Образование кучевообразных (конвективных облаков). К кучевообразным относятся кучевые и кучево-дождевые облака. Эти облака сильно развиты по вертикали и имеют, как правило, небольшую горизонтальную протяженность (по сравнению со слоистообразными).

Рис. 1.8. Схема зарождения облаков: а – кучевообразных, б – слоистообразных, в – волнистообразных.

Кучевообразные облака развиваются главным образом при неустойчивой стратификации атмосферы и возникают над сушей, в частности над островами, преимущественно в теплое время года, днем, когда для нагревания воздуха снизу создаются благоприятные условия. Над, морем кучевообразные облака образуются обычно в ночное время, в результате ночного радиационного выхолаживания верхней части слоя влажного воздуха, расположенного над сравнительно теплой водной поверхностью. Кроме того, эти облака образуются в любое время года, над морем и сушей, когда холодный воздух быстро подтекает под теплый и последний быстро поднимается вверх, а также при вынужденном подъеме воздуха по горному склону.

При конвекции сначала подъем массы ненасыщенного воздуха идет по сухоадиабатическому закону. На уровне конденсации воздух достигает состояния насыщения и дальше поднимается по влажноадиабатическому закону. Благодаря понижению температуры происходит конденсация водяного пара и образование облачности. Воздух будет подниматься до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающего воздуха. Это произойдет на уровне конвекции. Если восходящие токи встречают на своем пути задерживающий слой (слой инверсии температуры или слой с малым вертикальным температурным градиентом), то развитие облака вверх прекращается и его вершина делается плоской.

Характерной особенностью образования кучевообразных облаков над морем является то, что они возникают отдельными полосами, между которыми находятся значительные пространства чистого неба. Это показывает, что в море имеются районы с неодинаковой температурой поверхностного слоя воды.

Если уровень нулевой изотермы проходит через облако, то в нем не существует резкой границы между жидкими и твердыми частицами, а наблюдаются мощные переходные слои, в которых одновременно присутствуют переохлажденные капли и ледяные кристаллы.

Кучевообразным облакам присуща сильная турбулентность. Скорость чередующихся здесь восходящих и нисходящих струй может достигать 35 м/с и более.

Образование волнистообразных облаков. К волнистообразным относятся слоистые, слоисто-кучевые, высококучевые и перисто-кучевые облака. Эти облака образуются, когда в воздухе на некоторой высоте располагаются два слоя имеющие разную температуру, влажность и плотность. Если эти два слоя перемещаются один над другим, то на границе между ними возникают волны с большой длиной и амплитудой. В результате образуются облака, располагающиеся полосами, грядами или валами, между которыми бывают видны менее плотные части облака или просветы голубого неба. Охлаждение воздуха при подъеме способствует конденсации пара, вследствие чего облака делаются более плотными. Наоборот, при опускании воздух нагревается, поэтому облачные частицы испаряются и облака редеют, в облачном покрове появляются более светлые части и даже просветы голубого неба.

Образование слоистообразных облаков. К слоистообразным относятся перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые облака. Эти облака образуются, когда теплый воздух поднимается вверх по клину холодного воздуха, а также при медленном подтекании холодного воздуха под теплый. При подъеме теплого воздуха он адиабатически охлаждается, что приводит к конденсации содержащегося в нем водяного пара.

Суточный и годовой ход облачности различен для разных видов облаков. Суточному и годовому изменению подвержено не только количество облаков, но также их форма и высота.

Над материками в неустойчиво стратифицированной (стратификация – распределение температуры с высотой) воздушной массе (γ>1°С/100м) максимум кучевообразных облаков приходится на послеполуденные часы, а над морем — на предутренние. В устойчиво стратифицированной воздушной массе (γ<1°С/100м) как над сушей, так и над морем максимум слоистой облачности приходится на предутренние часы.

Годовой ход облачности отличается большим разнообразием в разных климатических зонах. Над океаном в высоких широтах наибольшая облачность наблюдается летом, а наименьшая - зимой. Объясняется это тем, что относительно теплый воздух летом, двигаясь над более холодной подстилающей поверхностью океана, охлаждается, что приводит к образованию адвективных туманов и слоистых облаков St. Экстремальные среднегодовые значения облачности в северном полушарии характеризуются следующими величинами: Белое море - 8,8 балла, Египет: (Ассуан) - 0,5 балла.

Осадки.

Образование осадков почти всегда связано с восходящим движением воздуха. Так как облако состоит из очень мелких частичек с ничтожной скоростью падения, то они не только не выпадают из облака, но поднимаются вверх вместе с воздухом. Одно из условий выпадения осадков заключается в том, что скорость падения облачных частичек должна быть больше, чем скорость вертикального подъема воздуха. Следовательно, для образования осадков капли должны увеличиться до определенных размеров.

