Вода в атмосфере

Вода присутствует на земной поверхности и в атмосфере Земли в газообразном, жидком и твёрдом состояниях.

В газообразном состоянии количество водяного пара в воздухе (вода) определяет влажность воздуха.

Жидкое состояние воды на поверхности Земли — это незамерзающие воды Мирового океана и пресные или несолёные воды ручейков, рек, озёр и т. д. на поверхности Земли, а также внутренние земные воды. В воздухе жидкое состояние воды — это капли росы, дымки или тумана, мороси, дождя и облаков.

Твёрдое состояние воды — это морской и пресноводный лёд на водной поверхности, различные проявления гололёдно-изморозьевых отложений на различных поверхностях естественного и искусственного происхождения и предметах в воздухе. В облаках и осадках твёрдое состояние воды присутствует в виде кристалликов льда, снежинок, снежной крупы и града. При определённых условиях в атмосфере, и прежде всего, при полётах летательных аппаратов в тропосфере может наблюдаться изморозь и обледенение.

Сложный механизм круговорота воды в природе влияет на радиационный обмен между Землёй и атмосферой, на перераспределение тепла на земном шаре, общую циркуляцию атмосферы и местные или локальные особенности формирования погоды и климата.

Влагооборот в атмосфере

В атмосфере часто встречаются физические системы (например, в облаках), образованные из воды, находящейся в различных агрегатных состояниях одновременно. Причём в этих системах непрерывно наблюдается переход воды из одного состояния в другое — замерзание и таяние, испарение и конденсация и т. п. В таком случае говорят о различных фазах воды, понимая под фазой физически однородные части системы, способные переходить одна в другую.

Водный режим атмосферы определяется двумя главными процессами:

• испарением воды с поверхности океанов, морей и суши, что обеспечивает непрерывное поступление водяного пара в атмосферу;
• выпадением осадков на земную поверхность с последующим участием их в круговороте воды в природе.

Влагооборот состоит из испарения воды с земной поверхности, её конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока. Хотя сток вод является чисто гидрологическим процессом.

Процесс испарения состоит в том, что водяной пар непрерывно поступает в атмосферу в результате испарения с водных поверхностей и поверхности суши. Если испарение прекращается, то это значит, что наступает состояние насыщения водяного пара над рассматриваемой поверхностью.

Конденсация водяного пара начинается тогда, когда воздух достигает насыщения. Это чаще всего происходит в атмосфере при понижении температуры воздуха, когда с понижением температуры до точки росы и достигается состояние насыщения.

При конденсации — переходе воды из газообразного в жидкое состояние — в атмосфере образуются мельчайшие капли воды. Более крупные капли образуются путём слияния мелких капель или в результате таяния ледяных кристаллов. Образование капель при конденсации в атмосфере всегда происходит на так называемых ядрах конденсации. Основными ядрами конденсации являются частицы растворимых гигроскопических солей, особенно морской соли, которая всегда обнаруживается в выпавших осадках. Они попадают в воздух в больших количествах при волнении моря, разбрызгивании морской воды и последующем испарении капель в воздухе.

Состояние насыщения водяного пара в атмосфере способствует развитию процесса не только конденсации, но и сублимации водяного пара. Сублимация — это процесс перехода водяного пара в твёрдое состояние и образования кристаллов льда (при очень низких температурах — ниже −40 ºC). Чаще кристаллы образуются путём замерзания переохлаждённых капель дождя.

Осадки в атмосфере выпадают при определённых условиях из облаков. Если хотя бы одна часть элементов, составляющих облако (капель или кристаллов), по каким-то причинам укрупняется, то эти элементы становятся настолько тяжёлыми, что не могут оставаться во взвешенном состоянии в облаке и начинают выпадать из облаков в виде осадков. Они подразделяются на две основных формы — жидкие и твёрдые.

От количества выпадающих осадков и их распределения по сезонам на земной поверхности зависят также условия стока, режим рек, уровень озёр и другие гидрологические явления.

