Характеристика семейства облаков вертикального развития.

Облака вертикального развития имеют вид отдельных плотных облачных масс, сильно развитых по вертикали. Их основание обычно располагается в нижнем ярусе, а вершина иногда в среднем и даже верхнем ярусе облаков. Один из отличительных признаков: вершины облаков всегда ослепительно белого цвета, а основание белого, сероватого или темно-серого цвета. КУЧЕВЫЕ ОБЛАКА (Cumulus, Cu) Плотные, развитые по вертикали, облака с белыми куполообразными или кучевообразными вершинами и с плоским сероватым или синеватым основанием. Обычно кучевые облака имеют резкие очертания, но при сильном порывистом ветре края их могут быть разорванными. Виды и разновидности:1. Кучевые средние облака (Cumulus mediocris, Cu med) Оно плотное, с четкими контурами, вздымается в небо куполами и башнями. Верхняя его часть иногда кажется вздутой и выпуклой, напоминая цветную капусту.

2. Кучевые плоские облака (Cumulus humilis, Cu hum изменчивые облака. Внешне они похожи на овечек или куски ваты, разбросанные по небу. Плоские кучевые - довольно плотные облака с четкими горизонтальными основаниями, мало развитыми по вертикали. 3. Кучевые мощные облака (Cumulus congestus, Cu cong) Узкие, вытянутые башни этого облака возвышаются на 3000-4000 метров и больше над уровнем конденсации. В тропических районах и даже в умереных широтах летом, особеннно если облака сформировались в массах морского воздуха, кучевое мощное облако может дать локализованные кратковременные сильные осадки. Разновидность: мощные кучевые облака с шапочкой (Cumulus congestus pileus, Cu cong. pil.) КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА (Cumulonimbus, Cb)

Кучево-дождевые вершинами достигают высоты перистые облаков (6-10 км), походят на горы или высокие башни. Темное основание лежит на высоте 0.5 км, а вершины ярко-белые. Эти облака разрастаются по вертикали намного больше чем кучевые облака хорошей погоды. Виды: 1. "Лысые" (Cumulonimbus calvus, Cu calv.).2. "Волосатые" (Cumulonimbus capillatus, Cb cap.). 3.С наковальней (Cumulonimbus incus, Cb inc.)4.Плоские (Cumulonimbus humilis, Cb hum.)

2. Конденсация водяного пара в атмосфере. Ядра конденсации. Роса. Гололед. Изморозь.

Водяной пар, находящийся в атмосфере, при определенных условиях конденсируется, то есть переходит в жидкое состояние. При этом выделяется теплота, которая была затрачена на испарение. Одним из условий начала конденсации является охлаждение воздуха. Ядрами конденсации являются некоторые из твердых и жидких частичек, взвешенных в воздухе. В нижних слоях атмосферы постоянно содержится несколько тысяч ядер конденсации в 1 см куб. воздуха. Продукты конденсации водяного пара в атмосфере называются гидрометеорами. Наземными гидрометеорами является роса, иней, изморось, а также гололед и туман. Роса – мелкие капли воды, образующиеся на поверхности почвы, на растениях и на других предметах при температуре точки росы выше 0°С. Роса образуется вследствие радиационного охлаждения деятельной поверхности в ясные тихие ночи, когда температура поверхности и прилегающего к ней воздуха опускается до точки росы и сконденсировавшийся пар выделяется на поверхности в виде капелек воды. Гололед – плотный стекловидный лед, который образуется на земле в результате намерзания частиц осадков. Наблюдается при соприкосновении с поверхностью, которая имеет минусовую температуру от 0 до -15°. Белый кристаллический осадок, который состоит из мелких тонкострунных блестящих частиц льда, называется кристаллическая изморозь. Появляется в результате преобразования содержащегося в воздухе водяного пара на деревьях и проводах в виде пушистых гирлянд, которые легко осыпаются при встряхивании.

