Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 84
Текст из файла (страница 84)
4.9 и 1!.10), Время от времени возникают ливни, охватывающие большие площади. Воздушная масса, первоначально состоявшая из тонкого слоя холодного воздуха, над которым располагался слой теплого сухого воздуха, войдя в зону пассатов, трансформируется в слой влажного овллкА и ослики 461 теплого воздуха. Эта масса поворачивает па север и образует теплый сектор во фронтальной зоне циклонов средних широт.
Таков периодический и сезонно изменяющийся механизм общей циркуляции атмосферы пад землей. Трудно переоценить важность циклонов при определении того, велики ли оседание и общая конвергенция в областях, где могут находиться коивективные облака; без этого пе может быть объяснено поведение конвективных облаков в любой части атмосферы. Поднимаясь сквозь устойчиво стратифицпровагпше окружение, конвективпые облака нагревают не только тот воздух, с которым опи перемешиваются, по и весь находящийся между шгми воздух, который оседает для компенсации пх подъема. Следовательно, воздух над узкой полосой моря может нагреваться за счет оседания, компенсирующего конвекцию над сушой, что препятствует образованию пад сушей подоблачной инверсии. Благодаря наличию скрытой теплоты конденсации у всех конвективпых облаков, воздух пад сушей в дневное время в среднем теплее, чем пад морем.
При этом каждое облако во время своего подъема создаст яозмущснис, которое вызывает опускание окружающего воздуха. Радиус области, в которой возникает такое движение воздуха, со временем растет, подобно тому, как понижение уровня поверхности воды следует за уходяшей лодкой, создающей поверхностную волну. Все волновые возмущения из области, где образуются кучевые облака, накладываются друг на друга, что вызывает оседания в соседних областях, где нет роста конвекции.
Волны перемешаются со скоростью, которая характерна для подветренных волн, но может быть и несколько выше (до 110 км/ч). Вечером, когда копвективные облака испаряются, воздушная масса, содержащая их, охлаждается, но (если днем выпал дождь) в меньшей степени, чем успела нагреться за день. Это охлаждение порождает расходящиеся волны, которые вызывают подъем воздуха над областью (например, над водой), где днем не было кучевых облаков (Скорер, 1955). Так, пад морем, окруженным сушей, вечером могут образовываться облака. Однако эти облака имеют башнеобразную форму и ведут свое происхождение не от термиков, рожденных пад теплым морем. Эти облака также никак не связаны с прибрежным бризом. Кучевые облака образуются в воздухе, в котором существует конвергенция, а за счет конденсации возникают восходящие течения.
Если у кривой зондирования атмосферы болыпий наклон, чем у влажной адиабаты, то из облака могут спонтанно расти термини. Такис кучевые облака бывают башнеобразными или хлопьевидпыми (барашкообразными); иногда они очень быстро испаряются из-за сухости окружающего воздуха (рис. 11.5.12). Пассатные облака часто имеют башнеобразную форму. Однако ГЛАВА И Рис. !Пбя2. Бишисобризиыс облики, выросшие из тоикик облаков, образовзи- иык конвергенцией и медлсииым вадъемом.
Когда зги обааиа очсиь быстро испаряются, ии иазыиают илаиьсаидиыии, они порождены не термикагии, поднимающимися из подоблачного слоя, а приобрели почти всю свою плавучесть за счет конденсации. Благодаря спутниковой фотографии в последние годы установлено, что облака появляются над узкими морями, такими, как восточная часть Средиземного моря, и присоединяются к конвективной облачности над окружающей сушей. Например, утренний туман движется через море от берега иногда со скоростью свыше 50 км/ч. Ветер и сдвиг ветра совместно со стратификацией изменяют путь, которым движутся волны.
(Например, из теории, приведенной в гл. 5, следует, что волны легче перемещаются против сдвига ветра, чем с ним.) 11.6. Динамика выпадения осадков Не будем здесь концентрировать свое внимание на деталях механизмов, благодаря которым большое количество облачных частиц (образовавшихся вследствие конденсации пара) объединяется в небольшое число крупных частиц. Размеры последних ОБЛАКА И ОСАДКИ варьируются в широких пределах: от частиц, которые падают со скоростью порядка 1 м/с, до градин величиной с грейпфрут, скорость которых даже несколько превышает самую большую из когда-либо замеренных в градовых штормах величину ЗО— 36 м/с. С начала 60-х годов термин «выпадение осадков» часто относили и к радиоактивным осадкам, так как в это время было проведено большое число ядерных взрывов в атмосфере.
Но даже тогда его использовали пе для обозначения радиоактивных осколков, выпадающих вблизи от эпицентра взрыва, а имели в виду гораздо меньшую сумарную массу очень мелких час~ни, переносимых в стратосферу искусственными термиками, образующимися в результате выделения ядерной энергии. Эти частицы пе выпадали па землю, так как они были слишком малы, чтобы иметь скорость падения, сравнимую со скоростью вертикальных движений воздуха. Почти все они из стратосферы вертикальными движениями переносились в тропосфсру. Оттуда этп частицы, как правило, весьма скоро попадали па землю с дождем; поэтому их выпадение носило, так сказать, «паразитический» характер.
