Что такое облака

Со времен самой глубокой древности, явления, совершающиеся на небес­ном своде, привлекали к себе внимание человека, стоявшего еще на низкой ступени умственного развития. Гром и молния, проявлением своей громадной мощности, заставляли трепетать перед собой человека; палящие лучи солнца, выжигавшие всю природу, приносили засуху и голод, сильные ливни затопляли его усадьбу — и иногда были полезны, иногда приносили вред губительными наводнениями. Радуга, появляющаяся иногда на небе, своей изумительной кра­сотой поражала его. Не умея объяснить явлений природы, а, тем более, не умея овладеть их силами, первобытный человек поневоле приписывал их про­явлению сверхъестественной силы — так им было создано понятие о божестве. Почти во всех древних мифах бог грома и молнии играл большую роль. Не имея понятия о происхождении дождя, человек молил своих богов о нис­послании дождя; если была засуха, или о прекращении его, если сплошные ливни заливали поля. Известно, что подобные верования сохранялись в глу­хих местах до недавнего времени, а может быть где-нибудь сохранились еще и теперь. Человек, трепеща перед явлениями, творящимися на небе, а с другой стороны изумляясь красоте той картины, которую представляет иногда небес­ный свод, покрытый причудливых форм облаками с просветами голубого неба, счи­тал небо местопребыванием своих богов и святых, местопребыванием Олимпа и т. п.

Текли века и тысячелетия. Настойчивый, пытливый ум человека не до­вольствовался мифическим объяснением небесных явлений, доставшихся ему в книгах от предыдущих поколений. Он старается исследовать научным путем проявления сил природы, дать действительное их объяснение и, если возможно, употребить их на свою пользу. И постепенно стало отпа­дать божественное объяснение этих явлений: человек перенес их в свою лабо­раторию, сумел докопаться до сущности их происхождения, искусственно воспроизвести их и доказать, что современные технологии тоже способны творить чудеса. Поражающее ранее человека, проявление как бы высшей силы, явление молнии — по существу электрического разряда — воспроизведено в лаборатории и теперь электричество является той силой, которую человек широко исполь­зует для своих нужд, без которой немыслимо культурное строительство чело­вечества.

Раньше люди просили небеса о ниспослания дождя, теперь вопрос об искусственном воспроизведении дождя поставлен к выполнению, как очередная задача многих научных лабораторий, в том числе и российских.

Значение облаков в культурной жизни человека

Надо ли говорить, что среди явлений, происходящих на небе, которые привлекают наше внимание, громадную роль играют облака. Затягивание неба облаками связывается обычно с ожиданием и ближайшее время дождя или снега. Всем известны общеупотребительные выражения: «погода хмурится», «погода разгуливается» и т. п. связывающие одновременно представление об изменении облачного покрова с погодой. Тогда, когда дождь необходим, на­пример, для посевов, когда высохшие за время длительного бездождья расте­ния требуют влаги, плотные, низкие облака, принося дождь, оказывают бла­годеяние человеку. Наоборот, в период длительных дождей, заливающих по­севы — те же облака приносят вред. Летом облака прикрывают землю от жгу­чих лучей солнца. Достаточно вспомнить, например, какие длительные жары и засухи бывают в средней Азии летом, когда почти не наблюдается облаков. Почва глубоко просыхает, растительность вымирает под палящими лучами солнца.

Наоборот зимой, когда приток тепла от солнца беден, облачный покров, как шуба, прикрывает землю, спасает ее от охлаждения, умеряя морозы. Вспомним, что зимою сильные морозы бывают именно при ясном небе.

Вспомним про позднюю осень в Санкт-Петербурге, когда неделями низкие сплошные облака со своим мелким моросящим дождем делают погоду такой неприветливой, хмурой и нездоровой. А в то же время на юге, где-нибудь на Северном Кавказе еще часто видят голубое небо и еще продолжает кипеть там курортная жизнь.

В частности, при выборе курортов, на облачность обращают серьезное внимание. Солнце является источником жизни на земле и там, где облака большинство дней месяца заволакивают небо, где прямые живительные лучи солнца редко доходят до земли—такое место мало пригодно для восстановле­ния здоровья.

Для людей, близко интересующихся природой, которые, «ходя по земле, умеют видеть и небо», облака представляют также большой интерес. Наблюдатель, привыкший внимательно следить за состоянием неба, по появлению той или другой формы облаков выносит суждение об изменении погоды на ближайшее время. Этим отличаются, в частности, моряки и рыбаки, жизнь которых в море сильно зависит от погоды, и неудивительно, что бывают слу­чаи, когда возможность правильно предвидеть изменение погоды, например, наступление бури, становится для них равносильной вопросу о жизни и смерти.

И действительно, в так называемом «методе предсказания погоды по местным признакам», облачные наблюдения играют весьма существенную роль.

В связи с широким развитием в настоящее время линий воздушных сооб­щений, авиация также является широко заинтересованной в состоянии облач­ного покрова. Низкие облака затрудняют перелеты, а туманы и очень низко стелющиеся облака делают перелет совершенно невозможным. Некоторые фор­мы облаков характеризуются очень неспокойными условиями полета; в част­ности—грозовые облака сопровождаются иногда настолько бурными движе­ниями в атмосфере, что совершенно исключают возможность полета.

Особенно значительное влияние оказывают облака на работу авиации в том случае, когда с самолетов производится при помощи, фотографирования топографическая съёмка местности. Такого рода аэрофотосъёмкой в настоящее время начинают пользоваться очень широко для составления топографических карт, так как она, но сравнению с обычной топографической съёмкой, требует гораздо меньше материальных затрат и значительно меньшего времени на его производство.

Аэрофотосъёмка производится обычно с высоты нескольких километров и, очевидно, наличие облаков, плавающих на более низких высотах, делает фотосъёмку невозможной.

Выше была упомянута одна из самых смелых задач современной науки — искусственное воспроизведение дождя. Здесь уже целью ставится непосредственное воздействие человека на состояние облачного покрова. Сейчас много лабораторий мира работает над этим, и надо надеяться, что все мы увидим положительные результаты этих попыток.

Как образуются облака

Приведенные примеры показывают, какое значение имеют облака в куль­турной жизни современного человека. Посмотрим же ближе, что такое облака, как они образуются. А как различаются между собою различные виды облаков вы можете прочитать в отдельной статье.

Водяные пары в атмосфере

Водяные пары в атмосферном воздухе. Облака представляют собою собрание громадного количества мельчайших капелек воды или кристалликов льда, обра­зовавшихся благодаря превращению водяных паров, находящихся в атмосфере, в жидкое или твердое состояние, или как говорят — благодаря конденсации водя­ных паров.

Водяные пары всегда являются одной из составных частей атмосферного воздуха, однако, количество их вообще не постоянно. Оно зависит в значи­тельной степени от температуры воздуха, а также, до известной степени, и оттого, откуда пришла к нам воздушная масса, в которой сейчас мы нахо­димся. Водяные пары отличаются от других составных частей воздуха тем, что при каждой температуре существует некоторое предельное, наибольшее их количество, которое может содержать в себе воздух. Чем выше температура воздуха» тем большее количество их может содержаться в воздухе. Так, при нормальном атмосферном давлении (при высоте барометра 760 миллиметров), один килограмм насыщенного воздуха содержит в себе следующее количество водяных паров (в граммах) при различных температурах:

• При температуре -20° — 0.66 грамм
• При -10° — 1.64  грамм
• При 0° — 3.77 грамм
• При +10° — 7.53 грамм
• При +20° — 14.35 грамм
• При +30° — 26.23 грамм

