dv_leonov (dv_leonov) wrote,
dv_leonov
dv_leonov

Облака.

Все мы знаем, что такое облака. В общих чертах это скопления водяного конденсата в атмосфере (в верхней части тропосферы). Казалось бы, всё предельно ясно, но, при ближайшем рассмотрении, возникает масса вопросов, на которые современная горе-наука либо не даёт ответов, либо её ответы до очевидного нелепы. Например, непонятно почему облачная кромка сверху неровная и подобная горным вершинам, а снизу плоская как стол? Почему водный конденсат вообще создаёт облака, а не размазывается равномерно по всему небесному своду? И т.д. и т.п. ...
Очевидно, что физика процессов, происходящих в атмосфере не так проста, как нам рассказывали в школе. А что же нам об этом известно?
Согласно современным горе-научным представлениям, вода испаряется с поверхности больших и малых водоёмов и, под влиянием восходящих тёплых потоков поднимается на несколько км над поверхностью земли, оказываясь в зоне низких температур. Там происходит конденсация водяного пара и образование облаков. Затем облака устремляются в сторону материков, где проливаются в виде дождя. Решающим фактором, по мнению горе-учёных, является температурный градиент и только. Такая примитивная модель оставляет неразрешёнными массу вопросов.
Например, с какой это стати облака не проливаются там же над водной поверхностью, а устремляются на материки (см. "Климат среднего Поволжья и Глобальное потепление.")?
Или вот ещё вопрос: почему над пустынями облака не формируются? Нагревается пустынный воздух сильнее, чем океанический. Водяной пар в пустынном воздухе имеется в количествах больших, чем в приполярных регионах. Верхняя часть тропосферы так же холодна, как и в любом другом уголке Земли. Однако, модель образования облаков, предлагаемая горе-учёными, в пустынях не работает.
Безусловно температура — важный фактор атмосферных процессов, но не единственный. Попробуем создать более совершенную и более соответствующую реальности модель.

Итак, начинается всё с того, что вода, под влиянием солнечного тепла, испаряется с открытой поверхности водоёмов. Не следует забывать также, что вода испаряется и с листовой поверхности деревьев (см. "Транспирация и её влияние на климат."). В приповерхностных слоях атмосферы возникает избыток содержания водяных паров.
Под влиянием низких температур в верхних слоях тропосферы, вода конденсируется из воздуха и там возникает дефицит водяного пара. Согласно закону, именуемому явлением диффузия, ...
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
... молекулы воды устремятся из области их повышенной концентрации в область пониженной.
Таким образом, перепад температур в атмосфере приводит к образованию градиента влажности воздуха, под влиянием которого и возникают восходящие потоки, формирующие облачную массу.

Модель ясна. Попробуем, с её помощью, заглянуть внутрь облака и понять, что же там происходит.
Итак, насыщенный водяными парами воздух поднимается до нижней границы облака, которая соответствует точке росы.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В ней водяной пар начинает конденсироваться из воздуха в виде мельчайших капель воды. Воздух, таким образом, теряет часть находящегося в нём водяного пара и становится более сухим. Но на этом процесс не заканчивается. Воздух поднимается выше и попадает в область ещё более низких температур, где водяной пар, содержащийся в нём, опять становится насыщенным и процесс конденсации продолжается. Центрами конденсации теперь выступают капли воды, преобразовавшиеся к этому времени в ледяные кристаллы, которые выделились из воздуха на нижней границе облака. Воздух становится ещё более сухим, и так далее до тех пор пока из воздуха не выделится вся (или почти вся) вода у верхней кромки облака.
Получается, что в атмосфере точка россы не является некой границей, а разнесена по вертикали. Каждый вышележащий уровень является точкой росы для воздуха со всё меньшим содержанием в нём водяного пара.
Вследствие возникновения градиента влажности, как внутри облака, так и непосредственно под ним, создаётся постоянный восходящий поток воздуха. Частицы сконденсировавшейся воды, в капельном, либо в кристаллическом виде, под его влиянием, находятся во взвешенном состоянии, а само облако представляет из себя нечто вроде снежно-водяного сугроба, принявшего вид кипящего слоя.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Кипящий слой создаётся в тех случаях, когда некоторое количество твёрдых частиц находится под воздействием восходящего потока газа (обычно воздуха) или смеси из газа и жидкости, благодаря чему твёрдые частицы находятся в парящем состоянии.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Частицы воды конечно же не стоят неподвижно, а перемещаются, преимущественно в вертикальном направлении, под влиянием двух факторов: изменяющейся скорости восходящего потока воздуха и меняющейся массы частиц.
Под влиянием трения о воздух на частицах воды собирается статическое электричество. Заряд накапливается в облаке по мере концентрации водяной массы, да и просто по мере движения облака в атмосфере и расходуется, либо постепенно, во время выпадения осадков, либо одномоментно, посредством разрядов молнии.

Определимся с формой облака, исходя из выбранной нами модели.
Первый вопрос: почему нижняя граница облака плоская?
Безусловно, вблизи поверхности Земли воздух может иметь разную температуру и влажность, но по мере подъёма к облачному поясу он перемешивается, его температура и влажность выравнивается на относительно больших площадях. К нижней кромке облака подходит однородный воздушный поток, который одновременно, по всему его горизонтальному срезу, оказывается в нижней точке росы, благодаря чему и образуется ровная нижняя граница облачного слоя.
Второй вопрос: почему верхняя часть облака неровная и конусообразная?
Неровная потому, что замерзшие частицы воды, которые и придают облаку форму, находятся, как было сказано выше, в состоянии кипящего слоя. Отсюда клубящаяся верхняя кромка. А конусообразная форма получается потому, что воздух, пройдя через облако теряет всю воду. Поскольку только вода создавала подъёмную силу, сухой и холодный воздух над облаком не может подниматься выше и ему остается только стекать вниз, облизывая края облака и придавая ему форму наподобие горного склона.
Кстати, именно по причине того, что "отработанный", холодный и сухой воздух обтекает облако снаружи оно и приобретает некую форму, а не расползается во все стороны. На самом деле оно расползается, но расползающаяся часть сразу же поглощается сухим, обтекающим облако воздухом и становится невидимой.

Почему из облака вдруг начинает идти дождь (снег)? Что провоцирует это явление?
Частицы воды, из которых состоит облако, находятся в состоянии подвижного равновесия. С одной стороны весов подъёмная сила восходящего потока воздуха, с другой — вес частиц воды. Поскольку воздух над облаком практически не содержит воды, подъёмная сила воздушного потока определяется температурой и количеством воды, содержащейся в воздухе ниже облака. Почему количеством воды понятно: чем больше воды, тем больше водяной градиент и создаваемая им подъёмная тяга. Температура воздуха вносит свой вклад опосредованно, т.е. посредством того, что более тёплый воздух может вобрать в себя больше воды и таким образом ещё больше увеличить силу восходящего потока.
Понятно, что формула "чем теплее воздух, тем больше воды" исправно работает только тогда, когда поверхность Земли, над которой движутся облака, испаряет надлежащее количество влаги, т.е. если на ней есть обширные водные поверхности, или в достаточном количестве лесные массивы. В пустынях нет ни того ни другого, поэтому хотя там воздух и тёплый, а местами даже очень тёплый, условий для образования или хотя бы поддержания облачного слоя нет. Но не только это является причиной отсутствия там дождей, а тот фактор, что на глубине десятков метров под поверхностью в пустынях создаются условия конденсации влаги (см. "Климат среднего Поволжья и Глобальное потепление."), которые вступают в конкурентную борьбу с атмосферными конденсаторами и побеждают.
Но вернёмся туда, где условия образования облачной массы надлежащие. Исходя из вышесказанного, наиболее мощные облачные образования возникают в тропических регионах и над океанами. Облака, рождающиеся там, преобразуются в явления, называемые циклонами, о механизмах работы которых мы поговорим позже.

