Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Разумеется, эти объемы показаны приблизительно. Туча развивается Туча созрела Туча разрутается , 10 х и о й 3 т 1 0 Рис. 3.9 На этапе начального развития (позиция )) наблюдаются мощные восходящие потоки воздуха под облаком и внутри него. Содержашиеся в воздушных восходящих потоках водяные пары, начиная с высоты Н (уровня конденсации) начинают конденсироваться. Процесс конденсации продолжается при дальнейшем подъеме воздушных 3.3.
Грозовое облако 215 масс, вследствие чего облако быстро растет в высоту. По мере подъема скорость восходящих потоков внутри облака возрастает. Обратим внимание на приток с боков холодного воздуха, окружающего облако (рассматривая ранее физику образования кучевого облака, мы пренебрегали боковым притоком воздуха).
Впрочем, все это совершается в вышине, а земной наблюдатель видит лишь постепенно разрастающееся и приобретающее все более темный цвет облако и, кроме того, ощущает горизонтальные потоки ветра. Это приповерхностный воздух устремляется под тучу — в область пониженного давления, образовавшуюся в результате подъема воздушных масс.
Если под формирующуюся тучу проникнет откуда- нибудь с водоема холодный воздух, то будет происходить некоторое охлаждение начавших подниматься вверх влажных воздушных масс — в результате может возникнуть легкая туманная дымка. Помните у Тургенева: «...Внезапный туман разлился в воздухе»? Мощные восходящие потоки воздуха (значительно более мощные, чем в случае обычного кучевого облака) обусловливают сильный рост грозового облака в высоту. Верхняя граница облака оказывается на высоте 10 — 15 км; она может достигать 20 км. На таких высотах восходящие воздушные потоки постепенно затухают.
Там образуются скопления ледяных кристаллов, которые начинают надать сквозь облако вниз, увлекая за собой некоторое количество холодного воздуха. Нисходящий холодный воздушный поток, выходя из облака, мощно ударяет по поверхности земли («Тучи громовой громада сильным холодом дохнула») — появляется сильный порывистый приповерхностный ветер с пылевыми вихрями. Одновременно из облака начинаются интенсивные осадки. Важно отметить, что возникший у вершины грозового облака нисходящий поток холодного воздуха, попадая в нижние «этажи» облака, не затухает, а напротив, усиливается.
Таким образом, наблюдается довольно сложная картина — наряду с восходящими потоками воздуха, нагретого у поверхности земли, существуют нисходящие потоки воздуха, охладившегося в верхней части облака. Такая картина соответствует созревшему грозовому облаку (позиция 2 на рис. 3.9). Падающие вниз сквозь грозовое облако воздушные массы, вызывая ливень и, возможно, град, гасят встречные восходящие потоки воздуха. А это означает, что грозовое облако начинает разрушаться— вслед за этапом зрелости быстро наступает этап разрушения тучи 216 Глава 3.
Электричество в атмосфере (позиция 3 иа рис. 3.9). Теперь внутри грозового облака существуют только нисходящие воздушные потоки. Постепенно деятельность ветра прекращается, дождь стихает. Туча буквально иа глазах «худеет», ее вершина вытягивается по иаправлемию ветра, напоминая наковальню. Заметим, что разделение жизни грозового облака иа этапы является вполне четким. На этапе начального развития в облаке наблюдаются лишь восходящие воздушные потоки, притом достаточно мощные. На этапе зрелости наряду с восходящими возникают также нисходящие потоки воздуха, вызывающие бурное выпадение осадков. Наконец, на этапе разрушения восходящие воздушные потоки вообще прекращаются, а нисходящие потоки доводят процесс разрушения тучи до конца.
Объяснение динамики воздушных потоков в грозовон облаке Почему в формирующемся грозовом облаке возникают мощные восходящие воздушные потоки, обеспечивающие сильное развитие облака в высоту? Почему нисходящие воздушные потоки в зрелом грозовом облаке, возникнув, далее уже ие прекращаются, а усиливаются? На первый вопрос мы фактически уже ответили ранее, рассматривая образование обычного кучевого облака. Напомним, в чем туг дело. Поднимаясь от нагретой земной поверхности, воздух адиабатно расширяется и потому охлаждается. Охлаждение приводит к коидеисации водяных паров, начинающейся с некоторой высоты Н, определяющей нижнюю границу облака. Благодаря выделяющейся при конденсации теплоте парообраэованин воздух в облаке несколько разогревается и оказывается более теплым, а значит, и более легким, чем воздух иа данной высоте вокруг облака.