Конденсация водяных паров

Нетрудно видеть, что при понижении температуры воздуха, содержащего водяные пары, должна наступить их конденсация, т. е. превра­щение их в жидкое или твердое состояние. Пусть воздух, имеющий вначале температуру 30°, содержит  на каждый килограмм 14.35 грамма водяных паров. Очевидно, он не будет насыщен водяными парами, так как предельное содержание водяных паров при этой температуре ровно 26.23 гр. на 1 кило­грамм воздуха. Допустим, что под влиянием той или иной причины воздух охладится до температуры 20°. Очевидно, он станет уже насыщенным, так как предельное содержание водяных паров при этой температуре равно 14.35 гр. на 1 килограмм. Пусть охлаждение будет продолжаться и темпера­тура воздуха понизится до 10°. При этой температуре предельное содержание водяных паров равно 7.53 грамма, следовательно, излишек водяных паров 14.35 гр. — 7.53 гр. = 6.82 гр. должен выделиться в жидком виде, т. е. про­изойдет конденсация водяных паров.

Когда конденсация водяных паров происходит в атмосфере, водяные пары превращаются или в мельчайшие капельки воды — если температура выше 0°, или в мельчайшие кристаллики льда, если температура ниже 0°. Однако, в некоторых случаях капельки воды могут оставаться в жидком виде и не замерзать даже в том случае, если температура понизится ниже 0°. Тогда говорят, что вода находится в переохлажденном состоянии.

Таким образом для образования облаков необходимо, чтобы произошла конденсация водяных паров, находящихся в воздухе. Так как конденсация водяных паров происходит тогда, когда при понижении температуры водяные пары, находящиеся в воздухе, достигнут состояния насыщения и при дальней­шем понижении температуры излишек их начнет выделяться в жидком или твердом виде, то, очевидно, для образования облаков необходимо достаточное охлаждение воздуха, содержащего водяные пары.

Ядра Конденсации

При детальном исследовании процесса конденсации водяных паров выяснилось, что для облегчения образования капелек или кристалликов льда необходимо, чтобы в воздухе были некоторые первоначальные частицы, так называемые ядра конденсации, на которые и осаждаются водяные пары при пре­вращении их в жидкое или твердое состояние. Роль таких ядер играет мельчайшая пыль, находящаяся в воздухе в громадном количестве даже на больших высотах.

Почему облака плавают в воздухе и не осаждаются на земле

Спрашивается, если облако состоит из мельчайших частичек воды или кристалликов льда, почему же они под влиянием силы тяжести не падают вниз и облака не оседают на землю, а плавают в воздухе. Было подсчитано, что капелька воды с радиусом, равным 0.001 сантиметра, должна падать в воздухе со скоростью 0.1 сантиметра в секунду, что в час составит уже 360см., а за сутки свыше 86 метров. При радиусе в 0.005 сантиметра скорость падения должна достигать уже 26 сантиметров в секунду, а, следовательно, в час — 936 метров. Отсюда ясно, что не будь какой-то поддерживающей силы в атмо­сфере, которая препятствовала бы опусканию капелек вниз, всякое образова­вшееся облако должно было бы быстро осесть на землю.

Объяснение этому явлению в настоящее время дается такое. Атмосферный воздух никогда не находится в совершенном покое. Отдельные небольшие массы его находятся в постоянном, беспорядочном, как говорят «турбулентном» дви­жении. Оно возникает отчасти благодаря трению воздуха при движении его около земной поверхности, причем образующиеся вихри постепенно распро­страняются вверх, отчасти благодаря неравномерному нагреванию лучами солнца отдельных масс воздуха, вследствие чего более нагретые массы, как более легкие, будут иметь стремление подниматься вверх, менее нагретые — стремление опу­скаться вниз. Таким образом, под влиянием указанных причин в воздухе по­являются беспорядочные движения отдельных небольших масс воздуха. Под влиянием этих движений, взвешенные в воздухе мельчайшие капельки воды испытывают со всех сторон беспорядочные толчки, которые и поддерживают их в воздухе.

Условия для образование облаков

Мы видели, что для образования облаков необходимым условием является охлаждение атмосферного воздуха, содержащего водяные пары, ниже точки росы. Рассмотрим же, какие причины могут вызвать это.

Охлаждение воздуха благодаря лучеиспусканию

Ночью, когда притока тепла от солнца нет, поверхность земли, отдавая свое тепло вверх в мировое про­странство посредством излучения, охлаждается. Охлаждение бывает особенно интенсивно в ясную погоду, когда облака не оказывает препятствия лучеиспусканию. Охлаждение земли передается и слоям воздуха, которые в свою очередь также охлаждаются.

Охлаждение воздуха благодаря его движению по более холодной земной по­верхности

Аналогичная картина охлаждения нижних слоев атмосферы наблюдается в том случае, когда теплая масса воздуха передвинется в виде воздушного течения в такой район, где поверхность земли, под влиянием предшествующей погоды, была настолько охлаждена, что надвинувшаяся масса воздуха окажется теплее ее. Это обычно наблюдается тогда, когда массы воз­духа из-под тропиков передвинутся далеко на север, где, очевидно, температура земной поверхности холоднее, чем в тропиках. Подобным же примером может служить тот случай, когда зимою, после сильных морозов в степи, на нее при южном ветре надвинется теплый воздух с моря. Аналогичное явление может наблюдаться и на море, когда воздушные массы, расположен­ные над теплым течением и нагретые там, будут перенесены в район, где про­ходит более холодное течение. Очевидно, при движении теплого воздуха над более холодной поверхностью, нижние слои воздуха будут постепенно охла­ждаться и это охлаждение будет постепенно передаваться наверх.

Наоборот, если холодные воздушные массы будут передвигаться по более теплой поверхности — очевидно воздух будет постепенно нагреваться снизу и нагревание будет постепенно передаваться все выше и выше.

Перенос воздуха вдоль земной поверхности носит название «адвекции», почему рассмотренные нами процессы охлаждения и нагревания воздуха мы будем называть «адвективным охлаждением или нагреванием».

Охлаждение воздуха при его поднятии

Рассмотрим теперь наиболее важный процесс, вызывающий образование облаков — именно охлаждение воздуха при его поднятии. Этот процесс рассмотрим более детально, потому что он вызы­вает образование наиболее мощных облаков и наиболее обильных осадков.

Известно, что если мы будем быстро сжимать воздух, например, сдавли­вая его поршнем в какой-либо трубке, воздух будет нагреваться. Это нагре­вание происходит вследствие того, что та работа, которую мы производим при сжатии воздуха, переходит в тепло.

Известно, между прочим, что этим явлением пользуются для производства воспламенения горючей смеси в цилиндрах некоторых систем двигателей внутрен­него сгорания (их называют дизелями). Наоборот, при быстром расширении воздуха происходит его охлаждение. Представим себе, что некоторая масса воздуха, под влиянием той или другой причины, начнет опускаться в атмосфере сверху вниз. Так как атмосферное давление с высотой уменьшается, то опускающаяся воздушная масса, опускаясь с того уровня, где атмосферное давление меньше, к уровню, где оно больше, будет сжиматься, а вследствие сжатия — нагреваться. Наоборот, при поднятии вверх, воздушная масса, попадая в слои с меньшим атмосферным давлением, будет расширяться и вследствие этого охлаждаться.

Таким образом одно только поднятие воздуха уже вызывает его охлаждение.

Физика дает возможность подсчитать, что если поднимающаяся масса воздуха не будет получать тепла со стороны и в то же время не будет отда­вать своего тепла, то при поднятии на каждые 100 метров она только вслед­ствие своего расширения охладится на 1°. Наоборот, опускающаяся масса воздуха, вследствие сжатия, будет нагреваться на каждые сто метров также на 1°.

Когда поднятие или опускание воздуха происходит так, как описано выше, т. е. без отдачи и без получения тепла, то говорят, что поднятие или опускание происходит «адиабатически».

Заключение

Внимательное наблюдение за сменой облач­ности на небе дает возможность наблюдателю предвидеть заранее изменение характера погоды. Облачные наблюдения отличаются от других метеорологиче­ских наблюдений тем, что они не требуют для своего производства никаких приборов, кроме собственных глаз наблюдателя. Привычка следить за посте­пенным изменением картины неба даст ему возможность предугадывать улуч­шение и ухудшение погоды, что часто имеет большое значение при планировке тех или других задач повседневной деятельности человека.