями воздуха, называют вторичным фронтом . Вторичные холодные фронты обнаруживаются у поверхности Земли в барических ложбинах (областях пониженного давления) в тылу циклона за основным фронтом, где имеет место сходимость ветра.

Вторичных холодных фронтов может быть несколько, и каждый отделяет холодный воздух от более холодного воздуха. Погода на вторичном холодном фронте аналогична погоде на холодном, но из-за меньших контрастов температур, все явления погоды выражены слабее, т.е. облака менее развиты, как по вертикали, так и по горизонтали. Зона осадков, 5-10 км.

Летом на вторичных холодных фронтах преобладают кучево-дождевые облака с грозами, градом, шквалам, сильной болтанкой и обледенением, а зимой общие метели, снежные заряды, ухудшающие видимость менее 1 км. По вертикали фронт летом развит до 6 км, зимой до 1-2 км.

Фронты окклюзии

Фронты окклюзии образуются в результате смыкания холодного и теплого фронтов и вытеснения теплого воздуха вверх. Процесс смыкания происходит в циклонах, где холодный фронт, перемещаясь с большой скоростью, настигает теплый. При этом теплый воздух отрывается от земли и выталкивается наверх, а фронт у земной поверхности перемещается в сущности уже под влиянием перемещения двух холодных воздушных масс.

Получается, в образовании фронта окклюзии участвуют три воздушные массы - две холодные и одна теплая. Если холодная воздушная масса за холодным фронтом теплее, чем холодная масса перед фронтом, то она, вытесняя теплый воздух вверх, одновременно сама будет натекать на переднюю, более холодную массу. Такой фронт называется теплой окклюзией (рис. 1).

Рис. 1. Фронт теплой окклюзии на вертикальном разрезе и на карте погоды.

Если же воздушная масса за холодным фронтом холоднее воздушной массы перед теплым фронтом, то эта тыловая масса будет подтекать как под теплую, так и под переднюю холодную воздушную массу. Такой фронт называется холодной окклюзией (рис. 2).

Рис. 2. Фронт холодной окклюзии на вертикальном разрезе и на карте погоды.

Фронты окклюзии в своем развитии проходят ряд стадий. Наиболее сложные условия погоды на фронтах окклюзии наблюдаются в начальный момент смыкания теплового и холодного фронтов. В этот период облачная система представляет собой сочетание облаков теплого и холодного фронтов. Осадки обложного характера начинают выпадать из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков, в зоне фронта они переходят в ливневые.

Ветер перед теплым фронтом окклюзии усиливается, после его прохождения ослабевает и поворачивает вправо.

Перед холодным фронтом окклюзии ветер усиливается до штормового, после его прохождения ослабевает и резко поворачивает вправо. По мере вытеснения теплого воздуха в более высокие слои фронт окклюзии постепенно размывается, вертикальная мощность облачной системы уменьшается, появляются безоблачные пространства. Слоисто-дождевая облачность постепенно переходит в слоистую, высоко-слоистая - в высоко-кучевую и перисто-слоистая - в перисто-кучевую. Осадки прекращаются. Прохождение старых фронтов окклюзии проявляется в натекании высоко-кучевой облачности 7-10 баллов.

Условия плавания через зону фронта окклюзии в начальной стадии развития почти не отличаются от условий плавания соответственно при пересечении зоны теплого или холодного фронтов.

Внутримассовые грозы

Грозы обычно подразделяются на два основных типа: внутримассовые и фронтальные. Наиболее часто встречающимися грозами являются внутримассовые (местные) грозы, возникающие вдали от фронтальных зон и обусловленные особенностями местных воздушных масс.

Внутримассовая гроза – это гроза, связанная с конвекцией внутри воздушной массы.

Продолжительность таких гроз невелика и составляет, как правило, не более одного часа. Местные грозы могут быть связаны с одной или несколькими ячейками кучево-дождевых облаков и проходят стандартные этапы развития: зарождение кучевого облака, переразвите в грозу, выпадение осадков, распад.

Обычно внутримассовые грозы связаны с одной ячейкой, хотя бывают и мультиячейковые внутримассовые грозы. При мультиячейковой грозовой деятельности нисходящие потоки холодного воздуха «материнского» облака создают восходящие потоки, формирующие «дочернее» грозовое облако. Таким образом, может сформироваться серия ячеек.

Признаки улучшения погоды

Давление воздуха высокое, почти не меняется или медленно повышается.
Резко выражен суточный ход температуры: днем жарко, ночью прохладно.
Ветер слабый, к полудню усиливается, вечером утихает.
Небо весь день безоблачно или покрыто кучевыми облаками, исчезающими к вечеру. Относительная влажность воздуха снижается днем и возрастает к ночи.
Днем небо ярко-синее, сумерки короткие, звезды слабо мерцают. Вечером заря желтая или оранжевая.
Сильные росы или иней ночью.
Туманы над низинами, усиливающиеся ночью и исчезающие днем.
Ночью в лесу теплее, чем в поле.
Дым из печных труб и костров поднимается вверх.
Ласточки летают высоко.

Признаки ухудшения погоды

Давление резко колеблется или непрерывно понижается.
Суточный ход температуры выражен слабо или с нарушением общего хода (например, ночью температура повышается).
Ветер усиливается, резко меняет свое направление, движение нижних слоев облаков не совпадает с движением верхних.
Облачность возрастает. На западной или юго-западной стороне горизонта появляются перисто-слоистые облака, которые распространяются по всему небосводу. Они сменяются высокослоистыми и слоисто-дождевыми облаками.
С утра душно. Кучевые облака растут вверх, превращаясь в кучево-дождевые, – к грозе.
Утренние и вечерние зори красные.
К ночи ветер не стихает, а усиливается.
Вокруг Солнца и Луны в перисто-слоистых облаках возникают светлые круги (гало). В облаках среднего яруса – венцы.
Утренней росы нет.
Ласточки летают низко. Муравьи прячутся в муравейники.

Стационарные волны

Стационарные волны - это вид превращения горизонтального движения воздуха в волнообразное. Волна может возникнуть при встрече быстро движущихся воздушных масс с горными хребтами значительной высоты. Необходимым условием возникновения волны является простирающаяся на значительную высоту стабильность атмосферы.

Чтобы увидеть модель атмосферной волны, можно подойти к ручью и посмотреть, как происходит обтекание затопленного камня. Вода, обтекая камень, поднимается перед ним, создавая подобие ДВП. За камнем же образуется рябь или серия волн. Эти волны могут быть достаточно большими в быстром и глубоком ручье. Нечто подобное происходит и в атмосфере.

При перетекании горного хребта скорость потока возрастает, а давление в нем падает. Поэтому верхние слои воздуха несколько снижаются. Миновав вершину, поток снижает свою скорость, давление в нем увеличивается, и часть воздуха устремляется вверх. Такой колебательный импульс может вызвать волнообразное движение потока за хребтом (рис. 3).

Рис. 3. Схема образования стационарных волн:
1 - невозмущенный поток; 2 - нисходящий поток над препятствием; 3 - чечевицеобразное облако на вершине волны; 4 - шапочное облако; 5 - роторное облако в основании волны

Эти стационарные волны часто распространяются на большие высоты. Зарегистрировано выпаривание планера в волновом потоке на высоту более 15 000 м. Вертикальная скорость волны может достигать десятков метров в секунду. Расстояния между соседними «буграми» или длина волны составляет от 2-х до 30-ти км.

Воздушный поток за горой разделяется по высоте на два резко отличающихся друг от друга слоя - турбулентный подволновой слой, чья толщина составляет от нескольких сотен метров до нескольких километров, и, расположенный над ним ламинарный волновой слой.

Использовать волновые потоки возможно при наличии в турбулентной зоне второго достаточно высокого хребта та таком расстоянии, что зона ротора от первого не затрагивает второй хребет. При этом пилот, стартуя со второго хребта, попадает сразу в волновую зону.

При достаточной влажности воздуха на вершинах волн появляются чечевицеобразные облака. Нижняя кромка таких облаков располагается на высоте не менее 3-х км, а их вертикальное развитие достигает 2 - 5 км. Также возможно образование шапочного облака непосредственно над вершиной горы и роторных облаков за ней.

Несмотря на сильный ветер (волна может возникнуть при скорости ветра не менее 8 м/с), эти облака неподвижны относительно земли. При приближении некоторой «частицы» воздушного потока к вершине горы или волны происходит конденсация содержащейся в ней влаги и образуется облако.

За горой образовавшийся туман растворяется, и «частица» потока вновь становится прозрачной. Над горой и в вершинах волн скорость воздушного потока увеличивается.

При этом давление воздуха уменьшается. Из школьного курса физики (газовые законы) известно, что при уменьшении давления и при отсутствии теплообмена с окружающей средой температура воздуха уменьшается.

Уменьшение температуры воздуха приводит к конденсации влаги и возникновению облаков. За горой поток тормозится, давление в нем увеличивается, температура повышается. Облако исчезает.

Стационарные волны могут появиться и над равнинной местностью. В этом случае причиной их образования могут быть холодный фронт или вихри (роторы), возникающие при различных скоростях и направлениях движения двух соседствующих слоев воздуха.

Погода в горах. Особенности изменения погоды в горах

Горы находятся ближе к солнцу и, соответственно, прогреваются быстрее и лучше. Это приводит к образованию сильных конвекционных потоков и быстрому образованию облаков, в том числе грозовых.

Кроме того, горы – это значительно изрезанная часть земной поверхности. Ветер, проходя над горами, турбулизируется в результате огибания множества препятствий разных размеров - от метра (камней) до пары километров (самих гор) – и в результате перемешивания проходящего воздуха конвекционными потоками.

Так что, для горной местности характерны сильная термичность в совокупности с сильной турбулентностью, сильный ветер разных направлений, грозовая активность.

Анализ происшествий и предпосылок, связанных с метеорологическими условиями

Наиболее классическим происшествие, связанным с метеорологическими условиями, является сдувание или самостоятельное залетание аппарата в зону ротора в подветренной части горы (в более мелком масштабе – ротор от препятствия). Предпосылкой к этому является уход вместе с потоком за линию хребта на небольшой высоте или банальное незнание теории. Полет в роторе чреват как минимум неприятной болтанкой, как максимум – кувырком и разрушением аппарата.

Второе яркое происшествие – затягивание в облако. Предпосылкой к этому является обработка ТВП вблизи кромки облака в совокупности с рассеянностью, излишней смелостью или незнанием летных характеристик своего аппарата. Привод к потере видимости и ориентации в пространстве, в худшем случае – к кувырку и забросу на непригодную для жизнедеятельности высоту.

И наконец, третьим классическим происшествием является «заворачивание» и падение на склон или на землю в процессе посадки в термичный день. Предпосылкой является полет с брошенной ручкой, т.е. без резерва скорости для маневра.