Образование кучевых и кучево-дождевых (грозовых облаков).

Эти облака всегда связаны с восходящими воздушными потоками, возникающими в неустойчиво- стратифицрованной атмосфере. Облака такого типа являются водяными.

Восходящие потоки могут развиваться как в результате нагрева земной поверхности, так и в зоне катафронтов, где выдавливаемый наступающим холодным воздухом теплвй свечой взлетает вверх.

В первом случае над зонами высоко нагрева земной поверхности образуются "трубы" (вертикальные, либо наклонные) по которым нагретый воздух поднимается вверх.

Если развитие кучевого облака вверх ограничено (либо слабы восходящие потоки, либо встречается слой инверсии) образуются небольшие плоские кучевые облака хорошей погоды.

Если конвекция сильна и в атмосфере нет задерживающих слоев, то кучевое облако растет вверх преворащаясь в мощнокучевое, грозовое. Скорость восходящих потоков в грозовом облаке мождет достигать 30-40 м/с. Такие облака в среднем доростают до высоты 8-9 км, максимально - 20,5 км (в субтропиках).

Облака вертикального развития и грозовые облака часще всего встречаются в тропиках и крайне редко в высоких широтах.

Образование слоистых облаков.

По своему происхождению слоистые облака подобны туманам. Они возникают в результате турбулентного перемешивания слоя теплого и влажного воздуха, при котором на верхней границе этого слоя возникает понижение температуры. Каждый восходящий поток доставляет в зону похолодания очередную порцию водяного пара, который здесь конденсируется. Каждый нисходящий поток выносит из этой зоны капли воды в слой воздуха, где воздух теплее, а водяной пар не насыщен . В результате капли испаряются. 

Кроме рассмотренных выше семейств облаков, располагающихся в тропосфере, в атмосфере встречаются также облака нетропосферные. Их два вида.

Первый - т.н. перламутровые облака, возникающие в стратосфере на высоте 30-35 км. Эти облака наблюдаются в высоких и умеренных широтах преимущественно в сумерках. После заката нижние слои атмосферы уже не освещаются солнечными лучами, а эти , удаленные от земной поверхности облака все еще освещаются Солнцем. По внешнему виду они напоминают весьма быстро движущиеся перистые облака.  

Перламутровые облака состоят из кристаллической воды.

Механизм попадания этой воды на столь большие высоты не вполне ясен.

Согласно одной из версий он попадает в стратосферу в центрах наиболее мощных циклонов (высота которых достигает, как известно, 20,5 км).

По другой версии водяной пар выбрасывается в стратосферу при наиболее мощных извержениях вулканов (при взрыве вулкана Кракатау в конце ХIX века интенсивные перламутровые облака наблюдались во многих регионах нашей планеты).

Еще одна гипотеза утверждает, что водяной пар в стратосферу попадает из космоса. Часть его попадает в атсмосферу при разрушении метеоритов, а также космической пыли. Другая часть возникает при взаимодействии поднимающихся из нижних слоев атмосферы гидроксилов ОН- и проникающих из космоса протонов Н+. 

Последняя версия наиболее правдоподобна, поскольку известно, что приток из космоса протонов в атмосферу наиболее заметен в приполярных регионах нашей планеты, а перламутровые облака наблюдают именно здесь. Наибольшее развитие перламутровых облаков несколько отстает по времени от вспышек на Солнце , при которых значительно усиливается т.н."солнечный ветер", состоящий в основном из электронов, протонов и альфа-частиц.

Второй вид внетропосферных облаков это т.н. серебристые или светящиеся облака. Они возникают на высотах 80-90 км (в зоне мезопаузы) и имеют такую же природу что и перламутровые. Именно по этому их можно наблюдать в высоких широтах преимущественно после вспышек на Солнце.

Не менее загадочна природа и серебристых облаков. Эти скопления микрокристаллов льда располагаются на высоте 80-90 км (в мезопаузе). Они наблюдаются также в сумерках преимущественно в широтах выше 50 параллели. Температура воздуха в мезопаузе опускается до -90 градусов С, поэтому эти микрокристаллы могут возникать только путем сублимации водяного пара.

Между перламутровыми и серебристыми облаками существует значительный слой атмосферы, где какие либо облака отсутствуют. Здесь температура воздуха слишком велика (до +25 град.С), а имеющийся здесь водяной пар чрезвычайно далек от насыщения.