Чтобы выпасть на землю, дождевые капли должны пройти путь от облака до земной поверхности, а так как влажность в нижних слоях воздуха обычно недостаточна для насыщения, то падающие капли могут по пути испариться, причем испарение тем больше, чем меньше размер капли. Расчеты показывают, что путь, проходимый каплей до испарения, возрастает примерно пропорционально радиусу капли в четвертой степени. Так, при относительной влажности воздуха 90 % для капли с радиусом 1 мкм это расстояние составляет всего 1—2 см, а радиусом 100 мкм оно увеличивается до 15 см, и только капли с радиусом 1 мм могут пройти путь больше 1 км. При низкой относительной влажности воздуха капли испаряются на еще более коротком пути, и летом, например, под облаками часто наблюдаются темные полосы дождя, не достигающие, земной поверхности. Основными процессами, определяющими рост и укрупнение частиц в облаках, являются их коагуляция (слияние) и конденсация или сублимация на них водяного пара, Но эти процессы в различных облаках протекают по-разному в зависимости от широты (температурных условий), водности и микрофизического строения облака.

Наблюдения, проведенные в облаках, показывают, что хотя большинство капель очень малы (радиус 10—12 мкм), среди них всегда есть относительно «крупные», имеющие в диаметре несколько сотен микрон. По-видимому, они образуются на крупных гигроскопических ядрах. Такие капли растут в результате столкновений с более мелкими. Если облако имеет большую вертикальную мощность и характеризуется высокой водностью, как, например, мощные кучево-дождевые облака в тропиках, то крупные капли становятся настолько тяжелыми, что уже не могут удержаться восходящими токами. Они начинают падать вниз, еще более вырастают за счет дальнейших столкновений и, наконец, выпадают из облака. Некоторые капли достигают критических размеров (до 7 мм в диаметре), становятся неустойчивыми и распадаются. Так начинается «цепная реакция», результатом которой является выпадение сильного ливня.

В тропической зоне, где нижняя часть облаков находится в области высоких положительных температур, происходит и другой процесс, приводящий к росту капель. Так как в облаке существуют восходящие и нисходящие движения, то капли, пришедшие сверху, оказываются на данном уровне холоднее капель, пришедших на тот же уровень снизу. Упругость насыщения над поверхностью более теплой капли больше, чем над поверхностью холодной (при одном и том же радиусе капель). Благодаря этому начнется перегонка пара с теплой капли на холодную, причем тем интенсивнее, чем выше температура окружающего воздуха. В средних широтах, где облака находятся в области низких температур, этот эффект не имеет существенного значения.

Обильные осадки в средних и полярных широтах образуются иначе. Выпадают они из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков, в которых одновременно находятся переохлажденные капли и кристаллы. Так как упругость насыщения над каплями и ледяными кристаллами различна, то для капель воздух будет ненасыщенным, а для кристаллов — перенасыщенным. Тогда капли будут испаряться, а кристаллы расти.

Укрупнившиеся кристаллы начинают выпадать обычно из верхней части облака. По пути они укрупняются путем сублимации или при столкновении с переохлажденными каплями, которые намерзают на них. Таким образом, в нижней части облака появляются крупные кристаллы. Если в нижней части облака или под ним температура выше нуля, кристаллы тают, превращаясь в капли, которые и выпадают из облака в виде дождя. При дальнейшем падении капли различных размеров при столкновении могут коагулировать. Если температура в нижней части облака и под ним отрицательная до самой земной поверхности, осадки выпадают в виде снега или крупы. Более сложные условия имеют место, если осадки, выпадают в виде града.

Рост дождевых капель в облаках — это только одно из необходимых условий выпадения осадков. Другим, не менее существенным и решающим фактором является приток влаги к облаку. Осадки, выпадающие из облака, уносят из него влагу, и запас воды в нем уменьшается. Исследования показывают, что количество осадков в 10—20 раз больше, чем запас воды в облаке. Из этого следует, что облако представляет собой своеобразный генератор осадков, к которому в процессе их выпадения притекает водяной пар.

Наблюдение за осадками заключается в определении их количества, интенсивности, типа и вида. Для измерения количества осадков на суше применяют специальные приборы—дождемеры. В судовых условиях за осадками ведут визуальные наблюдения и определяют их интенсивность на глаз, выделяя три градации: слабые, умеренные и сильные.

Полезную информацию о зонах выпадения осадков можно получить с помощью судовых радиолокационных станций.

Зоны осадков в виде дождя, снега или града хорошо изображаются на экранах судовых радиолокаторов. В практике судовождения эхо-сигналы от метеорологических целей (ливень, град, снег и т. п.) мешают наблюдению за полезными сигналами от береговой черты, встречных судов и т. п. Вместе с тем их радиолокационные изображения в ряде случаев могут дать судоводителю ценную информацию о состоянии погоды, что позволяет заблаговременно принять, если необходимо, надлежащие меры.

Эхо-сигналы, от дождя при слабых и умеренных осадках имеют вуалеобразные и мягко окаймленные края, при сильных — плотные, |резко оконтуренные очертания. Слабый моросящий дождь на судовом радиолокаторе изображения не дает, так как мелкие дождевые капли очень слабо отражают электромагнитную энергию. То же относится и к туману, размеры частичек в котором еще меньше.

Туманы и осадки вызывают заметное ослабление электромагнитных волн сантиметрового диапазона вследствие их поглощения и рассеивания каплями дождя, тумана и снега. Степень ослабления энергии радиоволн в осадках зависит от водности последних, соотношения размеров капель и длины волны, а также температуры. Наименьшее ослабление наблюдается в тумане, наибольшее — в тропическом ливне.