Экзаменационный билет № 7

1. Коагуляционный рост капель: броуновская, турбулентная, электрическая, гравитационная коагуляция.

Коагуляционный рост капель обусловлен соударе­нием капель друг с другом, в результате чего происходит их слияние (коагуляция). Слияние мельчайших капелек происхо­дит в результате молекулярно-тепловых (броуновских) движе­ний, а также турбулентного перемешивания. Скорость (т.е. изменение числа капель за единицу времени) броуновской и градиентной коагуляции дается выражениями , ,где n – число капель радиусом r в 1 см³ монодисперсного облака; w – вертикальная скорость; k – постоянная Больцмана; η – коэффициент молекулярной вязкости. Оценка по последним соотношениям показывает, что роль броуновской и градиентной коагуляции ничтожно мала по сравнению с гравитационной. Коагуляция облачных элементов происходит также под влия­нием электрических сил – электрическая коагуляция. Одноименно заряженные капли от­талкиваются и их слияние затрудняется, а разноименно заря­женные капли притягиваются и их слияние становится более вероятным. На гидродинамическую коагуляцию, обусловленную взаимодействием полей скорости движущихся. , (3.1)где v – скорость падения частиц; ρ – плотность среды (воздуха); r_1-2 – расстояние между центрами частиц. Коагуляция в облаках происходит также в результате не­одинаковой скорости падения капель разного размера. Крупные капли под дей­ствием силы тяжести падают с большей скоростью, чем мел­кие. Поэтому большие капли могут догонять более мелкие, сталкиваться и сливаться с ними. Такая коагуляция называ­ется гравитационной. Именно гравитационная коагуляция иг­рает главную роль в укрупнении облачных элементов и образовании капель дождя.Гравитационная коагуляция начинается при достижении каплями радиуса около 0.015 мм и вначале идет очень медленно. С увеличением размера капель скорость коагуляции растет и для капель радиусом более 0.03 мм ста­новится уже существенной. Гравитационная коагуляция очень важна и для роста ледяных частиц в облаках.

2. Холодный фронт 2-го рода и связанная с ним система облаков.

Холодный фронт второго рода – быстро движущийся хо­лодный фронт. Теплый воздух, натыкаясь на быстро движущий­ся и обладающий относительно большим углом наклона клин холодного воздуха, поднимается вверх не плавно, а неупорядо­ченно, «порциями», в результате чего образуется конвективная облачность. Важную роль при этом играет неустойчивость воз­душной массы, что благоприятствует развитию конвективных движений. Полоса наиболее мощных облаков и осадков распола­гается непосредственно перед линией фронта. Основной формой облаков в облачной системе холодного фронта второго рода являются кучево-дождевые. Если Сb перед холодным фронтом раз­виваются очень интенсивно, то их прохождение сопровождается усилением ветра, шквалами, ливнями, грозами.

Экзаменационный билет № 8

1. Классификация осадков. Микроструктура и характерные размеры различных видов осадков.

Атмосферными осадками называют капли воды и кристаллы льда, выпадающие из атмосферы на земную поверхность. Коли­чество осадков измеряют высотой слоя воды в миллиметрах.

Твердые осадки: 1. Снег– ледяные или снежные кристаллы (снежинки). 2. Снежная крупа – непрозрачные сферические снегоподоб­ные крупинки белого или матово-белого цвета. 3. Снежные зерна – непрозрачные матово-белые палочки или крупинки. 4. Ледяная крупа – ледяные прозрачные крупинки, в цен­тре которых имеется непрозрачное ядро. 5. Ледяной дождь – прозрачные ледяные шарики. 6. Град – кусочки льда различных форм и размеров.

Жидкие осадки: 7. Дождь – капли диаметром от 0.5 до 7.0 мм. 8. Морось – капли диаметром 0.05–0.5 мм.