Тем пе менее они выводились из атмосферы быстрее, чем этого можно было ожидать на основании неверных представлений о вертикальных движениях в стратосфере и предположения, что реальная скорость оседания радиоактивных частиц является наиболее важным фактором их движения. Здесь мы будем использовать термин «выпаденне осадков» для обозначения дождя, снега н т, п., т. е. для водяных частиц, которые имеют такую скорость падения, что влияют на атмосферные движения или внешний впд облаков.
Так, прп выпадении атмосферных осадков большое количество тепла выделяется вследствие конденсации в жидкую, а возможно, и в твердую фазы. Осадки могут вызвазь нисходящий поток, увеличивая вес воздуха, через который пролетают, и выхолаживая этот воздух за счет испарения в пего; они могут менять также внешний вид облаков. 11.6.1. Фронтальные осадки Чтобы промоделировать влияние веса частиц, можно проделать простой эксперимент с облачком воздушных пузырьков в воде.
Падающие капли создают нисходящий поток. Их вес и их конечная скорость складываются с соответствующими характеристиками воздушного потока. На фронте нисходящего потока частицы скапливаются; там опи попадают в медленно движущийся воздух. Это движение скорее похоже на термик или на образующуюся свободную струю с нисходящими потоками, распространяющиеся по бокам от фронта. На рпс. 11.6.1 глава и Рис. 11.6.1. Последовательиые колежских облака воздушных иузырьков, вы- вускаеиых из иалеиьких отверстий. показаны четыре последователш1ых положения облака воздушных пузырьков в воде. В первом положении они только появились из маленьких отверстий в дне резервуара, во втором — появились и всплывают последние пузырьки воздуха.
В четвертом положении достигнуто более или менее устойчивое состояппе, при котором пузырьки занимают торондальный объем (около оси их совсем мало), что похоже скорее па термнк. На рис. 11.6.2 показано, как облако пузырьков поднимается из слоя замутненной 1«облачной») воды в чистую воду; оно увлекает с собой замутненную воду, которая перемещается со скоростью подъема отдельных частиц. На этой стадии скорость подъема облака пузырьков в 2 —:3 раза больше скорости подъема отдельных частиц.
ОБЛАКА И ОСАДКИ Рис. 11.6.2. Захват зкидкости, иаходишейск за облаком воздушных иузырьков, иодиимшошихсд из замутненной части воды в резсрвуаре. Облако вызывает в ноле даижеиис, оозожсе ва движение. ожлаваемое терииком. ио от-делками частицы за обтаком аодиимаимск а воле со скороствж, в тизл раза макашов скорости солками облака. При большой интенсивности осадков, скажем 5 см/ч, которая обычно поддерживается только несколько минут даже в очень сильных ливиях, при скорости падения частиц — !2 и/с (из которых 8 и/с — относительная скорость падения 'капель, а 4 м(с— скорость движения нисходящего потока), в кубическом метре воздуха находится только около ! г воды, что эквиваленттта выхолаживанию воздуха приблизительно на О,З'С.
На основании этих данных можно представить себе ситуацию, при которой содержание воды в воздухе может быть эквивалентно охлаждению на ! С. Эта величина такого же порядка, как и содержание воды в плотном облаке. С другой стороны, в интенсивном облаке на одном уровне сушествует разность температур -2 —:3'С; поэтому, ' возможно, влажная адиабата для ГЛАВА П поднимающейся частицы отличается от температуры, полученной при зондировании, на ту же величину. Важным эффектом выпадения дождя, особенно когда он состоит из не очень больших капель, является выхолаживание воздуха под облаком за счет испарения капель до температуры влажного термометра.
Это выхолаживание растет от нуля в основании облака до 4'С на ! км выше, если воздух под облаком имеет одинаковое отношение смеси. При меньшей влажности выхолаживание может доходить до 1О'С, и, следовательно, испарение может оказывать значительно более сильное влияние, чем вес движущихся капель. К тому же нисходящий поток холодного воздуха будет вытекать вдоль подстилающей поверхности из зоны дождя и тем самым будет продолжать осушать воздух в зоне дождя. Такие потоки из зоны шторма имеют много общего с фронтами морского бриза (см. равд. 9.9). Их можно наблюдать с помощью радиолокатора благодаря разрыву в температуре, а иногда благодаря тому, что в восходящем потоке перед фронтом парят птицы, так как в теплом воздухе перед пим находится много насекомых. Такис потоки образуют и самумы, в которых холодный воздух перемешивается с песком вследствие интенсивной конвекции над горячей пустыней и сильного ветра.
С другой стороны, поток из ливня иад морем может подавить конвекцию, достигшую уровня конденсации, за несколько минут. Таким образом, сразу после испарения ливневых облаков вокруг их последнего местоположения может образоваться область ясного неба.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
