1 о о о KM

0.05 -lOJ-IO-na

®

ло - пойдут дожди, будет пасмурно .

Заметим, что для антициклонов характерна обратная картина процессов. В центре антициклона давление выше, чем на периферии. В верхней тропосфере ветры закручиваются к центру антициклона, а вблизи земной поверхности - от центра; в центре возникают мощные нисходящие потоки воздуха. Опускающийся вниз воздух нагревается, относительная влажность уменьшается, облачность исчезает - устанавливается ясная погода. Недаром повышение атмосферного давления мы справедливо связываем с улучшением погоды.

Кучевое облако. Остановимся немного подробнее на физике процессов, приводящих к образованию обычного кучевого облака конвекционного происхождения. Такое облако имеет значительные вертикальные размеры, указывающие на то, что конвекционные потоки могут подниматься на боль-

шую высоту - значительно выше нижней границы облака. Для объяснения обратимся к рисунку 4.8. На нем приведены (сугубо качественно) три зависимости температуры воздуха от высоты. Зависимость ? относится к воздуху, не участвующему в образовании облака. Этот воздух окружает облако с боков; будем считать, что в нем нет вертикальных потоков. Падение температуры с высотой отражает в данном случае естественный ход температурной кривой в пределах тропосферы (см. рис. 4.3). Зависимость 2 относится к поднимающемуся (и, следовательно, адиабатно расширяющемуся) сухому воздуху. При адиабатном расширении воздух охлаждается, поэтому температурная кривая 2 опускается более круто, чем кривая 1. Следует, однако, иметь в виду, что в действительности вверх поднимается не сухой, а влажный воздух; в результате охлаждения воздуха содержащийся в нем пар будет конденсироваться (начиная с некоторой высоты Н, фиксирующей

нижнюю границу облака). При конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования. Количество выделившейся теплоты оказывается довольно заметным. Это приводит к тому, что температура поднимающегося влажного воздуха будет понижаться с высотой медленнее, чем даже температура неподвижного воздуха (температурная кривая 3). Данное обстоятельство является весьма важным. В самом деле, с учетом конденсации паров температура поднимающегося воздуха понижается, оставаясь в то же время выше температуры окружающего неподвижного воздуха. Тот факт, что охлаждающийся воздух остается более нагретым, чем окружающая его среда, обеспечивает способность продолжать подъем все выше и выше. В результате и происходит существенное развитие облака в вертикальном направлении.

Конечно, такое развитие не может быть неограниченным. По мере того как конденсируются водяные пары, воздух становится все менее влажным; он все более подсушивается. Поэтому температурная зависимость 3 уже не реализуется; происходит переход к зависимости 2, отвечающей сухому воздуху (этот переход условно показан на рисунке 4.8 штриховой стрелкой). Вследствие такого перехода температура поднимающегося воздуха на какой-то высоте сравняется с температурой окружающего воздуха и даже окажется немного ниже ее. В результате вертикальное развитие облака прекратится; холодные массы воздуха, отдавшего свою влагу в облако, начнут растекаться в стороны и опускаться вниз вокруг кучевого облака, формируя харак-

О Н

Высота

терные для таких облаков барашки (рис. 4.9).

Рассмотрим задачу. Будем исходить из условия предыдущей задачи, полагая теперь, что в процессе подъема и охлаждения воздуха происходит конденсация некоторого количества содержащихся в воздухе паров. Примем, что масса т сконденсировавшегося пара в 1000 раз меньше массы воздуха М. Удельная теплота парообразования Х=2,5 l(f Дж/кг. Вместо соотношения (4.1) в данном случае надо использовать соотношение

AU = -A+km,

(4.7)

учитывающее выделение при конденсации пара скрытой теплоты парообразования.

Теперь вместо (4.4) имеем:

(4.8)

Подставляя (4.6) в (4.8) и учитывая, что т=10~ М, находим

р J.

или, с учетом результата, полученного при решении предыдущей задачи,

Напомним, что ц=29 кг/кмоль, /,;=8,3-10- Дж/(кмоль-К). Используя значения постоянных, получаем:

- 10- = 3,5 К.

Таким образом, Т,~Т=5,5 К.

Микрофизика облаков. Различают микрофизику и макрофизику облаков. Макрофизика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков.

Как мы уже отмечали, облака могут состоять из капелек воды (водяные, или капельные облака).

ледяных кристалликов (ледяные, или кристаллические облака), а также одновременно из капель и из кристалликов (смешанные облака). Водяные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (примерно до -20 °С) - это переохлажденные водяные облака. Например, при -10 °С облака в 50% случаев водяные, в 30% смешанные и только в 20% ледяные.

Водяные капли в облаке имеют различные диаметры - от долей микрометра до нескольких миллиметров. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1...0,5 мм.

Как бы ни была мала ледяная капля, она все же существенно тяжелее воздуха. Поэтому возникает естественный вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?

Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Эти удары вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории. Такое движение называют броуновским - по имени английского ботаника Р. Броуна, открывшего его в 1828 г. (Броун наблюдал движение очень мелких твер-