Смешанные осадки:: 9. Мокрый снег – тающий снег или смесь снега с дождем.
Обложные осадки выпадают обычно из системы фрон­тальных слоисто-дождевых и высокослоистых облаков, а иногда и из слоисто-кучевых облаков. Охватывают большие площади и могут продолжаться в течение нескольких часов и даже десятков часов. Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков. Они отличаются внезапностью начала и конца выпадения, резкими колебаниями интенсивности и сравнительно малой про­должительностью. Обычно они охватывают небольшую пло­щадь. Моросящие осадки выпадают из слоистых и изредка из слоисто-кучевых облаков. Это может быть морось, мельчайшие снежинки пли снежные зерна. Интенсивность моросящих осадков очень мала.

По синоптическим условиям: Внутримассовые осадки образуются внутри однородных воздушных масс. Фронтальные осадки связаны с прохождением фронтов. Для теплого фронта типичны обложные осадки, для холодного фронта – ливневые, но при прохождении холодного фронта первого рода осадки, имеющие вначале ливневой характер, переходят в обложные.

3. Теплый фронт и связанная с ним система облаков.

Теплым фронтом называется поверхность раздела двух воз­душных масс в том случае, если она перемещается в сторону хо­лодного воздуха. Прохождение теплого фронта характеризуется, как правило, пасмурной погодой, усилением ветра, продолжи­тельными обложными осадками.

Так как поверхность теплого фронта очень пологая, то подъем теплого воздуха происходит довольно медленно, упо­рядоченно, благодаря чему возникает облачность слоистообразных форм. Эта система облаков располагается перед линией фронта, ее ширина достигает 600–800 км.

Самая мощная ее часть находится вблизи линии фронта и пред­ставляет собой слоисто-дождевые облака толщиной в несколько ки­лометров. По мере удаления от линии фронта эти облака сменяются менее мощными высокослоистыми облаками, а затем – перисто-сло­истыми. На расстоянии многих сотен километров от линии фронта уже наблюдаются гряды перистых облаков, толщина которых в сред­нем составляет около 2 км. Однако плотность их невелика и сквозь них просматриваются голубое небо, звезды.

Для типичной системы облаков теплого фронта характерна достаточно четкая последовательность смены форм облаков во времени и пространстве.

Облака верхнего яруса Ci (часто Ci unc.) и Cs системы теплого фронта появляются первыми на расстоянии 800–1000 км перед линией фронта.

В дальнейшем, по мере приближения линии фронта к месту наблюдения, Cs сменяются As, из которых по мере уплотнения начинают выпадать осадки. Летом осадки из As испаряются в воздухе, не достигая поверхности земли. Сни­жаясь, As переходят в Ns, что происходит на расстоянии 300–400 км от линии фронта. При осадках под Ns зачастую об­разуются низкие Frnb, сначала в виде отдельных облаков, а за­тем и в виде почти сплошного слоя.

Летом фронтальные облака Ns местами могут переходить в Cb, a As – в Ас. Если теплый воздух достаточно сухой и восходя­щие движения слабо развиты, вся фронтальная система может выродиться в одну гряду высоких облаков. В стадии формирования, как и в стадии распада, фронтальная система характеризуется облаками верхнего и среднего ярусов.

Мезосистемы облаков в пределах макросистемы теплого фронта наблюдаются чаще всего в следующих случаях.

1. В передней ее части в виде гряд (полос) Ci и Cs, отделенных участком ясного (малооблачного) неба от основного массива. В такой гряде по мере прохождения ее через пункт наблюдения происходит сначала увеличение и уплотнение облачности, а за­тем уменьшение и утончение облачности. Ясное (малооблачное) небо, появляющееся после прохождения этой мезосистемы, мо­жет сохраняться в пункте наблюдения несколько часов.