В результате восходящий воздушный поток внутри облака ие прекращается, а напротив, усиливается, обусловливая вертикальное развитие облака. В грозовом облаке конденсация паров идет интенсивнее, чем в обычном кучевом облаке. Ведь приповерхиостный воздух был сильнее натрет и сильнее иасышеи влагой. В результате восходящие потоки в грозовом облаке оказываются значительно более мощиыми, и высота грозового облака в несколько раз превышает высоту обычного кучевого облака. 3.3.
Грозовое облако 217 Естественно, что по мере увеличения высоты облака все более валеным становится приток в него бокового холодного воздуха. Этот воздух перемешивается с поднимающимся вверх сравнительно теплым воздухом внутри облака, охлаждает его и тем самым затормаживает дальнейший рост облака. При рассмотрении кучевого облака можно было пренебречь притоком холодного воздуха, учитывая, что обычное кучевое облако развивается в высоту не более, чем на 4 — 5 км.
Понятно, что в случае грозового облака указанный приток холодного воздуха становится принципиально важным. Он приводит не только к прекращению на больших высотах (более 1О км) восходящих потоков, но и обеспечивает существование нисходящих потоков, зарождающихся в вершине облака. Иными словами, именно в учете притока бокового холодного воздуха содержится, в конечном счете, ответ на второй из поставленных выше вопросов. л х !Я с Е Ф ы Высота Рис. 3.10 Сделанные замечания поясним при помощи рис. 3.10.
Аналогичный рисунок для кучевого облака был приведен в разд. 2.4 (напомним рис. 2.16). Температурные кривые 1, 2, 3 на рис. 3.10 имеют тот же смысл, что и соответствующие кривые на рис. 2.16. Кривая 1 представляет уменьшение с высотой температуры неподвижного воздуха, т. е. воздуха, окружающего облако, кривая 2 — уменьшение с высотой температуры поднимающегося сухого воздуха, т. е. воздуха, в котором нет водяных паров и, значит, нет конденсации, кривая 3 — уменьшение с высотой температуры поднимающегося влажного воздуха с учетом конденсации паров, которая начинается с высоты Н.
Кроме того, на рис. 3.10 имеются кривые, отсутствовавшие на рис. 2.16. 218 Глава 3. Электричество в атмосфере Речь идет о температурных кривых 4 и 5. Кривая 4 (пунктирная) представляет уменьшение с высотой температуры поднимающегося вверх влажного воздуха, в который все время добавлнетсн холодный боковой воздух.
Приток холодного воздуха заметно уменьшает температуру восходящего воздушного потока — поэтому кривая 4 идет ниже кривой 3. Предположим, что на некоторой высоте (точка А на рис. 3.10) зародился нисходящий воздушный поток; его температура будет возрастать по мере уменьшения высоты, следуя кривой 5.
На всех высотах кривая 5 равноотстоит от кривой 3. Как видно из рисунка, в некоторой точке В кривая 5 пересечется с кривой 1. После этого падающая вниз воздушная масса оказывается холоднее воздуха, окрухсающего облако, и дальнейшее ее падение становится неотвратимым. Электризация грозового облака Настало время поговорить о том, как происходит разделение электрических зарядов в грозовом облаке. Почему в верхней части облака накапливаются положительные заряды, а в нижней части отрицательные? Общая точка зрения на этот счет такова. В воздушных потоках внутри облака неизбежны процессы дробления как водяных капель, так и кристаллов льда.
При этом более мелкие (а значит, и более легкие) капли и кристаллы заряжаются, как правило, положительно, а более крупные (более тяжелые) — отрицательно. Восходящие воздушные потоки поднимают к вершине облака главным образом мелкие частицы и тем самым заряжают верхнюю часть облака положительно. Крупные же частицы падают к основанию облака, заряжая его нихснюю часть отрицательно.
Попробуем понять, почему мелкие водяные капли заряжаются положительно, а крупные отрицательно. В каждой капле происходит диссоциация некоторой части молекул Н О на ионы ОН и Н+. Энергия, высвобождающаяся при конденсации водяного пара в каплю воды, может частично расходоваться на то, чтобы вырвать из капли некоторое количество ионов Н'. Таким образом, можно себе представить, что вокруг капли образуется «облако» ионов Н», а сама капля оказывается при этом заряженной отрицательно. Чем крупнее капля, тем больше около нее ионов Н' и соответственно тем больше отрицательный заряд капли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