Классификация облаков

В атмосфере в результате конденсации водяного пара образуются скопления продуктов конденсации — капель и кристаллов льда. Установившаяся скорость падения капель в неподвижном воздухе равна нескольким долям сантиметра в секунду, а падения кристаллов — ещё меньше. При наличии турбулентного движения малые капли и кристаллы длительное время остаются во взвешенном состоянии — несколько смещаются то вверх, то вниз. Взвешенные в атмосфере капли и кристаллы образуют различные системы взвешенных элементов, которые называют облаками.

Облака принадлежат к числу важнейших атмосферных явлений, наблюдаемых в атмосфере на сети гидрометеорологических станций. Они представляют собой продукты конденсации водяного пара — системы взвешенных в атмосфере облачных элементов. Облака переносятся воздушными течениями. Отдельные облака существуют очень короткое время, а облачные системы могут существовать длительно. Но даже когда облако существует длительное время, это не означает, что оно находится в неизменном состоянии. В действительности элементы облака постоянно испаряются и возникают вновь. Облако является только видимой в данный момент частью общей массы водяного пара и воды, вовлекаемой в этот процесс.

В целом на земном шаре около 60 % небосвода закрыто облаками. При этом в одних регионах почти весь год ясная погода, в других — пасмурно, в третьих — отчётливо заметен сезонный ход количества облаков.

Облачный покров уменьшает днём приток солнечного тепла и света на земную поверхность, а ночью резко ослабляет излучение и охлаждение земной поверхности. Облачность сильно влияет на изменения температуры воздуха, в частности её суточного хода, что влечёт за собой целый ряд изменений в состоянии атмосферы.

Определения количества и формы облаков производятся визуально, без приборов. С помощью визуальных наблюдений можно определять не только количество и форму облаков, но и делать обоснованные заключения об их микроструктуре в зависимости от географического района и времени года.

Точность наблюдения за облаками с использованием различных технических средств значительно расширяет наши представления о характере и особенностях отдельных облаков и облачных систем, а также возможности оценки зон облачности различного масштаба:

• макросистемы — большого масштаба;
• мезосистемы — среднего масштаба;
• микросистемы — малого или локального масштаба.

Это, в свою очередь, определяет характер погоды на различных пространственных уровнях.

Лазерные высотомеры в конкретной точке позволяют получать информацию о нижней кромке облаков в толще всей тропосферы над местом наблюдения.

Метеорологические локаторы осуществляют круговой обзор и контроль за облаками на значительном удалении от точки наблюдений (на сотни километров). С их помощью появилась возможность заранее оценить вероятность выпадения осадков различной интенсивности и вертикальную мощность облачных образований.

Спутниковые снимки облачности позволяют осуществлять выборочный и детальный контроль за облаками и облачными системами — от локального до планетарного масштаба с дискретностью от 30 минут до 1 часа в телевизионном и инфракрасном спектре зондирования атмосферы.

Образование различных форм облаков характеризует многие атмосферные процессы, в том числе типичные для данного района или территорий, для которых характерны относительно однородные термические и динамические условия.

Сведения об облачных системах, особенно среднего масштаба, очень полезны при анализе синоптических процессов в районах с небольшой плотностью наблюдательной сети станций на суше, но особенно в морях и океанах.

Классификация облаков по ярусам

Отдельные облака принято различать по их основным признакам, в соответствии с которыми существуют следующие классификации:

1. Морфологическая классификация, в которой облака определяют по внешнему виду.
2. Генетическая классификация, в которой облака определяют по происхождению, т. е. по характеру процесса их образования.
3. Классификация по микрофизическому строению, т. е. классификация по агрегатному состоянию, виду и размерам облачных частиц, а также по их распределению внутри облака.

Морфологическая классификация позволяет по данным визуальных наблюдений за формой облаков (с использованием Атласа облаков) и их количеством судить о стадии их развития и свойствах, а также об общем характере атмосферных процессов в рассматриваемом пункте наблюдений.

