Как облако держит воду

2015-03-25
Строго говоря, облака не заполнены водой. Он не губки, которые впитывают воду. Облака состоит из очень мелких жидких капель или кристалликов льда, взвешенных в воздухе. Капли воды и кристаллы льда, можно сравнить с поплавком, так как они настолько малы, что сопротивление воздуха уравновешивается гравитацией. Чтобы быть более точным, капли воды и кристаллы льда, на самом деле не плавают неподвижно в небе. Они постоянно очень медленно падают под действием силы тяжести и иногда поднимаются в восходящем потоке воздуха. Это падение настолько медленно, а облака являются настолько большими и далекими, что трудно для случайного наблюдателя на земле, заметить это движение.

В книге «Физика облаков» Louis J. Battan, приведены следующие цифры: капля радиусом 10 мкм падает со скоростью 1 см / сек, капля радиуса 50 мкм уже падает со скоростью 26 см / сек. В случае, когда происходит увеличение капель в размере в результате столкновения и слияний, капли могут получаться настолько большими, что сопротивление воздуха не играет большой роли (при радиусе > 0,1 мм). Такие капли падают в виде дождя.

Облака в основном состоят из воздуха. Когда мы говорим, ведро наполнено водой, мы имеем в виду, что почти все свободное пространство, в ведре содержит воду. В облаке, все не так. Вода, составляющие облако падает в виде дождя задолго до того, когда оно сольется достаточно, чтобы заполнить весь объем облака. Удивительно, но только одна миллиардная часть объема облака состоит из воды. Все остальное — воздуха.

Как же облака могут быть так визуально яркими, если они состоят почти их воздуха? Главная причина в отражении света от поверхности объектов. Чем больше площадь поверхности, тем больше света отражается. Облака же кажутся белыми по тому же, почему снег выглядит белым. Так что, хотя облако не содержит много воды, с точки зрения общего объема, но триллионы маленьких капелек, в сумме обеспечивают многократное отражение и преломление.

Приведем пример в цифрах, предположим, что облако состоит из капель воды, которые все имеют радиус $R$ и равномерно распределены. Предположим, общий объем облака постоянен и равен $V$, а общий объем воды в этом облаке — $V_$. Объем единичной сферической капли воды $\frac<4> <3>\pi r^<3>$, количество капель $N$, то есть полный объем воды в облаке: $V_ = N \frac<4> <3>\pi r^<3>$. Кроме того, площадь поверхности одной сферы $4 \pi r^<2>$, так что общая площадь поверхности капель по всей облака $S_<\text<общ>> = N 4 \pi r^<2>$. Решаем полученную систему получаем: $ S_<\text<общ>> = \frac<3V_>$. Так как общий объем воды фиксирован, это уравнение говорит нам, что если радиус каждой капли уменьшается, общая площадь капель поверхности будет увеличиваться. Для облака капель с очень маленьким размером, общая площадь поверхности облака будет очень высокой. Так как количество света, отраженного от объекта сильно зависит от площади поверхности, отражательная способность такого облака будет очень высокой, несмотря на то, что это по сути воздух.

Следует отметить, что, хотя отдельные капли уменьшаются в размерах, их индивидуальная площадь поверхности, конечно, становится меньше. Но при фиксированном общем объеме воды в облаке, общее количество капель меньшего размера будет больше, что означает большую общую площадь поверхности.

Источник

Сколько воды в облаке?

Когда человек видит на небе много кучевых облаков, он понимает, что скоро может пойти дождь. Иногда капли могут литься на землю часами, и кажется, что это никогда не прекратится. И в такие моменты появляется логичный вопрос: сколько воды может поместиться в облаке?

Откуда появляется вода в облаках

Когда солнечные лучи падают на лужи, реки, океаны и другие источники жидкости, они начинают постепенно испарять поверхность. Нагреваясь, молекулы воды превращаются в пар и поднимаются вверх. Теплый воздух весит меньше холодного, поэтому его частички уверенно взбираются на большую высоту.

