Облака. Капли в воздухе

Сегодня мы поговорим об одном из самых привычных и в то же время удивительных явлений — об облаках. Они плывут над нами каждый день, но как часто мы задумываемся о том, что же это на самом деле такое?

Начнём с самого распространённого заблуждения. Многие уверены, что облака — это водяной пар. Но это не совсем так, ведь чистый водяной пар невидим для человеческого глаза. Чтобы в этом убедиться, достаточно посмотреть на носик кипящего чайника. Пар-то выходит, но прямо у самого края вы его не видите.

Он становится заметным лишь на небольшом расстоянии, где успевает охладиться и сконденсироваться в мельчайшие капельки воды. Вот это белёсое облачко и есть самое настоящее, хоть и очень маленькое, облако. Оно быстро исчезает, как только выключается чайник, но в небе процессы куда масштабнее и интереснее. Значит, облако — это не пар, а скопление крошечных водяных капелек или ледяных кристалликов, взвешенных в воздухе.

А как вы думаете, почему облака обычно белые? Всё дело в том, как солнечный свет взаимодействует с каплями воды. Размер этих капель обычно больше длины волны видимого нами света. Когда солнечный луч падает на такую каплю, он попросту отражается от её внешней поверхности, оставаясь белым, то есть своей естественной смесью всех цветов радуги.

А вот грозовые тучи кажутся нам тёмными или даже чёрными по другой причине: они просто пропускают через себя очень мало солнечного света. Внутри такого мощного облака свет либо отражается обратно вверх, либо поглощается многочисленными каплями воды. Кстати, слово «туча» — это бытовое название, в науке же говорят просто об облаках.

Вся разница между белым пушистым облачком и серой грозовой тучей определяется так называемой оптической толщей — проще говоря, количеством капелек на пути солнечного луча сквозь облако. Если капелек мало, они лишь слегка и беспорядочно меняют направление света, почти не ослабляя его. Свет становится рассеянным, мягким, как от матовой лампочки. Но если капель огромное количество, значительная часть света поглощается, и мы видим мрачную, почти чёрную тучу.

А от чего же зависят границы облака, его нижний и верхний края? Всё дело в поведении воздуха. Когда воздух поднимается вверх, он попадает в область более низкого давления и адиабатно расширяется, то есть без обмена теплом с окружающей средой. При этом он совершает работу и, естественно, охлаждается. В какой-то момент его температура достигает так называемой точки росы — температуры, при которой содержащийся в нём водяной пар становится насыщенным и начинает конденсироваться в мельчайшие капли. Эта высота, на которой начинается массовая конденсация, и является нижней границей облака. Интересно, что когда эта граница опускается до самой земли, мы перестаём говорить «облако» и начинаем говорить «туман».

Туман — это, по своей сути, то же самое облако, только его нижняя граница лежит на поверхности Земли. Он представляет собой взвесь мельчайших капелек воды в приземном слое воздуха. Средний размер этих капелек совсем крошечный, около 10 мкм. Главное условие для рождения тумана — чтобы парциальное давление водяного пара в воздухе превысило давление насыщенного пара при данной температуре. Напомним, что парциальным давлением называется давление отдельного компонента газовой смеси; общее же давление смеси равно сумме этих парциальных давлений.

Если это условие выполняется, капли воды начинают формироваться прямо в воздушной массе. Центрами их зарождения могут служить любые мельчайшие частицы, плавающие в воздухе, например, пылинки. Существует два основных сценария, приводящих к возникновению тумана.

Первый связан с локальным охлаждением воздуха. Представьте, что температура воздуха понижается, а давление остаётся неизменным.

Допустим, начальное состояние пара характеризуется давлением P₁ и температурой T₁. Для данного давления точка росы — это температура T₂. Если же воздух охладится до температуры T₃, которая меньше T₂, пар окажется пересыщенным и начнёт активно конденсироваться на любых доступных частицах.

Такое резкое похолодание может произойти, например, когда нагретый над сушей воздух перемещается к холодному морю. Отдавая тепло воде, воздух быстро остывает, и над морской гладью образуется туман. Бывает и обратная ситуация: зимой более тёплый и влажный воздух с моря или реки натекает на холодный, покрытый снегом берег. А всем знакомый вечерний туман летом возникает потому, что нагревшаяся за день земля после захода Солнца быстро остывает, и вместе с ней охлаждается приземный слой воздуха.

Второй сценарий реализуется, когда давление водяного пара резко повышается из-за активного испарения. Чаще всего это происходит утром над поверхностью водоёма.

Обозначим начальное состояние точкой В. Если при постоянной температуре давление пара растёт и превышает определённый предел р₂, в воздухе тоже начнут выпадать капли тумана. Это случается потому, что воздух над водой за ночь остывает быстрее, чем сама вода, и с тёплой водной поверхности начинается интенсивное испарение, которое и «перенасыщает» воздух влагой.

Но на этом приключения капелек в облаке не заканчиваются. Как вам известно из курса физики, при конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты. Это тепло слегка подогревает окружающий воздух внутри облака. Нагретый воздух, как и любой тёплый газ, расширяется и, подчиняясь архимедовой силе, устремляется вверх. Дальше он снова адиабатно расширяется, охлаждается до температуры окружающей среды и его подъём временно прекращается. Вот на этой-то высоте и фиксируется верхняя граница облака. Охлаждённый и высушенный воздух после этого начинает растекаться в стороны, формируя те самые клочья и «барашки», которые мы часто видим у вершины мощных облаков.

Всё многообразие облаков учёные делят на несколько основных видов. Самые низкие — это облака нижнего яруса, они образуются на высоте не более двух километров. К ним относятся слоисто-дождевые, слоисто-кучевые и просто слоистые облака. Слоистые облака, например, часто образуются при медленном охлаждении неподвижной воздушной массы, скажем, ночью, или когда тёплый воздух ползёт над прохладной землёй.

