Образование и разновидности облаков. Участие облаков в круговороте воды

Облака — это образовавшиеся на высоте скопления мелких водяных капель. Они являются важным фактором климата, участвуя в глобальном круговороте воды и перераспределении энергии на планете.

Ученые сумели систематизировать многообразие облаков и выделить 10 основных их разновидностей: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, высококучевые, высокослоистые, кучевые, кучево-дождевые, слоисто-дождевые, слоисто-кучевые и слоистые.

Одни облака похожи на перья, другие – на ленты, третьи — на белых барашков, но все  они обладают определенной формой, особыми свойствами, способом образования и местом  в атмосфере. Возникновение облаков зависит  от рельефа местности и погодных условий. Однако и у самых высоких облаков, и у туманной  дымки над лугами источник один — поднимающийся вверх воздух, насыщенный водяными  парами. В облаках заключены огромные запасы влаги. В кучево-дождевом облаке шириной  25 км может содержаться до миллиона тонн  взвешенной воды.

Удивительные превращения капли

Все водоемы Земли – моря, озера, реки, пруды, лужи – испаряют воду, передавая ее молекулы в атмосферу. Масштабы этого процесса  огромны – около 500 млн тонн в год.

Влажный воздух может подниматься оттого, что он нагревается от земной поверхности, или  когда его вытесняет вверх более холодный  и, следовательно, более плотный воздух, опускающийся вниз. Горы и возвышенности, стоящие на пути ветров, тоже способствуют возникновению восходящих потоков воздуха.

С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление и температура падают. В результате этого водяные пары в восходящих  потоках воздуха конденсируются, образуя крошечные капельки воды или кристаллики льда (если температура достаточно низкая). Так возникает облако. Конденсации водяных паров способствуют различные взвешенные в воздухе твердые частицы (пылинки, кристаллы морской соли или льда) — ядра конденсации, на которых и оседают капельки воды. По мере роста облака находящиеся в нем мелкие капельки постепенно сливаются. Но чтобы возникла одна дождевая капля, должны слиться сотни тысяч таких крошечных капелек.

Облака — предсказатели погоды

Изящные перистые облака, состоящие из продолговатых кристаллов льда, всегда плывут над землей в холодных слоях атмосферы на высоте более 6 км. Небо от них не становится пасмурным, но они часто предвещают начало дождей. Пухлые кучевые облака разнообразной формы  собираются на высоте около 5 км над землей, напоминая стада овец. Это облака хорошей погоды.

Их образование нередко можно наблюдать в жаркие дни. Когда же солнце скрывается, потоки теплого влажного воздуха перестают их подпитывать, и они растворяются в небе.

Огромные кучево-дождевые облака поднимаются в небо гигантскими столбами, вершины которых по форме напоминают наковальни. Они достигают 15 км в высоту и вызывают грозы, отсюда другое их название – грозовые.

Самые низкие из облаков – слоистые – выглядят как полотна, распростертые над землей на высоте около 500 м. Слоистые и слоисто¬дождевые облака могут походить на свинцовые тучи, покрывающие все небо до горизонта, порой из них вместо дождя идет снег. Иногда низкие облака спускаются на землю туманом, особенно холодными ночами. В таких случаях содержащиеся в воздухе водяные пары конденсируются при контакте с охлажденной поверхностью земли.

Трансформаторы энергии

Облака принимают участие в круговороте воды, накапливая и разнося ее в атмосфере и изливая на землю и в океан в виде осадков.

Но этим их роль не ограничивается. Они также представляют собой гигантские нагревательные устройства. Восходящие потоки теплого воздуха, образуя облака, высвобождают в ходе конденсации водяных паров скрытую энергию, полученную ими при испарении воды в нижних слоях атмосферы. На образование одного кучево-дождевого облака уходит энергия, которую могло бы использовать в домашнем хозяйстве все население мира. Распределяя энергию в атмосфере, облака играют ключевую роль в формировании климатической системы планеты. Кроме того, они задерживают испускаемое поверхностью Земли тепловое (инфракрасное) излучение, создавая парниковый эффект, без которого было бы слишком холодно, и в то же время отражают часть солнечного излучения, тем самым несколько уменьшая его влияние на климат.

Гром и молния

Перед грозой погода обычно душная и безветренная. Затем на небе собираются тучи, поднимается ветер, и наконец начинается дождь, сопровождаемый молниями и громом.

Теплый, влажный воздух в больших количествах поднимается в небо. На высоте около 15 км над землей он резко остывает. Содержащийся в нем водяной пар частично конденсируется в кристаллики льда, образуя грозовые облака. В таких облаках возникают мощные потоки воздуха. Поднимаясь со скоростью до 100 км/ч, льдинки перемешиваются и сталкиваются с капельками воды. При этом часть электронов покидает льдинки, которые таким образом приобретают электрический заряд. Возникающее трение приводит к обмену электрическими зарядами. В разных частях облака скапливаются разноименно заряженные частицы. Более тяжелые падающие кристаллики приобретают отрицательный заряд, который концентрируется у основания тучи. Легкие поднимающиеся к небу крупинки приобретают положительный заряд, скапливающийся в верхней части тучи. Грозовые облака — огромные накопители статического электричества. Когда разность потенциалов — электрическое напряжение — между областями, обладающими противоположными зарядами (верхней и нижней границами облака или между облаком и землей), достигает сотен миллионов вольт, возникает электрическая дуга, то есть короткий разряд в виде гигантской искры – молнии.

Разряд в 100 000 ампер

Молния может быть сплошной (проходящей внутри тучи) или разветвленной (соединяющей тучу и землю). Разветвленная молния начинается одним стволом в середине тучи. Затем ствол разделяется на несколько зигзагообразных ветвей, устремляющихся к земле. Эти небольшие разряды готовят путь для настоящего удара молнии, увеличивая электропроводность воздуха. Когда они оказываются метрах в десяти над землей, в нее ударяет основной ствол молнии – мощный и ослепительный. Это на самом деле обратный удар молнии — с земли в облака.

За доли секунды по стволу молнии проходит ток силой около 100 тыс. ампер – в 200 тыс. раз больше, чем в обычной лампочке накаливания, а возникающая при этом вспышка в миллион раз ярче. Температура на пути прохождения разряда достигает 30 000°С. От этого окружающий воздух расширяется так внезапно и резко, что раздается звук как при взрыве — удар грома.

В XVIII в. американский политик и ученый Бенджамин Франклин изобрел молниеотвод. Установленный на крыше металлический стержень, от которого под землю шел медный провод, притягивал молнию, давая возможность току уйти в землю.