2. В зоне наибольшего паде­ния давления, на расстоянии 100–300 км от линии фрон­та. При этом наблюдается следующая фронтальная последовательность смены форм: тонкие As быстро переходят в плотные As, затем появляются низкие Ns, с которыми связаны и наибо­лее интенсивные осадки. Вскоре высота облаков резко увеличи­вается. Создается впечатление, что фронт уже прошел, однако основная зона облаков, связанная с линией фронта, приходит не­сколько позднее. Иногда система облаков теплого фронта (на от­дельных участках) состоит из двух-трех таких более плотных параллельных полос.

Появление облаков Сb на теплом фронте в летнее время по су­ществу также означает появление мезосистемы, которая может сопровождаться и грозами, и ливнями.

Таким образом, макросистема облаков теплого фронта может включать несколько мезосистем, в каждой из которых наблюда­ется своя последовательность изменения количества и высоты облаков, нарушающая типичную фронтальную последователь­ность. Единой облачной системы, представляемой на типичных схемах, т. е. с постепенным увеличением облачности и снижени­ем высоты облаков к линии фронта, в этих случаях не наблюдает­ся. В мезосистемах преобладают переходные формы облаков в результате действия процессов различного масштаба и различ­ной активности.

Экзаменационный билет № 9

1. Процессы укрупнения облачных элементов.

Облачные элементы превращаются в осадки тогда, когда становятся настолько тяжелыми, что сопротивление воздуха и его восходящие движения не могут удерживать их во взвешенном состоянии. Для этого они должны увеличиться настолько, чтобы скорость их падения превысила скорость восходящих потоков воздуха и чтобы по пути от облака до поверхности земли они не успели испариться. Если выпавшие из облака осадки испаряются, не достигнув поверхности земли, то под облаком можно наблюдать полосы падения (virga).

Обязательным условием выпадения осадков из облака является укрупнение облачных элементов. Основными процессами, вызывающими их укрупнение, являются конденсация (или сублимация) на них водяного пара и коагуляция, т.е. слияние капель или сцепление кристаллов при соударении.

Конденсационный рост облачных элементов. Рост облачных капель радиусом менее 0.01 мм за счет конденсации на них водяного пара сначала происходит довольно быстро: за несколько секунд их радиус увеличивается в 2–3 раза. Но с увеличением радиуса капли скорость ее дальнейшего конденсационного роста при данном перенасыщении пара в окружающем пространстве резко падает. Для образования капель ра­диусом более 0.1 мм при пересыщениях, реально встречаю­щихся в облаках, потребовалось бы длительное время (десятки часов), в течение которого не только меняются все условия в облаке, но и само оно может рассеяться.

В облаках, состоящих из капель разных размеров, конден­сационный рост происходит более интенсивно, чем в облаках, состоящих из одинаковых капель. Это объясняется различием давлений насыщенного пара над мелкими и крупными кап­лями, вызванным неодинаковой кривизной их поверхности. В таких облаках мелкие капли испаряются, а на крупных во­дяной пар конденсируется, т. е. происходит перенос пара с мел­ких капель на крупные.

Так как конденсационный рост капель с увеличением их радиуса замедляется, то в течение нескольких часов в облаках образуются лишь сравнительно мелкие капли почти одина­кового размера. Таким образом, при конденсационном росте капли не могут вырасти до размера дождевых.

Сублимационный рост кристаллов. В смешанных облаках, состоящих из водяных капель и ле­дяных кристаллов, разность давлений насыщенного пара над кристаллами и каплями больше соответствующей разности над каплями разных размеров в чисто водяных облаках. Поэтому в таких облаках перенос водяного пара с капель на кристаллы происходит в несколько десятков раз интенсивнее, т. е. имеет место сублимационный рост кристаллов. Облачные же капли при этом могут даже полностью испариться, а твердые эле­менты облака будут расти за счет испарения жидких. В этом случае создаются благоприятные условия для укрупнения об­лачных элементов и образования осадков. Наиболее интенси­вен этот процесс при температуре –12°С, когда разность дав­лений насыщенного пара над переохлажденной водой и льдом наибольшая. Например, в плотных водяных облаках одна ледяная частица примерно за 10 мин может поглотить все жид­кие капли, содержащиеся в 1 см³ облака. Так могут вырасти очень крупные кристаллы – снежинки. При температурах ниже и выше –12°С процесс переноса водяного пара с капель на кристаллы происходит медленнее, чем при –12°С, но все же и он приводит к образованию крупных снежинок, выпадающих из облака.