Экологическая роль облаков

Облака оказывают существенное влияние на особенности двух процессов в атмосфере, имеющих непосредственное отношение к экологии.

Первым является распространение в атмосфере потоков лучистой энергии (солнечной радиации и теплового излучения земной поверхности), обеспечивающее определенный температурный режим на планете. Вторым является дальний перенос по воздуху воды и различных примесей. 

Роль облаков в первом процессе будет рассмотрена позже на соответствующей лекции. Здесь же мы подробнее остановимся на их участии во втором процессе.

Облака являются одними из существенных факторов аккумулирования, переноса в атмосфере различного рода полютантов и загрязнения ими подстилающей поверхности (суши и водоемов).

Твердые частицы пыли, в особенности частицы гигроскопичные или растворимые в воде, попадая в воздушную среду, становятся атмосферными ядрами конденсации. При этом вокруг них образуются капли воды, а при соответствующих условиях снежинки( в атмосфере возникают облака ).

Благодаря их наличию в атмосфере, в ней идут процессы аккумуляции микрочастиц пыли и полютантов. Поверхность капель эффективно абсорбирует газы и взвешенные частицы, содержащиеся в окружающей воздушной среде. Снежинки, обладающие значительной площадью поверхности, также эффективно адсорбируют примеси. Наблюдения показывают, что капля воды способна захватывать частицы пыли и газообразные полютанты в области, сечение которой в 100 раз превышает ее диаметр..

Межмолекулярное притяжение в капле жидкости (а в особенности воды) много много больше, чем в воздушной среде. Поэтому молекулы примесей, абсорбированные поверхностью капли, практически не имеют "обратного выхода"(они могут "освободиться" лишь при ее испарении).

В результате капля, длительное время взаимодействующая с загрязненным воздухом, накапливает в себе полютанты в концентрациях существенно больше, чем в окружающей среде. При этом концентрация пыли и полютантов в воздухе, окружающем капли и снежинки, снижается.

Эффективность абсорбции полютантов облаком тем выше, чем больше величина отношение площади суммарной поверхности образующих его капель(снежинок) к их суммарному объему. Следовательно самыми эффективными поглотителями примесей при постоянной водности являются облака ( и туманы ), состоящие из самых мельчайших облачных элементов. 

При выпадении атмосферных осадков полютанты, накопившиеся в каплях, а также твердые частицы пыли, выводятся из атмосферы (загрязняя при этом подстилающую поверхность). 

Частицы пыли, высвободившиеся из облака в результате испарения выпавших из него капель , частично увлекаются обратно в облако (вновь становясь центрами конденсации) существующими под ним конвективными потоками воздуха, а частично оседают на подстилающую поверхность.

Движение их происходит под действием ускоряющей силы тяжести и тормозящей силы сопротивления воздуха. Первая пропорциональна массе частицы и ее объему (кубу диаметра). Вторая зависит от площади поверхности частицы (квадрата ее диаметра) и скорости движения относительно воздуха.

Сила тяжести от скорости частицы не зависит, а сила торможения тем больше, чем больше скорость. Поэтому вначале движение оседающих частиц происходит ускоренно, а после того как скорость их станет достаточно большой- равномерно (сила сопротивления компенсирует силу тяжести).

Скорость оседающей равномерно твердой частицы в неподвижной атмосфере зависит от ее размеров. Частицы диаметром более 1 мм (это чаще всего градины и "крупа") движутся со скоростями пропорциональными корню квадратному из их диаметра..Частицы диаметром менее 1 мм падают подчиняясь закону Стокса. Скорость их движения пропорциональна квадрату диаметра (чем они меньше, тем медленнее они падают)..

Частица диаметром 100 мк при оседании проходит слой воздуха толщиной 3 км за 1час. Частица диаметром 10 мк проходит тот же слой за 4 суток. Частицы диаметром 1 мк оседают в том же слое более чем за полтора месяца . Еще меньшие частицы оседают годами.

В реальной атмосфере на оседающие частицы существенно влияет движение воздуха. Это фактор тем значительней, чем больше отношение диаметра частицы к ее объему (т.е. чем меньше диаметр частицы). Поэтому сила тяжести существенно влияет на скорость оседания лишь частиц диаметром более 10 мк. Меньшие частицы "вымываются " из атмосферы в основном осадками.

