Как образуются облака и почему они не падают на землю под собственной тяжестью
Облако кажется лёгким и почти невесомым, однако внутри обычного кучевого облака могут находиться сотни тонн воды. На первый взгляд это выглядит парадоксально: огромная масса находится над землёй и не обрушивается вниз целиком. Но облако не является плотным предметом. Это разреженная смесь воздуха, микроскопических капель воды и ледяных кристаллов, существующая благодаря движению атмосферы.
Откуда берутся облака
Главный источник облачной влаги - испарение воды с поверхности океанов, морей, рек, почвы и растений. Солнечное тепло превращает жидкую воду в водяной пар. Нагретый у поверхности воздух расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься.
По мере подъёма воздух попадает в области с более низким давлением и расширяется. На это требуется энергия, поэтому воздушная масса постепенно охлаждается. Когда температура достигает точки росы, водяной пар уже не может оставаться исключительно в газообразном состоянии и начинает конденсироваться.
Для образования капель необходимы так называемые ядра конденсации. Ими становятся мельчайшие частицы пыли, морской соли, дыма, сажи и других аэрозолей. Водяной пар оседает на этих частицах, формируя микроскопические капли. Поэтому облако - это не просто скопление пара, а взвесь жидкой воды или льда в атмосфере.
Почему облако не падает
Размер капель внутри облака обычно составляет всего несколько сотых миллиметра. Такие частицы действительно подчиняются силе тяжести и медленно движутся вниз, но их падение сильно тормозится сопротивлением воздуха.
Скорость опускания крошечной капли в спокойной атмосфере может составлять примерно 0,3 сантиметра в секунду. При этом воздух над нагретой землёй постоянно перемещается. Восходящие потоки способны подниматься со скоростью от одного до десяти метров в секунду, а в мощных грозовых облаках - ещё быстрее.
Получается своеобразный воздушный лифт: капли стремятся вниз, но поток воздуха переносит их вверх или удерживает на приблизительно одной высоте. Пока восходящее движение сохраняется, облако продолжает существовать. Оно не "висит" неподвижно, а непрерывно формируется, перемещается и распадается.
Что происходит перед дождём
Внутри облака капли сталкиваются друг с другом и сливаются. В некоторых облаках к этому процессу добавляется замерзание и последующее таяние ледяных частиц. Постепенно отдельные капли становятся крупнее и тяжелее.
Пока их размер невелик, сопротивление воздуха и восходящие потоки компенсируют действие силы тяжести. Но при диаметре около 0,5 миллиметра капля уже начинает опускаться заметно быстрее. Капля размером примерно 1 миллиметр падает со скоростью около 3 метров в секунду, а крупная капля диаметром 5 миллиметров - приблизительно 9 метров в секунду.
Когда скорость падения превышает скорость восходящего потока, вода покидает облако в виде осадков. Именно поэтому дождь можно считать не падением облака целиком, а постепенным выпадением его содержимого.
Почему масса облака не превращает его в водяной обвал
Фраза "облако весит сотни тонн" может вводить в заблуждение. Эта вода распределена в колоссальном объёме. В крупном кучевом облаке жидкость разделена на триллионы отдельных капель, находящихся на большом расстоянии друг от друга.
Условное облако массой 500 тонн может занимать объём более одного кубического километра. В таком состоянии вода не образует сплошного водоёма. Каждая капля существует отдельно и испытывает сопротивление воздуха. Если собрать всю влагу в единую массу, она действительно мгновенно упала бы вниз, но в атмосфере вода раздроблена на мельчайшие частицы.
Это можно сравнить с листьями, которые медленно опускаются в порывистом воздухе. Каждый лист имеет вес, однако воздушные потоки способны долго удерживать его в движении. Облачные капли ведут себя сходным образом, хотя их поддерживает не ветер в бытовом смысле, а сложная система вертикальных потоков и турбулентности.
Все ли облака удерживаются одинаково
Нет, строение и механизм существования облаков зависят от их типа.
Кучевые облака формируются в результате активных восходящих потоков над нагретой землёй. Поэтому они часто имеют выпуклую форму и быстро растут вверх.
Слоистые облака обычно располагаются широким ровным покровом. В них содержатся особенно мелкие капли, а движение воздуха может быть слабым, но достаточно продолжительным, чтобы осадки не выпадали сразу.
Перистые облака находятся на большой высоте и состоят преимущественно из ледяных кристаллов. Они очень разрежены, а частицы льда опускаются медленно, поэтому такие облака могут долго сохраняться в верхних слоях атмосферы.
Грозовые облака отличаются мощными вертикальными потоками. Внутри них вода и лёд многократно перемещаются вверх и вниз, сталкиваются, замерзают и тают. Именно такие процессы приводят к сильным ливням, граду, молниям и резкому усилению ветра.
Может ли облако упасть на землю целиком
В обычных условиях - нет. Облако не имеет чёткой оболочки и не представляет собой единую массу, способную обрушиться как предмет. Оно постепенно меняет форму: с одной стороны испаряется, с другой - образуется заново.
Если восходящие потоки ослабевают, а капли успевают вырасти, облачная влага начинает выпадать дождём. Иногда дождевые капли испаряются ещё в воздухе, если нижние слои атмосферы сухие. Такое явление называют виргой: с высоты кажется, что из облака падают полосы осадков, но до поверхности они не доходят.
При очень сильных потоках облако, напротив, может долго удерживать крупные капли и ледяные частицы. Поэтому грозовая туча способна сначала накапливать воду, а затем за короткое время обрушить её мощным ливнем.
Почему облака движутся
Облако перемещается вместе с воздушной массой, внутри которой оно образовалось. Его скорость и направление зависят от ветра на соответствующей высоте. При этом само облако одновременно развивается: капли испаряются, новые частицы образуются, а отдельные участки могут растворяться.
Из-за этого кажется, что облако "плывёт" как цельный объект. На самом деле оно постоянно обновляется. Влага входит в облачную область с восходящим воздухом и покидает её через осадки или испарение.
Что происходит с облаком после дождя
После выпадения осадков облако может уменьшиться или полностью исчезнуть. Причиной становится потеря влаги, ослабление восходящих потоков либо приток сухого воздуха. Иногда облачная масса продолжает существовать, если испарение с поверхности и подъём влажного воздуха возобновляются.
Таким образом, срок жизни облака зависит от температуры, влажности, высоты, ветра и характера рельефа. Небольшие кучевые облака могут исчезнуть за несколько минут, а обширные слоистые системы - сохраняться многие часы.
Облако не нарушает закон всемирного тяготения. Его капли падают всегда, но настолько медленно, что воздушные потоки успевают удерживать их в атмосфере. Когда вода собирается в более крупные капли, а вертикальное движение воздуха ослабевает, начинается дождь. Поэтому "падение облака" происходит не единым куском, а превращается в выпадение миллионов и миллиардов отдельных капель.