Коагуляционный рост капель обусловлен соударе­нием капель друг с другом, в результате чего происходит их слияние (коагуляция). Слияние мельчайших капелек происхо­дит в результате молекулярно-тепловых (броуновских) движе­ний, а также турбулентного перемешивания. Однако, как пока­зали расчеты, броуновская и турбулентная коагуляция вызы­вает укрупнение только самых мелких облачных капель, но не может привести к образованию капель, способных выпадать из облака.

М. Смолуховский исследовал броуновскую и т.н. градиентную коагуляцию (последняя возникает вследствие градиента скорости вертикального или горизонтального движения). Скорость (т.е. изменение числа капель за единицу времени) броуновской и градиентной коагуляции дается выражениями

,

,

где n – число капель радиусом r в 1 см³ монодисперсного облака; w – вертикальная скорость; k – постоянная Больцмана; η – коэффициент молекулярной вязкости. Оценка по последним соотношениям показывает, что роль броуновской и градиентной коагуляции ничтожно мала по сравнению с гравитационной.

Коагуляция облачных элементов происходит также под влия­нием электрических сил – электрическая коагуляция. Одноименно заряженные капли от­талкиваются и их слияние затрудняется, а разноименно заря­женные капли притягиваются и их слияние становится более вероятным. Но заряды капель настолько малы и расстояния между ними настолько велики, что влияние кулоновских сил проявляется слабо. Кроме того, большинство капель воды в атмосфере имеет одноименный (отрицательный) заряд, что также тормозит их коагуляцию.

На гидродинамическую коагуляцию, обусловленную взаимодействием полей скорости движущихся капель (одна капля, движущаяся вслед за другой, оказывается в гидродинамической тени «головной» капли), обратил внимание еще Рэлей (1896 г.). Две падающие в среде частицы испытывают, по Рэлею, силу притяжения F, которая в случае одинаковых размеров частиц r равна

, (3.1)

где v – скорость падения частиц; ρ – плотность среды (воздуха);

r_1-2 – расстояние между центрами частиц.

С ростом растет r и F. Однако при заданной водности увеличение r сопровождается увеличением r_1-2, уменьшающим F.

Коагуляция в облаках происходит также в результате не­одинаковой скорости падения капель разного размера. Крупные капли под дей­ствием силы тяжести падают с большей скоростью, чем мел­кие. Поэтому большие капли могут догонять более мелкие, сталкиваться и сливаться с ними. Такая коагуляция называ­ется гравитационной. Именно гравитационная коагуляция иг­рает главную роль в укрупнении облачных элементов и образовании капель дождя.

Проанализируем процесс роста капли радиусом R под влиянием соударения с меньшими каплями радиуса r. За малое время dt капля радиусом Rпройдет по отношению к каплям радиуса rпуть (по вертикали), равный

[v(r) – v(r)]dt, (3.2)

где v(R) и v(r) – скорости падения капель радиусом R и rсоответственно.

Так как объем каждой капли равен ⁴/₃πr³, то за время dt приращение объема капли радиусом Rпод влиянием захвата более мелких капель радиусом от r до r+dr составит

dV(r) =Э(R,r) S [v(R) – v(r)] ⁴/₃π r³ n f(r) dr dt (3.3)

где S= π(R+ r)² – площадь поперечного сечения цилиндра, внутри которого капли радиусом rмогут сталкиваться с каплей радиусом R(эффективная площадь соударения); Э(R,r) – коэффициент соударения (или захвата); f(r) – функция распределения капель по размерам; n– число капель в 1 см³.