Капли, существующие в загрязненной атмосфере длительное время, накапливают в себе твердых частиц и полютантов существенно больше, чем капли, только что образовавшиеся. Поэтому сильнее всего загрязнены осадки из облаков, пришедших издали - из районов расположения источников интенсивного загрязнения атмосферы. Менее всего загрязнены капли существующих короткое время радиационных туманов в районах, удаленных от источников загрязнения.

Воздушные потоки переносят облака , а в них и накопленные полютанты, на огромные расстояния. При выпадении из таких облаков осадков часть содержащихся в них загрязнений выводится из атмосферы, загрязняя водоемы и почву.

 В результате тех же процесов, которые приводят к постепенному "вымыванию" из облака атмосферных ядер конденсации, в воздух под ним (и далее на подстилающую поверхность) поступают также полютанты, накопленные облаком. При этом из облака постепенно очищаются от них.

Процесс самоочищения облаков дающих осадки идет быстрее, однако и без них данный процесс может идти достаточно интенсивно, если в зоне облачности имеются энергичные восходящие движения. Загрязнение атмосферы (а также соответствующих участков подстилающей поверхности) под облаками кучевых форм сильнее чем под облаками слоистыми. Быстрее всего самоочищаются облака вертикального развития. Медленнее- слоистые, они способны удерживать в себе полютанты (как и атмосферные ядра конденсации) дольше всего.

Процесс загрязнения подстилающей поверхности осадками из облаков, участвующих во внешнем влагообороте называется трансграничным переносом полютантов. Особенности этого процесса определяются преобладающим в данном районе типом атмосферного переноса, преобладающим типом облачности, а также количеством выпадающих атмосферных осадков. Его особенности определяются также особенностями преобладающих в регионе синоптических процессов- циклонов, антициклонов и др.

В тропосфере умеренных широтах северного полушария чаще всего реализуются условия западного атмосферного перноса (восточный и меридианальный перенос встречаются реже). Поэтому здесь трансграничный перенос полютантов в основном осуществляется из промышленных районов и крупных городов расположенных к западу.

Чем больше выпадает в данном районе осадков, тем при прочих равных условиях, трансграничный перенос полютантов интенсивнее. В районах с засушливым климатом он является менее значимым фактором загрязнения, чем в районах с климатом влажным.

Если преобладающим типом облачности в регионе являются слоистые облака, то при прочих равных условиях интенсивность трансграничного переноса полютантов меньше. Если доминирует облачность кучевых форм - загрязнение подстилающей поверхности полютантами "выпадающими" из облаков (с осадками или без них) сильнее. 

Состав воды облачных капель включает 2.5-5.2 мг солей хлора на литр . Соленость дождевой воды практически не зависит от того откуда пришли облака. Средняя концентрацимя хлора в облачных каплях обратно пропорциональна кубу их радиуса. Концентрация хлоридов в слоистых и слоисто- кучевых облаках больше чем в слоисто- дождевых в среднем в 7 (семь) раз. В облаке находящемся на стадии распада концентрация хлоридов со временем возрастает. Кроме хлоридов облачные капли могут содержать в себе и другие вещества и отнюдь не в меньших количествах.

Облака не всегда являются фактором самоочищения атмосферы. При определенных обстоятельствах они становятся фактором ее дополнительного загрязнения опаснейшими химическими веществами. Благодаря описанному выше эффекту аккумуляции в образующих облака каплях воды существуют благоприятные условия для протекания различных химических реакций, приводящих к образованию веществ гораздо более опасных для окружающей среды, чем исходные компоненты. Примерами таких явлений могут служить рассмотренные в предыдущих лекциях процессы образования кислотных дождей.

В процессе эволюции все живые существа приспособились к обитанию в среде, характеризующейся значениями рН , изменяющимися в сравнительно узком диапазоне. Существенное снижение рН влечет за собой глубокие перемены в структуре сообществ, вымирание многих видов. Возможно, кислотные дожди пролившиеся на планету после падения астероида в районе полуострова Юкотан 65 млн. лет назад, привели к гибели большинства ихтиозавров, господствовавших ранее в Мировом океане.

Вид облаков, чаще всего формирующихся над тем или иным регионом, зависит от времени года. Так, в зимние месяцы над Азовским морем преобладает низкая облачность слоистых форм –Ns, -St, - Sc. Повторяемость этих облаков составляет 35%. Весной здесь наиболее часто повторяются облака среднего и верхнего яруса: перистые Ci- до 28% и высоко кучевые облака Ас до 30 %. Летом над Азовским морем преимущественно образуются кучевые облака Cu  (до 35%) и высоко - кучевые Ас (до 20%). Слоистые облака почти не наблюдаются. Осенью здесь вновь доминирует облачность слоистых форм -Ns, -St, - Sc с повторяемостью до 31% Высоко – кучевые облака Ас бывают реже ( ихповторяемость менее 27%).