Итак, почему же частицы воды, находящиеся во взвешенном состоянии, начинают покидать облако в виде осадков? Простейшим ответом было бы то, что аккумуляционные возможности облака имеют некоторый предел, превышение которого приводит к наступлению вышеназванного явления. Это общая схема, но в каждом конкретном случае существуют причины, приводящие к выпадению осадков. Одна из самых популярных — это столкновение холодных и тёплых воздушных масс.
Разберём механизм процессов.
Представим, что теплый, заряженный мощной облачностью, воздушный поток сталкивается с холодным воздухом. Холодный воздух обладает меньшей влагоёмкостью, а значит содержит меньше воды. Как только он попадает на нижнюю границу облачного слоя градиент влажности, уменьшается, а с ним и сила восходящего потока воздуха. Равновесие в облаке нарушается и частицы воды выпадают из него в виде дождя или снега.
Иная картина возникает, когда холодный облачный фронт сталкивается с более тёплыми воздушными массами.
Теперь под облако заходит более тёплый воздух. Но хотя тёплый воздух может впитать большее количество воды, вовсе не обязательно, что он его содержит. Из статьи "Климат среднего Поволжья и Глобальное потепление."
мы помним, что циклоны движутся из районов с большим содержанием влаги в районы с её меньшим содержанием, следовательно более тёплый воздух может быть более сухим.
В этом случае если тёплый воздух очень сухой, то градиент влажности уменьшается, как в случае с холодным воздухом, и это спровоцирует выпадение осадков. Они достигнут поверхности Земли, если теплый воздух не впитает их по дороге.
Если же теплый воздух содержит в себе больше влаги, то градиент влажности не уменьшится и вода не покинет облако в виде осадков, но тёплый воздух, поскольку он более влагоёмок, начнёт впитывать в себя влагу из облака до тех пор, пока полностью его не испарит.

Разобрав общие вопросы теории, перейдём к исследованию частных случаев. Начнём с явления природы, именуемого циклоном.
----------------------------------------------------------------------------------------------------
Циклон — воздушная масса в виде атмосферного вихря огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Циклоны формируются над океанами и движутся на материки, где и заканчивают своё существование. Из статьи "Климат среднего Поволжья и Глобальное потепление." мы знаем, что такое направление их движения обусловлено градиентом влажности воздуха между океанами и материками. Чем больше градиент влажности тем большую мощность развивает циклон и тем больше его разрушительная сила. Поэтому, тропические циклоны гораздо мощнее циклонов средних широт.
Это понятно. Но вышеуказанный фактор определяет общее направление движения воздушных масс и ни как не отвечает на вопрос: почему воздушные массы закручиваются в вихрь?
Классическая горе-наука объясняет такое поведение атмосферы действием силы Кориолиса.
Но во-первых, сила Кориолиса действует только при движении в меридиональном направлении, а циклоны прекрасно закручиваются и при движении вдоль широт;
и во-вторых, принцип действия силы Кориолиса состоит в том, что она всего лишь отклоняет траекторию движения от прямолинейной, но ни при каких условиях не сможет создать вращательное движение атмосферного вихря.
Другими словами сила Кориолиса конечно вносит свою лепту в движение циклонов, но действие её состоит в том, что она только искривляет траекторию движения циклона из точки А в точку В. Природа же вращательного движения циклона совершенно другая.
Ранее мы выяснили, что частицы воды в облаке, из-за постоянного трения о восходящие потоки воздуха, накапливают заряд статического электричества. Двигаясь вместе с воздушными потоками относительно поверхности Земли, они движутся и относительно линий её магнитного поля. Как мы знаем из школьного курса физики, на заряженную частицу движущуюся в магнитном поле действует сила Лоренца
Действие этой силы и создаёт вращательное движение облачных масс.
Направление вращения циклонов определяется правилом левой руки, согласно которому циклоны в северном полушарии закручиваются против часовой стрелки, а в южном — против. Происходит это потому, что линии магнитного поля севернее экватора имеют нисходящее направление, а южнее экватора — восходящее.
В районе экватора линии магнитного поля параллельны поверхности Земли, поэтому на экваторе и вблизи него циклоны не образуются.
Необходимо понять, что сила Лоренца действует только на заряженные частицы воды внутри облака, поэтому когда мы видим, на фото из космоса, красиво закрученные облачные массы какого-нибудь урагана, это значит, что вращаются только облачные массы, а воздушные потоки, находящиеся под облаками, вплоть до поверхности Земли, не вращаются, а совершают поступательное движение из точки зарождения циклона в точку его затухания.