Для того чтобы получить приращение объема капли радиусом R под влиянием захвата всех более мелких капель, необходимо просуммировать все элементарные приращения dV(r) объема, т.е. найти интеграл

(3.4)

где

. (3.5)

Так как объем крупной капли V = ⁴/₃ πR³ и приращение (дифференциал объема) dV=4 πR²dR, то на основании (3.10) получаем следующую общую формулу для скорости изменения радиуса капли во времени под влиянием гравитационной коагуляции:

. (3.6)

Гравитационная коагуляция начинается при достижении каплями радиуса около 0.015 мм и вначале идет очень медленно. С увеличением размера капель скорость коагуляции растет и для капель радиусом более 0.03 мм ста­новится уже существенной.

Восходящие движения воздуха вызывают понижение его температуры, что увеличивает пересыщение водяного пара. Бла­годаря этому конденсационный рост капель доводит их до таких размеров, при которых уже развивается гравитационная коагу­ляция. Кроме того, капли, поднятые на большую высоту, при последующем падении проходят сквозь толщу облака, благо­даря чему вырастают до значительных размеров за счет грави­тационной коагуляции. При толщине кучевых облаков более 1 км и при интенсивных восходящих движениях воздуха гра­витационная коагуляция может играть большую роль в обра­зовании осадков.

Гравитационная коагуляция очень важна и для роста ледяных частиц в облаках. Ледяные частицы могут стал­киваться с каплями или друг с другом. В случае столкновения кристаллов с каплями при температуре ниже 0 °С про­исходит рост кристаллов за счет намерзания на них переохлаж­денных капель, т. е. происходит так называемое обзернение. При сильном обзернении снежинки превращаются в частицы крупы (сферокристаллы). При температуре выше 0°С кри­сталлы увеличиваются за счет образования на них водяной пленки. При этом ледяные частички постепенно превращаются в капли. Коагуляция снежинок друг с другом приводит к об­разованию хлопьев снега.

Всякое облако можно уподобить коллоидному раствору, в котором облачные элементы – капли и кристаллы – взве­шены в воздухе, играющем роль растворителя. Если взвешенные частицы долго не выпадают, то раствор считается коллои­дально-устойчивым. Если же частицы укрупняются и начинают выпадать в виде осадка, то раствор считается коллоидально-неустойчивым. Выпадение осадков из облаков зависит от сте­пени их коллоидальной устойчивости, которая в свою очередь определяется характером облачных элементов. Облака одно­родные, состоящие только из капелек или кристаллов, коллои­дально-устойчивы. Особенно велика коллоидальная устойчивость облака, в котором все элементы имеют одинаковые или близкие размеры. Типичными коллоидально-устойчивыми облаками являются кучевые, летние высококучевые и слоисто-кучевые, а также перисто-кучевые.

Облака, состоящие из элементов, разнородных по фазе (жидких и твердых) или по величине, коллоидально-неустой­чивы. Типичные коллоидально-неустойчивые облака – слоисто-дождевые и кучево-дождевые.

2. Фронты окклюзии и связанные с ними системы облаков.

Фронты окклюзии (сложные фронты) образуются при смыка­нии холодного и теплого фронтов. Облачная система, связанная с этими фронтами, является наиболее сложной. Она включает в себя не только сомкнувшиеся системы холодного и теплого фрон­тов, но также и систему нижнего фронта, возникшую в результате нового взаимодействия масс на фронте окклюзии.

В зависимости от характера взаимодействия облачная систе­ма фронта окклюзии может быть похожей или на систему тепло­го фронта, или на систему холодного фронта, но меньшую по своей протяженности.

Для облачной системы фронтов окклюзии характерно наибольшее по сравнению с системами облаков других фронтов разнообразие в чередовании форм облаков (основных и переходных).

Экзаменационный билет № 10

1. Механизм образования крупы и града.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: