Облака состоят не из водяного пара, а главным образом из микроскопических капель жидкой воды, кристаллов льда или их смеси, взвешенных в воздухе. Невидимый водяной пар превращается в видимое облако, когда влажный воздух охлаждается до насыщения и молекулы воды конденсируются на мельчайших частицах соли, пыли, дыма и других аэрозолях. Белая масса кажется сплошной только потому, что огромное число частиц рассеивает свет.
Пар невидим, облако видно
Водяной пар – газообразные молекулы воды между молекулами азота, кислорода и других газов. Сам по себе он невидим. Белый «пар» над чайником уже представляет собой туман из капелек, возникших после охлаждения настоящего прозрачного пара.
Облако устроено похоже, но образуется в атмосфере. Когда воздух поднимается, давление уменьшается, он расширяется и охлаждается. При достаточной влажности достигается точка насыщения. Дальнейшее охлаждение заставляет часть водяного пара перейти в жидкие капли или лёд. Базовое определение и классификацию можно продолжить в статье что такое облака.
Температура не обязана опускаться точно до нуля, чтобы появилось облако. Жидкие капли способны оставаться переохлаждёнными при отрицательной температуре. Поэтому внутри одного облака могут одновременно существовать капли и кристаллы.
Зачем нужны ядра конденсации
В совершенно чистом воздухе капле трудно зародиться при обычном атмосферном насыщении. В природе есть множество микроскопических частиц, на поверхности которых вода собирается легче. Их называют ядрами конденсации облаков. Источниками служат морская соль, почвенная пыль, сульфаты, дым и органические аэрозоли.
Ядро намного меньше самой облачной капли. NOAA сравнивает типичный порядок размеров: частица около микрометра, а капля примерно в сто раз крупнее. Почти вся масса капли остаётся водой, поэтому неверно представлять облако как большую пылевую тучу. Но количество и свойства аэрозолей влияют на число капель, их размер и отражательную способность облака.
Для льда существуют свои ядра, облегчающие образование кристаллической решётки. При очень низких температурах капля может замёрзнуть и без подходящей частицы, но в смешанных облаках процессы сложнее.
Насколько малы капли
Обычная облачная капля имеет диаметр порядка десятков микрометров. Она значительно меньше дождевой капли, которая измеряется миллиметрами. Малый размер означает небольшую скорость падения, а восходящие и турбулентные движения воздуха помогают частицам оставаться в облаке.
Выражение «облако плавает» не совсем точно. Капли медленно падают относительно окружающего воздуха, одновременно переносятся ветром, подхватываются восходящими потоками, испаряются и возникают снова. Облако – не неизменный предмет, а область непрерывного фазового обмена.
Несмотря на воздушный вид, крупное облако может содержать сотни тонн воды. Эта масса распределена по огромному объёму, поэтому в каждом кубическом метре жидкой воды сравнительно мало. Именно разрежённость позволяет воздушным движениям поддерживать капли.
Вода или лёд
Низкие тёплые облака обычно состоят в основном из жидких капель. Высокие холодные перистые облака – преимущественно из кристаллов льда. Между ними находится множество смешанных облаков. Состав зависит не только от высоты, но и от температуры, происхождения воздушной массы и развития облака.
Форма кристаллов меняется с температурой и влажностью: возникают пластинки, столбики и более сложные структуры. Вид облака с земли не позволяет точно пересчитать фазы, но некоторые оптические явления дают подсказки. Гало, например, связано с преломлением света в ориентированных ледяных кристаллах.
Почему нижняя поверхность многих кучевых облаков выглядит ровной, объясняет общий уровень конденсации. Это подробно разобрано в статье почему облака снизу кажутся плоскими.
Откуда берутся разные формы
Слоистое облако возникает при плавном подъёме большой воздушной массы или перемешивании у устойчивого слоя. Кучевое растёт там, где отдельные тёплые потоки поднимаются конвективными пузырями. Волны над горами могут создавать линзовидные формы, а фронты – протяжённые многоуровневые системы.
Граница облака показывает место, где баланс конденсации и испарения меняется. Сухой воздух, втянутый снаружи, испаряет капли и размывает край. Сильный подъём постоянно создаёт новые капли и формирует выпуклые башни. Поэтому облака имеют разную форму, хотя состоят из тех же основных компонентов.
Почему облако белое или серое
Капли размером больше длины волны видимого света рассеивают разные цвета примерно одинаково, и вместе они воспринимаются как белый. В толстом облаке свет многократно рассеивается и меньше достигает нижней части, поэтому основание выглядит серым или почти тёмным. Это не обязательно грязь или признак грозы.
На рассвете и закате падающий свет уже прошёл длинный путь через атмосферу, поэтому облако окрашивается в оранжевые и красные тона. Полный разбор оптики находится в материале почему облака белые.
Как облачная капля становится дождём
Микрокапли слишком малы, чтобы сразу выпасть осадком. В тёплом облаке более крупные капли падают немного быстрее, сталкиваются с мелкими и сливаются. После множества столкновений образуется капля, способная преодолеть восходящий поток.
В холодной части облака кристаллы льда растут за счёт водяного пара и переохлаждённых капель. Они соединяются, падают снежинками и могут растаять в тёплом слое, став дождём. Если воздух у земли холодный, осадки сохраняются в твёрдом виде. Связь процессов подробнее показана в статье откуда берётся дождь.
Не вся вода облака достигает поверхности. Частицы могут испариться в сухом слое по пути. Иногда видны полосы осадков, исчезающие под облаком. Условия, при которых рост частиц побеждает восходящие движения и испарение, разобраны отдельно: когда из облака выпадают осадки.
Итак, облако – динамическая смесь воздуха, водяного пара, жидких капель, льда и микроскопических ядер. Видимую часть создают именно конденсированная вода и лёд. Понимание этой разницы связывает обычное небо с физикой фазовых переходов, оптикой и круговоротом воды. Другие последовательные объяснения природных явлений собраны в маршрутах знаний.