Процесс подъема происходит до определенной высоты, пока молекулы пара не остынут и вновь не начнут конденсироваться во влагу. Новообразованные частички воды очень мало весят, поэтому подхватываются воздушными потоками и летают примерно на одном уровне. Скапливаясь в большом количестве, они образуют облака.

В облаках вода находится в твердом, жидком и газообразном состоянии. Льдинки располагаются в верхней части, где воздух холоднее. Когда их количество становится слишком большим, потоки ветра уже не могут удерживать их, и они падают вниз. Летя к земле, они проходят через более теплый воздух и тают, падая на поверхность уже в виде капли. Так и появляется дождь. Ливни начинаются в том случае, если в облаке слишком много жидкости, и ее частички сливаются в большие капли.

Сколько воды в облаке?

Несмотря на малую плотность, облака содержат в себе большое количество мелких капель. Кучевое облако диаметром в 100 метров может вмещать в себе до 20 тонн воды (максимум). Такая цифра кажется огромной, но при выпадении на землю образуется лишь 2 мм осадков, которые быстро высохнут и вновь улетят на небо в виде пара.

Как правило, облака содержат максимум 10 г влаги на кубический метр, и если во время дождя капли будут слишком маленькими, многие из них даже не встретятся с землей, а снова поднимутся наверх благодаря воздушным потокам.

Обычно в кубическом метре облака содержится примерно 10 г воды, а из 100 кв. м выпадает примерно миллиметр осадков. В тучах концентрация влаги может быть выше в несколько раз, из-за чего начинается продолжительный ливень.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Как облакам удается держаться на небе?

Прежде всего следует сказать, что не все облака плывут по небу. Некоторые из них находятся у самой поверхности земли! Ведь то, что мы называем туманом, как раз и представляет собою такое облако. В воздухе всегда содержится какое-то количество водяного пара. Когда теплый, влажный воздух остывает, этот пар начинает конденсироваться. Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое, обратный процессу испарения. В результате в воздухе накапливается большое количество мелких капелек воды, скопление которых образует облака. Воздушные течения, поднимающиеся вверх от земли, поддерживают облака на небе.

Однако, если воздух продолжает охлаждаться, то в облаке скапливается все больше воды. Постепенно мелкие капли приобретают все большие размеры, пока, наконец, не становятся настолько тяжелыми, что падают на землю в виде дождя. Если им приходится проходить через слой воздуха, вкотором температура ниже температуры замерзания, то — в виде снега или града. Облака образуются на различной высоте над поверхностью земли. В соответствии с этим они подразделяются на несколько видов: высокие, средневысокие, низкие и те, которые могут существовать на всех уровнях.

Как образуются облака: процесс испарения влаги

Не последнюю роль в формировании погоды играют водяные пары, содержащиеся в атмосфере. Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. В это состояние она переходит не только при кипении, но и находясь в состоянии льда. В атмосферу пары поступают при испарении с водных поверхностей, почвы, при транспирации растений. В воздухе пары находятся при любых, даже при отрицательных температурах. При испарении пары поднимаются вверх, насыщают атмосферу, а после того, как образуются облака и насытятся капельками воды или льда, начинаются дожди. Все эти процессы происходят только при определенных условиях.

Пары в атмосфере

Как известно, примерно половина земной поверхности закрыта облаками. Это переносимые по воздуху ветрами водяные пары. Сами облака являются частью круговорота воды в природе, процесса, который обеспечивает пресной водой Землю. Ведь на ней почти не образуется новых запасов воды, а постоянно «перекачиваются» старые запасы. Так, тот дождь, который шел миллионы лет тому назад, идет сегодня.

При испарении с поверхности земли, воды поднимается водный пар. Во время подъема он охлаждается. После того, как образуются тучи, и они перенасытятся влагой, начинает идти дождь или снег.

Процесс испарения

Водяные пары присутствуют в атмосфере постоянно. Это происходит из-за того, что вода всегда испаряется с поверхностей даже при минусовой температуре. Время испарения зависит от температуры воздуха: летом оно происходит быстрее, чем зимой. Из-за этой особенности видно, как быстро испаряется вода при кипении, а вот снег и лед испаряются очень медленно, практически незаметно для глаз. Сами пары тоже незаметны, так как состоят из очень маленьких водяных молекул. Но когда этих частиц становится много, то мы видим капельки воды или льдинки, снежинки. Сами же молекулы воды постоянно находятся в движении, скорость которого зависит от температуры окружающей среды. При высокой температуре молекулы двигаются очень быстро, активнее происходит испарение.

Невидимые облака

Все облака образуются в результате испарений, но не все они видны глазу. Когда пары поднимаются в атмосферу, насыщая ее, и до момента, пока их не видно, можно говорить о том, что облако невидимое. Но когда создадутся определенные температурные условия, эти пары станут видны глазу. После того, как образуются облака, они приобретают причудливую форму. Это связано со скоростью подъема паров в верхние слои атмосферы, температуры, при которой происходит этот процесс, наличия ветра и других факторов. К примеру, водяной пар в жаркую погоду очень быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где происходит накапливание влаги. Во время подъема пар охлаждается, но молекулы воды удерживаются воздушными массами. После того, как образуются облака, и количество влаги в них достигнет критического уровня, капельки воды вновь падают на землю в виде осадков.

Чтобы лучше понять процесс, можно провести опыт. В зимний день открыть окно комнаты. В этот момент снаружи сразу же появится облачко, но как только окно закроется, оно пропадет. Это происходит в тот момент, когда теплый воздух сталкивается с холодным и начинает охлаждаться. Исходя из этого, можно сделать вывод, как образуются облака: они появляются в результате конденсирования или при охлаждении пара, который соединяется в капельки воды.

Появление облака

Водяной пар, находящийся в воздухе, при определенных температурах невидим. А как образуются облака, видимые глазу, что для этого нужно? Как только атмосфера насытится парами, а температура начнет понижаться, достигая определенного предела, пар начнет конденсироваться и становится видимым.

В разное время суток и при разной погоде формируются различные виды облаков. В полуденные летние дни появляются кучевые облака. Утром и вечером этот вид не формируется.

Кучевые облака

Зная, как появляются облака, напрашивается вывод, что воздух высоко в атмосфере прогревает неравномерно. Из-за этого на небе видны «клочки» облаков. И это действительно так. Высоко в небе отдельные участки воздуха сильно охлаждены. Попадая в такие карманы, сильно нагретые пары резко проявляются, становятся видимыми. В этих белых тучках содержится весь тот пар, который поднялся с поверхности. При сильном насыщении парами, мелкие частички начинают собираться в более крупные капли воды. Когда их атмосфера не сможет удерживать, начинает идти дождь.

Зная, откуда появляются облака, ученые могут прогнозировать образование кучевых, кучево-дождевых видов. При неравномерном нагревании Солнцем земной поверхности, происходит испарение различной интенсивности. В результате такого явления на небе видны красивые, забавной формы облака. С ветрами они передвигаются по небу, насыщаясь влагой. И, достигнув пика насыщения, лишнюю влагу тучки «сбрасывают» на землю в виде дождя. Затем вся вода опять испарится, появятся облака и процесс начнется сначала.

Образование других облаков

На месте встречи холодного и теплого воздуха, на фронте, появляются не отдельные облака, а сплошной слой. Сначала он рыхлый, затем, после снижения облачной массы, толщина и плотность начинает увеличиваться. Как только такие образования дойдут до места, где их плотность и опущение достигнут максимума, начинает идти ровный небольшой дождь или снег. Выпадение осадков длится долго. В народе при таких тучках говорят «дождь обложился».

Помимо дождевых и кучевых облаков, в атмосфере формируются слоистые, волнистые виды. Все они появляются при охлаждении воздуха, когда создаются условия конденсации.

Источник

Как облако держит воду