Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх (напомним рис. !.29). Интенсивный подъем воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облакообразованию — возникают облака циклонического происхождения.
Это могут быть слоисто-дождевые, высоко- слоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона. Физика образования кучевого облака Остановимся немного подробнее на физике процессов, приводящих к образованию кучевого облака конвективного происхождения. Для объяснения процессов обратимся к рис. 2.16. На нем представлены (сугубо качественно) три зависимости температуры воздуха от высоты.
Зависимость 1 относится к воздуху, окружающему облако (он не участвует в образовании облака). Падение температуры этого воздуха с высотой отражает естественный ход температурной кривой в пределах тропосферы. 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. Но в действительности вверх поднимается не сухой, а влажный воздух.
В результате его охлаждения содержащийся в нем водяной пар будет конденсироваться, начиная с высоты О, фиксирующей нижнюю границу облака. При конденсации пара вьшеляется теплота парообразования и притом значительная. Это приводит к тому, что температура поднимающегося влажного воздуха будет понижаться с высотой медленнее, чем даже температура неподвижного воздуха; она представлена температурной кривой 3 на рис.
2.16. 158 Глава 2 Фазовые переходы в атмосфере Данное обстоятельство весьма важно. Благодаря выделению теплоты парообразования при конденсации пара температура поднимающегося воздуха понижается, оставаясь в то же время выше температуры окружающего облако неподвижного воздуха. Тот факт, что охлазкдающийся воздух остается более нагретым, чем окружающая среда, способствует продолжению подъема.
В результате и происходит существенное развитие облака в вертикальном направлении. и л $ а о л а а о с Е Н, Н, Высота Рнс. 2.17 Рнс. 2.16 Конечно, такое развитие не может продолжаться неограниченно. По мере того как происходит конденсация паров, воздух становится все менее влажным. Поэтому зависимость 3 уже не реализуется— температура начинает падать с высотой в соответствии с штриховой кривой на рис. 2.16.
На некоторой высоте Н, температура поднимающегося воздуха сравняется с температурой неподвижного воздуха. По инерции воздушная масса будет еще некоторое время подниматься и достигнет высоты Н„соответствующей верхней границе облака (уровню свободной конвекции). В результате вертикальное развитие облака прекратится.
Охладившиеся массы воздуха, отдавшего облаку свою влагу, начинают растекаться в стороны и опускаться вниз вокруг кучевого облака, создавая характерную для таких облаков форму (рис. 2.17). Микрофизика облаков Различают микрофизику и макрофизику облаков. Макро4изика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микротризика рас- 24. Образование обвакое и выведение осадков 159 сматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения отдельных облачных частиц.
В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков. Как уже отмечалось, облака могут состоять из капель воды, ледяных кристаллов, а также одновременно из капель и кристаллов (смешанные облака). Обратим внимание на то, что капельные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (вплоть до — 30'С) — это лереохлажденные водяные облака. Например, при температуре воздуха в облаке — 10 С относительная повторяемость чисто капельного состава составляет 50% (т. е.
чисто капельный состав наблюдают в 50% случаев), чисто кристаллического состава — 20 %, смешанного состава — 30 %. Из рис. 2.! 8 можно определить относительную повторяемость того или иного состава при разных температурах. Здесь область, заштрихованная горизонтально — это область водяных облаков, заштрихованная вертикально — кристаллических облаков, незаштрихованная — смешанных облаков.
-20 — 0 0 0 Т,'С -30 Рис. 2.18 Ограничимся рассмотрением только водяных капель в облаке (будем полагать, что температура воздуха в нем заведомо выше 0 'С). Капли в облаке имеют диаметр от долей микрометра до нескольких миллиметров. Как бы ни мала была капля, она все же существенно тяжелее воздуха. Возникает естественный вопрос: каким образом 160 Глава 2. Фазовые переходы в атмосфере 4 з яг РоХ. 3 (2.10) Под действием силы тяжести капля начинает падать вниз, ее скорость начинает расти. Одновременно возникает и начинает расти действуюшая иа каплю сила сопротивления воздуха Р.
Оиа направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли в [формула Стокса; названа по имени английского физика и математика Джорджа Стокса (1819 — 1903)]: Р = бяг)го. (2.11) водяные капли (и облако в целом) удерживаются в воздухе? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают иа землю в виде дождя? Начнем с наиболее мелких капель, диаметр которых составляет доли микрометра. Таким каплям ие дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находяшихся в хаотическом тепловом движении.
Эти удары вынуждают каплю отскакивать в самых различных направлениях; в итоге оиа движется по причудливо изломанной траектории. Такое движение называют броуновским— по имени английского ботаника Роберта Брауна (1773 — 1858), открывшего его в 1827 г. Броуи наблюдал в микроскоп движение цветочной пыльцы размерами около 1 мкм, взвешенной в воде. Интенсивность броуновского движения ие изменяется со временем, ио возрастает с увеличением температуры среды и уменьшением наблюдаемых частиц иезависимо от их химической природы.
Чем массивиее капля воды, тем труднее молекулам воздуха отбросить ее и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения и тем больше влияние земного притяжения. Когда диаметр капли становится заметно больше микрометра, ее движение перестает быть броуиовским; капля начинает падать под действием силы тяжести. И тогда вступает в игру новый фактор, препятствуюший падению капли — сонротивление воздушной среды.
Представим себе, что в какой-то момент времени в некоторой точке облака образовалась капля радиусом г (пусть, например, г = 10 мкм). В этот момент на каплю действует только сила тяжести Р (архимедовой силой в воздухе можно пренебречь). Если рв — плотность воды, я — ускорение свободного падения, то 2.4. Образование облаков и винвдение осадков 161 Здесь з) — коэффициент внутреннего трения, или вязкость среды (в данном случае воздуха). По мере возрастания силы сопротивления Г уменьшается разность (Р— Г), поэтому скорость падающей капли нарастает все медленнее.
Когда сила сопротивления воздуха сравняется по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекратится, и капля продолжит падение с постоянной скоростью. Установившаяся скорость о„равномерного движения капли определяется из условия Р— Р = О. Подставляя сюда (2.10) и (2.11), находим 2 гз уст 9 Он ч (2.12) Обратим внимание на то, что скорость оу не зависит от высоты, на которой образовалась капля; падающую каплю можно сравнить с падающим парашютистом. В отличие от парашютиста, равномерно падающая капля, ввиду ее малости, может быть остановлена и даже подброшена вверх восходящим потоком воздуха, если вертикальная составляющая скорости потока больше скорости капли.
Задача В облаке существует восходящий вертикальный воздушный поток, имеющий скорость о = 0,1 м/с. Будет ли падать вниз капля воды радиусом 1О мкм? Тот же вопрос относится к капле радиусом 50 мкм. Вязкость воздуха принять равной 1,8 1О-' кг/(м с). Используя формулу (2.12), находим скорости равномерного падения заданных капель. Для капли радиусом г = 1О мкм получаем о = 0,012 м/с, адля капли радиусом г= 50 мкм получаем о =0,3 м/с. Сравнивая эти значения с оь, заключаем, что первая кайля должна удерживаться в облаке, а вторая должна выпадать из него.
Заметим, что, хотя вторая капля из рассмотренной задачи должна падать, это еше не означает, что она обязательно достигнет поверхности земли. В процессе падения капля может испариться. Это надо учитывать как еще один фактор, препятствующий опусканию облака на землю. Образовавшийся в результате испарения пар поднимется вверх и снова сконденсируется.
Как видим, совсем не просто ответить на вопрос, почему облако не падает на землю. Надо учитывать многое: тепловое двизкение молекул воздуха, сопротивление воздуха, испарение капель. Надо прини- 162 Глава 2 Фазовые аереходы в атмосфере мать во внимание и другие факторы. Так, с увеличением радиуса капли сила сопротивления воздуха начинает играть все более существенную роль из-за того, что относительно большие капли (радиусом г > 100 мкм) при своем падении вызывают турбулентные движения в воздушной среде. Надо учитывать также, что в процессе падения размеры капли не сохраняются: наряду с испарением происходит дополнительная конделсаиия пара на поверхности капли, увеличивающая ее радиус. Возможно также слияние данной капли с другими. Конденсация пара и коагуляция (слияние) капель — два процесса, приводящие к росту падающих капель и способствующие падению капель на земную поверхность.
Впрочем, увеличение капли не обязательно обеспечивает достижение ею земли. Как показывают наблюдения, капли радиусом больше 2 — 3 мм не встречаются; при существенном увеличении размеров капля сплюшивается в падении и разбивается на более мелкие капли, а те могут испариться или подняться вверх в воздушном потоке. Физика выпадения осадков из облаков По сути дела, разговор о выпадении осадков из облаков был начат в предыдущем пункте — при обсуждении микрофизики облаков. Прежде всего отметим, что в зависимости от структуры облаков и механизма их развития различают обложные, моросящие и ливневые осадки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