В зависимости от вертикального распределения температуры воздуха в тропосфере облака могут состоять из капелек веды, снежинок, либо кристалликов льда, называемых облачными элементами.

В каждом облаке происходят процессы образования и ликвидации облачных элементов. Образование облачных элементов происходит с участием атмосферных ядер конденсации. Этот процесс идет в тех слоях атмосферы, где относительная влажность оказывается достаточно большой.

Зародыши, формирующиеся в результате взаимного притяжения ядер с окружающими их молекулами водяного пара, оказываются жизнеспособны и укрупняются, если конденсация преобладает над испарением. Как правило, это имеет место при пересыщениях водяного пара 101-110%.

Зародившиеся таким образом облачные элементы растут путем одной только конденсации вплоть до достижения ими радиуса 14-15 микрон. На последующее укрупнение облачных элементов до радиусов 20-25μκ наряду с конденсацией начиняет оказывать все усиливающееся влияние коагуляция. Начиная с радиусов 25μκ, дальнейший рост облачных элементов происходит за счет коагуляции.

В каждом облаке, образовавшиеся на том или ином атмосферном ядре конденсации облачные элементы под действием силы тяжести устремляются вниз. При этом они выходят из слоя, где относительная влажность воздуха достаточно высока и конденсация доминирует над испарением. Такие опустившиеся из облака облачные элементы начинают испаряться. Этот процесс приводит к выносу атмосферных ядер конденсации вниз из облака, а также перераспределению их внутри облака. В результате этого, в облаках концентрация атмосферных ядер конденсации может быть меньше, чем вне облаков. Особенно значительное скопление ядер наблюдается под облаком. В самом облаке количество ядер конденсации убывает от основания к вершине.

Интенсивность процессов перераспределения атмосферных ядер конденсации, происходящих как в облаке, так и вокруг него, зависит от параметров происходящих в нем процессов вертикального перемешивания, Наиболее велика интенсивность этих процессов в облаках вертикального развития и кучевых форм. Поэтому число атмосферных ядер конденсации в облаках слоистых форм больше, чем в кучевых облаках. Разность концентраций ядер в облаках и под ними у облаков слоистых форм меньше, чем у облаков кучевых.

В облачных элементах значительную часть ядер конденсации составляют микрокристаллы хлоридов. Концентрация хлоридов, растворенных в дождевых каплях, изменяется в пределах 0.1-10 мг/л. Поэтому многие объясняют возникновение таких ядер взаимодействием атмосферы с поверхностью Мирового океана.

Концентрация хлоридов в слоистых и слоисто- кучевых облаках больше чем в слоисто- дождевых в среднем в 7 (семь) раз. В облаке, находящемся на стадии распада, концентрация хлоридов со временем возрастает.

В центральной части каждой снежинки содержится одно относительно крупное ядро конденсации (размером порядка 1 микрона), а в ее периферийной части - множество более мелких ядер (размером от 0.05 до 0.1 микрона). Поэтому при выпадении снега облака быстрее теряют свои ядра конденсации.

Перламутровые облака, как уже отмечалось выше, располагаются в стратосфере - на высотах 28-30 км. Они наблюдаются в высоких и умеренных широтах преимущественно в сумерках.

После заката нижние слои атмосферы уже не освещаются солнечными лучами, а эти, удаленные от земной поверхности облака, все еще освещаются Солнцем. По внешнему виду они напоминают весьма быстро движущиеся перистые облака.

Установлено, что перламутровые облака состоят из микрокристаллов льда. Учитывая температуру воздуха на высоте расположения перламутровых облаков (менее –60^оС), ясно, что эти кристаллы возникают при сублимации водяного пара.

Не менее загадочна природа и серебристых облаков. Эти скопления микрокристаллов льда располагаются на высоте 80-90 км (в мезопаузе). Они наблюдаются также в сумерках преимущественно в широтах выше 50 параллели.

Температура воздуха в мезопаузе опускается до –90^оС, поэтому эти микрокристаллы могут возникать только путем сублимации водяного пара.