Морфологическая классификация облаков включает в себя 10 основных видов или родов облаков. Они, в свою очередь, разделяются на ряд видов и их разновидностей.

Основной отличительный признак при определении формы облаков — это их внешний вид и структура.

Облака могут быть расположены в виде отдельных изолированных масс или сплошного покрова. В свою очередь, их строение может быть различным — однородным, волокнистым и др., а нижняя поверхность или граница при этом может быть ровной, расчленённой или даже изолированной.

Облака могут быть плотными и непрозрачными или тонкими и прозрачными. Сквозь плотные облака солнце может слабо просвечивать или же не просвечивать вообще. Через тонкие облака просвечивает голубое небо и может достаточно ярко светить солнце, а ночью — проникать свет луны. Могут возникать при этом различные оптические явления, например, гало и др.

Все перечисленные выше признаки характеризуют ту или иную форму или внешнее строение облаков.

В зависимости от высоты нижней границы облаков их относят к одному из трёх ярусов расположения в атмосфере — верхнему, среднему или нижнему.

В отдельную группу выделяют облака вертикального развития. Они представляют собой отдельные облачные массы, которые значительно простираются по вертикали вверх. При этом их основание обычно находится в нижнем ярусе, а вершина может достигать среднего и даже верхнего яруса. Хотя бывают и исключения, когда нижняя граница таких облаков может располагаться значительно выше высот нижнего яруса.

В соответствии с внешним строением и расположением облаков по ярусам их классифицируют и относят к одной из 10 основных облачных форм. Наименование видов и разновидностей облаков, принятых в международной практике, а также их сокращённые названия представлены в виде латинских наименований форм облаков в табл. 5.1.

Распределение родов облаков в тропосфере

Распределение облаков в атмосфере носит очень разнообразный характер. Это очень изменяющийся процесс в любое время суток, сезона и года, который мы можем наблюдать как одно из наиболее распространенных явлений погоды. Редкий день совсем обходится без облаков.

Профессиональному и опытному наблюдателю облака подскажут многое: грядут ли перемены в погоде, выпадут ли осадки, возможна ли гроза и грозовой летний ливень или стоит ждать града и сильного ветра.

Многие народные приметы так или иначе связаны с облаками. Например, если на небе появились перистые облака в западной части неба, а вокруг Луны или Солнца образовалось гало — жди ненастья. Кучевые облака после полудня приняли форму башен и гор, а в верхней части образовалась «наковальня» в виде перистых облаков — жди грозового ливня и шквалистого ветра.

В своем большинстве народные приметы, связанные с облаками, указывают на ухудшение погоды, и это неудивительно, т. к. наиболее развитые облачные системы наблюдаются в циклонах, а также в зонах атмосферных фронтов. Локальные очаги ненастья (грозы, ливни, шквалистые усиления ветра и град) в локальных зонах связаны с местными облаками конвекции и их последующим развитием при неустойчивой стратификации атмосферы и интенсивной летней конвекции. Наблюдаемые нами облака находятся в нижнем слое атмосферы — в тропосфере. Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. Однако их можно свести к относительно небольшому числу основных типов.

В современном варианте международной классификации облака делятся на десять основных форм (родов) по внешнему виду. В основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей (рис. 5.1).

Описание форм облаков

Приведенные ниже рисунки облаков даны по «Атласы облаков» (1978 г.).

А. Облака верхнего яруса, высота основания выше 6 км

Облака верхнего яруса представляют собой тонкие белые облака. Они расположены очень высоко и могут быть в виде волокнистого покрова, изогнутых структур — перьев, волн или прозрачной белой вуали, затягивающей небо. Температура воздуха на высоте появления облаков верхнего яруса очень низкая — отрицательная. Эти облака состоят из ледяных кристаллов в форме игл, шестигранных столбиков или пластинок.

К основным формам облаков верхнего яруса относятся облака перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые.

ПЕРИСТЫЕ ОБЛАКА — CIRRUS (Ci)

Внешний вид этих облаков представляет собой отдельные белые волокнистые облака. Обычно это очень тонкие и прозрачные облака, иногда с более плотными или хлопьевидными образованиями. Обычно они наблюдаются в небольших количествах, но могут занимать и значительную часть неба (рис. 5.2).

Высота основания этих облаков в умеренных широтах составляет 7–10 км, но бывает меньше 6 км или больше 12 км. В тропиках высота этих облаков может достигать 17–18 км. В арктических районах при низкой температуре воздуха облака этого вида могут распространяться до поверхности земли.

Мощность этих облаков или толщина слоя колеблется от сотен метров до нескольких километров. Верхнюю и нижнюю границу этих облаков визуально определить трудно по причине разреженности этих облаков.

Перистые облака обычно прозрачны и сквозь них просвечивает солнце, иногда — голубое небо, а ночью — луна и яркие звёзды.

Осадки из этих облаков, если и выпадают, то земли они не достигают. Мелкие ледяные кристаллы, из которых состоят эти облака, могут медленно падать, но почти всегда испаряются на больших высотах. Визуально же их можно иногда наблюдать лишь как полосы падения.

ПЕРИСТО-КУЧЕВЫЕ ОБЛАКА — CIRROCUMULUS (Cc)

Внешний вид этих облаков представляет собой белые тонкие облака (рис. 5.3). Они состоят из очень мелких волн, хлопьев или ряби (без серых оттенков), частично с волокнистым строением или непосредственно переходящие в покров Ci или Cs. Вне связи с Ci или Cs наблюдаются редко. Чаще всего эти облака наблюдаются в небольших количествах.

Высота основания облаков Сс в умеренных широтах колеблется от 6 до 8 км. Толщина слоя не превышает 200–400 м.

Облака эти прозрачны для солнечных лучей. Солнце и луна хорошо просвечивают через них, при этом иногда наблюдаются гало, а также радужная окраска краёв облака и отдельных его участков (иризация). Закрывая солнце и луну, они пропускают солнечные лучи и почти не уменьшают освещённости. Голубое небо, просвечивающее через такие облака, придаёт им голубоватый оттенок.

Осадки из облаков Сс не выпадают.

ПЕРИСТО-СЛОИСТЫЕ ОБЛАКА — CIRROSTRATUS (Cs)

Внешний вид — белая или голубоватая полупрозрачная однородная пелена облаков (рис. 5.4). Иногда Cs слегка волнистого строения.

Высота основания этого вида облаков в умеренных широтах в среднем около 6–8 км.

Толщина слоя колеблется от 100 м до нескольких километров. Верхняя и нижняя границы слоя Сs при наблюдении с самолёта выражены не резко и не всегда ощутимы как граница.

Оптические явления определяются прозрачностью этих облаков. Часто наблюдается яркое гало вокруг солнца и луны, сквозь них просвечивается голубое небо, а ночью — яркие звёзды. Иногда эти облака настолько тонки и однородны, что их присутствие можно обнаружить только по наличию гало. По мере уплотнения Cs они переходят в As.

Осадки могут выпадать из этих облаков, но они не достигают земли. Только при очень низкой температуре воздуха Cs дают очень слабый снег или ледяные иглы.

Б. Облака среднего яруса, высота основания 2–6 км

Облака среднего яруса представляют собой светло-серые, синевато-серые, а иногда белые облака в виде сплошной пелены или волн, пластин и хлопьев, значительно более крупных и массивных, чем у облаков верхнего яруса.

Облака среднего яруса состоят из переохлаждённых капель воды или переохлаждённых капель в смеси с ледяными кристаллами и снежинками. Солнце просвечивает через облака среднего яруса слабо или вообще не просвечивает.

К основным формам облаков среднего яруса относятся высоко-кучевые (Altocumulus) и высоко-слоистые (Altostratus) облака.

ВЫСОКО-КУЧЕВЫЕ ОБЛАКА — ALTOCUMULUS (Ac)

В большинстве случаев облака Ас легко определяются по характерным очертаниям и светлой окраске (рис. 5.5). Внешний вид этих облаков представ- ляет собой белые, иногда сероватые или синеватые облака в виде волн или гряд, состоящих из пластин или хлопьев. Облака этого вида обычно разделе- ны просветами голубого неба, но могут сливаться в почти сплошной покров.

Большое количество разновидностей высоко-кучевых облаков возникает вследствие многообразия процессов их образования — волновые движения воздуха на высоко расположенных границах инверсии, волновые движения над горными препятствиями, растекание мощных кучевых облаков в слое 2–5 км, конвективные движения воздуха в слое выше 2 км.

Высота основания этих облаков располагается в пределах от 2 до 6 км.

Толщина слоя около 200–700 м.

Оптические явления и прозрачность этого вида облаков таковы, что сквозь тонкие края Ас просвечивают солнце и луна, но при этом вокруг них часто наблюдаются венцы. Если же облака Ас сливаются в единый покров, полностью закрывающий часть неба вблизи солнца, то оно обычно совсем не просвечивает. Края облаков, проходя в такой ситуации вблизи солнца или луны, окрашиваются в слабые радужные тона (иризация).

Осадки из облаков Ас иногда могут выпадать в виде отдельных капель дождя или отдельных снежинок.

ВЫСОКО-СЛОИСТЫЕ ОБЛАКА — ALTOSTRATUS (As)

Высоко-слоистые облака As образуются вследствие охлаждения воздуха при его общем наклонном медленном восходящем движении (рис. 5.6) Этот процесс обычно происходит вследствие притока теплого воздуха, который поднимается, скользя по наклонной поверхности более плотной холодной воздушной массы. Чаще всего это связано с возникновением процессов формирования тёплого фронта или тёплого фронта окклюзии. Аналогичные процессы можно наблюдать у холодных фронтов, но чаще у холодного фронта 1-го рода.

Внешний вид облаков As — серая или синеватая однородная пелена облаков. Местами она имеет слегка волокнистую структуру, которая создаётся полосами падения осадков. Пелена этих облаков, как правило, постепенно закрывает всё небо.

Высота основания этих облаков колеблется в пределах от 3 до 5 км.

Толщина слоя составляет в среднем около 1 км, изредка до 2 км.

Солнце и луна просвечивают сквозь эти облака слабо, как через матовое стекло. Тени от предметов на земле при этом отсутствуют или же нерезкие. Если As тонкие, то могут отмечаться венцы около солнца и луны.

Осадки из этих облаков выпадают. В зимний период из As часто выпадает снег.

В. Облака нижнего яруса, высота основания ниже 2 км

Облака нижнего яруса имеют вид низких серых тяжёлых гряд, валов или пелены, закрывающей небо сплошным покровом. Солнце не просвечивает сквозь них или изредка слабо просвечивает через тонкие их края. Эти облака состоят из капель, а при отрицательных температурах воздуха — из переохлаждённых капель или из смеси их с кристаллами и снежинками.

К облакам нижнего яруса относятся три основных формы облаков: слоисто-кучевые, слоистые и слоисто-дождевые.

СЛОИСТО-КУЧЕВЫЕ ОБЛАКА — STRATOCUMULUS (Sc)

Внешний вид этих облаков можно охарактеризовать как облака серого цвета, состоящие из крупных гряд или волн, пластин или глыб, разделённых просветами или сливающихся в сплошной серый волнистый покров неодинаковой плотности (рис. 5.7).

Высота основания этих облаков колеблется в пределах от 0,5 до 1,5 км.

Толщина слоя таких облаков от 200 до 800 м.

Оптические явления и прозрачность этих облаков имеют свои особенности. При сплошном покрове плотных Sc солнце не просвечивает, поэтому и определить его местоположение на небе трудно. Если же в облаках имеются просветы или тонкие части у краёв облака, то солнце и луна могут временами просвечивать. При этом иногда могут образовываться венцы.

Осадки из большинства разновидностей Sc не выпадают. Из непросвечивающих слоисто-кучевых облаков (Stratocumulus орacus, Sc ор.), тёмно-серых плотных облаков, состоящих из сливающихся глыб и пластин, могут выпадать слaбые и непродолжительные осадки в виде дождя или редкого снега.

Виды и разновидности облаков Stratocumulus:

• Stratocumulus undulates (Sc und.) — волнистые. Чередующиеся гряды или валы, разделенные промежутками или сливающиеся друг с другом (просвечивающие, плотные, чечевицеобразные);
• Stratocumulus cumuliformis (Sc cuf.) — кучевообразные. Имеют более или менее явные признаки их развития по вертикали. Разновидности: башенковидные (Stratocumulus Castellanus, Sc cast.), растекающиеся дневные (Stratocumulus diurnalis, Sc diur.), растекающиеся вечерние (Stratocumulus vesperalis, Sc vesp.) и вымеобразные (Stratocumulus mammatus, Sc mam.), на основании которых имеются выпуклости, направленные вниз.

Cлоисто-кучевые облака (Sc) наблюдаются нередко одновременно с высоко-кучевыми (Ас).

Отличительным признаком слоисто-кучевых облаков (Sc) служит их внешний вид — малая высота основания, чётко очерченная нижняя поверхность и в большинстве случаев отсутствие осадков или их небольшая продолжительность.

СЛОИСТЫЕ ОБЛАКА — STRATUS (St)

Слоистые облака (St) образуются преимущественно внутри однородных воздушных масс и часто, имея небольшую толщину, являются облаками местного происхождения (рис. 5.8). В отличие от них облака слоисто-дождевые (Ns) и высоко-слоистые (As) наблюдаются обычно на атмосферных фронтах. Исключение составляет разновидность слоистых разорванных (Stratus fractus) облаков — разорвано-дождевые (Fractonimbus, Frnb) облака. Это низкие, серые, мрачные, изорванные облака плохой погоды. Они образуются под слоем облаков, дающих осадки (As, Ns, Cb, и Sс op.), и встречаются лишь в сочетаниях с этими облаками, обычно видными в разрывах между ними. При этом они могут образовывать и почти сплошной слой, закрывающий вышележащие облака. Однако эти облака сами осадков не дают, а только пронизываются осадками, выпадающими из вышележащих облаков, дающих осадки.

Внешний вид облаков представляет собой однородный слой серого или жёлто-серого цвета. Часто этот слой облаков сходен с туманом, приподнятым над поверхностью земли. Достаточно часто нижняя поверхность этого слоя бывает разорванной и клочковатой. Обычно слоистые облака закрывают всё небо серой пеленой. Иногда они могут наблюдаться в виде разорванных облачных масс.

Высота основания этих облаков колеблется в пределах от 0,1 до 0,7 км. Иногда эти облака сливаются с наземным туманом.

Оптические явления и прозрачность этого вида облаков таковы, что солнце и луна через слоистые облака обычно не просвечивают. Только в случаях, когда облака очень тонки или разорваны, через их края солнце или луна могут временами просвечивать. Через тонкие слоистые облака солнце просвечивает в виде белого, резко очерченного диска без всякого ореола.

Осадки из этого вида облаков могут выпадать в виде мороси или мелких снежных зёрен — мелкого снега, в обоих случаях заметно ухудшается видимость.

Виды и разновидности облаков Stratus:

• Stratus nebulosus (St neb.) — туманообразные. Серые или жёлто-серые облака, которые располагаются низко от поверхности Земли и иногда закрывают верхние части наземных строений, объектов и предметов, ослабляя их возможную видимость;
• Stratus undulatus (St und.) — волнистые. Однородные по структуре серые или жёлто-серые слои облаков, на нижней поверхности которых можно различить слабо выраженные волны;
• Stratus fractus (St fr.) — разорванные. Могут быть в виде клочьев, скоплений отдельных облаков с разорванными краями, более или менее сплошного клочковатого покрова со свисающими вниз лохмотьями.