Говоря о циклоне, нельзя обойти вниманием то, что называется глазом урагана, или глазом бури (далее ГБ)
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Глаз бури — область прояснения и относительно тихой погоды в центре тропического циклона.
---------------------------------------------------------------------------------------------------
Горе-учёные естественно и понятия не имеют о природе образования ГБ, но мы уже кое-что знаем о нём, а именно то, что он образуется в результате кругового движения облачных масс, которое обусловлено действием силы Лоренца, а радиус ГБ напрямую зависит от её величины.
Это понятно, но ещё интереснее узнать: почему в потоке ураганного ветра вдруг образуется относительно небольшая область штилевой погоды?
Для этого мы должны вспомнить (или заглянуть в начало статьи), что происходит с воздушным потоком, когда он проходит сквозь облако? С ним происходит то, что он полностью лишается влаги и остывает. При этом он сохраняет высокую, несоразмерную высоте на которой он оказался, плотность, и полностью утрачивает подъёмную силу. Поэтому ему не остается ни чего другого как, обтекая облако с внешней стороны, устремляться вниз к Земле.
В случае с циклоном холодные и сухие массы воздуха стекают внутрь ГБ по его периметру, подобно водопаду. Получается, что именно эти нисходящие потоки сухого и холодного воздуха выступают неким барьером защищающим внутреннюю часть ГБ от ураганного ветра, бушующего в остальной части циклона.
Но какова физика этого явления?
Для того, что бы ответить на этот вопрос мы должны вспомнить: а что же заставляет циклонические массы устремляться с океана на сушу? Их заставляет это делать градиент влажности. Т.е. циклоны движутся оттуда, где в воздухе много влаги, туда где её мало. Там где её мало циклоны теряют свою силу. Но именно на границе глаза бури насыщенные влагой воздушные потоки сталкиваются с нисходящими потоками очень сухого воздуха, в результате чего и исчезает движущая сила воздушного потока. Исчезает, конечно же, в той его части, которая оказывается внутри ГБ.

И наконец, хотелось бы сказать о таком замечательном явлении как торнадо, или смерч. Теперь, разобравшись в природе циклонов можно с полной уверенностью сказать, что торнадо это близкий родственник циклона.
Судите сами: грозовое облако, из которого вылезает хобот торнадо, почти всегда совершает вращательное движение как циклон; а сам хобот торнадо это сильно суженный ГБ. В циклоне ГБ имеет радиус 20-30 км. Но ведь радиус ГБ определяется величиной силы Лоренца: чем больше сила, тем сильнее закручивается вихрь и тем меньше радиус.
Торнадо, как правило, образуются над материком недалеко от океана (моря), там где воздух ещё не потерял заряд океанической влаги, но где воздух нагревается сильнее из-за присутствия суши. Этот фактор многократно увеличивает градиент влажности, который приводит к увеличению скорости воздушных потоков внутри облака. Таким образом, вихревое движение с замкнутым циклом становится возможным на базе относительно небольшого облачного образования. В его середине, как и внутри громадного тропического циклона, возникает воздушная воронка с ГБ. Только теперь диаметр ГБ составляет уже не десятки километров, а десятки (максимум сотни) метров. В него, так же как и в тропическом циклоне, устремляется холодный и сухой воздух из верхней части облака. А поскольку отверстие в облаке маленькое, а количество воздуха вполне себе приличное (напоминаю: влажностный градиент возрастает, а значит возрастает скорость потока и расход воздуха), то скорость падающей струи холодного сухого воздуха увеличивается до такой степени, что она не только достаёт до поверхности Земли, не успев смешаться с теплым воздухом, но и подобно прессу припечатывает всё, над чем проходит торнадо. Со стороны это порой выглядит так, будто строения взрываются изнутри, потому, что поток воздуха, ударяясь о поверхность, разлетается в стороны.
Однако, далеко части разрушенных строений не успевают улететь, так как на встречу потоку холодного воздуха движутся, закручиваясь и устремляясь к центру торнадо, потоки теплого, насыщенного влагой, воздуха. Т.е. здесь возникает такой же как в облаке градиент влажности, только теперь он ориентирован не вертикально, как в облаке, а горизонтально, от периферии к центру. Так же как и в облаке, в зоне контакта теплых и холодных потоков воздуха происходит конденсация воды, благодаря чему мы и видим торнадо.

Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 15 comments