Выше, на высотах от 2—7 километров, живут облака среднего яруса — высококучевые и высокослоистые. А ещё выше, вплоть до 15 километров, парят облака верхнего яруса: перистые, перисто-кучевые и перистослоистые. Перистые облака, которые мы видим как тонкие белые нити, образуются в быстрых потоках ветра и состоят уже не из капелек, а из мельчайших кристалликов замёрзшей воды.

Особую группу составляют облака вертикального развития, которые пронизывают сразу несколько ярусов. Это кучевые и кучево-дождевые облака. Кучевые облака, похожие на гигантские соцветия цветной капусты, рождаются при мощной конвекции — подъёме влажного воздуха. Если конвекция очень сильная, возникает уже кучево-дождевое облако — та самая гроза. Высота его верхней границы над землёй может достигать 7—10 километров.

Часто можно увидеть, как облако словно «сидит» на горной вершине и не улетает. Это следствие того, что тёплый воздух поднимается вверх по склону горы, охлаждается на высоте, и влага конденсируется в облако. При сильном ветре на большой высоте его сносит, но оно упорно продолжает формироваться на наветренной стороне, создавая впечатление, что облако намертво зацепилось за вершину.

Как мы уже выяснили, облако состоит из мириад мельчайших капелек, взвешенных в воздухе. Но что же представляет из себя сама капля? Из мультфильмов и детских книжек мы привыкли, что падающая капля похожа на головастика — с круглой головой и острым хвостиком. На самом деле, так выглядит лишь капля, свисающая с какого-то края, например, с крыши. А вот капля, свободно падающая в воздухе или «левитирующая» в облаке, выглядит совершенно иначе.

Способность капли держаться в воздухе напрямую зависит от её размера. Если капля очень мала, её размер значительно меньше одного микрона, то она не опускается вниз, а совершает быстрые хаотические движения, подобно пылинке в луче света. Именно из таких невесомых капелек состоят лёгкие белые облака, из которых никогда не идёт дождь.

Если размер капли составляет около одного микрона, что равно 10^–6 м, она уже начинает потихоньку двигаться в направлении к поверхности Земли. Однако скорость её падения очень мала — около 1 мм/с. Движение в вязких средах, к которым относятся и жидкости, и газы, устроено довольно сложно. При малых скоростях поток обтекает каплю ламинарно, то есть слои воздуха движутся параллельно, без завихрений. Но с ростом скорости это спокойное течение сменяется турбулентным, хаотичным, с множеством вихрей.

Характерный размер капли, при котором ламинарный режим обтекания сменяется турбулентным, составляет примерно 10^–4 м. Сила аэродинамического сопротивления, которая действует на каплю со стороны воздуха, по порядку величины равна плотности воздуха, умноженной на квадрат скорости и на квадрат радиуса капли:

Если приравнять эту силу к силе тяжести, действующей на каплю, то можно найти скорость её установившегося падения:

Для капли такого размера она будет составлять около 1,5 м/с.

А теперь представьте себе каплю размером порядка 10^–6 м. Под действием силы тяжести она начинает медленное движение вниз. И вот что важно: по пути она начинает сталкиваться и поглощать другие, более мелкие капли. Этот процесс называется коагуляцией. Чем больше становится капля, тем больше мелких капель она может захватить на своём пути, словно снежный ком.

Наконец, достигается некое критическое значение размера, после которого капля начинает падать уже неудержимо. И когда таких крупных капель в облаке становится очень много, они уже не могут удерживаться восходящими потоками и проливаются на землю дождём.

Но что же происходит с каплей при дальнейшем росте? Её форма начинает отклоняться от идеальной сферической. Силы поверхностного натяжения, которая стягивает каплю в шар, уже недостаточно, чтобы противостоять набегающему потоку воздуха. Капля начинает сплющиваться. Зная величину поверхностного натяжения воды (σ = 7,2 ∙ 10^–2 кг/с²), можно определить силу поверхностного натяжения: F_{пов.нат} = σ_водаR.

Теперь определим радиус капли R₂, при котором сила поверхностного натяжения и сила сопротивления воздуха в турбулентном режиме сравняются: 

Капли размером этого порядка R₂ и больше уже серьёзно сплющиваются набегающим потоком. Их форма становится неправильной и постоянно меняется по мере падения. А при размере около одного сантиметра (1 см) капля и вовсе становится нестабильной и делится на две части.

На фотографиях падающих капель можно увидеть, что они имеют сплюснутую, уплощённую форму снизу. Это происходит потому, что при быстром движении воздух не успевает плавно обтечь каплю. Сверху образуется область пониженного давления, а снизу — повышенного. Если скорость капли очень велика, то эта разность давлений становится настолько существенной, что меняет свою знак, и нижний радиус кривизны капли R_B становится меньше верхнего R_A, что мы и наблюдаем на снимках.

Крупные капли не в состоянии сохранить свою целостность во время стремительного падения. Встречный поток воздуха буквально разрывает их на части. Замедленная съёмка прекрасно это демонстрирует: сначала большая капля уплощается, превращаясь в нечто, напоминающее летающую лепёшку. Затем она становится похожей на купол или парашют. И, наконец, её верхняя оболочка разрывается, порождая целый рой мелких брызг.

Теперь вы знаете, что дождь — это не такое уж и простое явление, как может показаться на первый взгляд. За каждой каплей, упавшей на землю, скрывается длинная цепочка сложных и красивых физических процессов. И в следующий раз, глядя на небо, вы обязательно вспомните, какая удивительная физика скрывается за этими величественными и вечно меняющимися облаками.