По внешнему виду слоистые облака (St) похожи на облака слоисто-дождевые (Ns). Их отличают от слоисто-дождевых облаков по ряду признаков:

• облака St никогда не дают обложных осадков;
• облака St обычно располагаются ниже, чем слоисто-дождевые облака;
• облака St имеют более светло-серый цвет, чем облака слоисто-дождевые, а их строение более однородно, чем у облаков Ns.

СЛОИСТО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА — NIMBOSTRATUS (Ns)

Основным процессом образования слоисто-дождевых облаков (Ns) является охлаждение воздуха при его восходящем движении вдоль наклонной фронтальной поверхности вблизи линии фронта (рис. 5.9).

Характерной особенностью и основным признаком, по которому определяются облака Ns, служит выпадение обложных осадков. Этот признак помогает обнаружить слоисто-дождевые облака даже тогда, когда они по наблюдениям снизу маскируются разорвано-дождевыми облаками (Frnb). Осадки из слоисто-дождевых облаков выпадают в виде обложного дождя или снега. Иногда осадки идут с перерывами. Изредка осадки представляют собой ледяной дождь.

Внешний вид слоисто-дождевых облаков — это облачный слой тёмно-серого цвета, иногда он бывает с желтоватым или синеватым оттенком. При выпадении осадков слой облаков кажется однородным, но в перерывах между выпадениями осадков становится заметна его неоднородность и даже некоторая волнистость. Основание облаков чаще всего размыто полосами выпадения осадков так, что бывает затруднительно установить визуально положение нижней поверхности облаков.

Обычно слоисто-дождевые облака закрывают всё небо без просветов. Как правило, под слоем этих облаков образуются и наблюдаются разорвано-дождевые облака (Frnb). Эти облака частично или даже полностью скрывают основной слой слоисто-дождевых облаков.

Высота основания слоисто-дождевых облаков отмечается в пределах от 100 м до 1 км. Слой этих облаков с минимальными значениями основания облаков до земной поверхности наблюдается, прежде всего, вблизи линии атмосферного фронта.

Толщина слоя слоисто-дождевых облаков обычно отмечается в пределах от 2 до 3 км. Иногда она составляет 5 км и более. Однако наблюдаются случаи, когда толщина слоя слоисто-дождевых облаков не превышает 1–2 км, а между слоисто-дождевыми и вышележащими высоко-слоистыми облаками (As) имеется безоблачная прослойка.

Слоисто-дождевые облака настолько плотные, что солнце и луна через них не просвечивают совершенно и даже приближённо не удаётся определить их местоположение на небе.

Г. Облака вертикального развития

Облака вертикального развития имеют вид отдельных плотных облачных масс, сильно развитых по вертикали. Их основание обычно располагается в нижнем ярусе, т. е. на высотах до 2 км, но они при этом сильно развиты по вертикали и выходят за границы облаков среднего и даже верхнего яруса. Основание этих облачных масс плоское. Вершины облаков характеризуются выпуклостями или громоздящимися облачными системами гор или башен, они всегда ослепительно белого цвета; основание облаков — серого, сероватого или тёмно-серого цвета.

К облакам вертикального развития относят две основные формы облаков — кучевые облака Cumulus (Cu) и кучево-дождевые облака Cumulonimbus (Cb).

9. КУЧЕВЫЕ ОБЛАКА — CUMULUS (Cu)

Внешний вид облаков представляет собой плотные облака, развитые по вертикали с белыми куполообразными или кучевообразными вершинами и с плоским сероватым или синеватым основанием (рис. 5.10).

Обычно эти облака имеют резкие очертания, но при сильном порывистом ветре края их могут быть разорванными. Иногда эти облака бывают сравнительно плоскими.

Кучевые облака чаще всего располагаются на небосводе беспорядочно, но иногда образуют гряды или цепочки. Они могут быть представлены в виде отдельных, редко расположенных облаков или значительных скоплений, закрывающих почти всё небо. При этом основания отдельных облаков находятся на одном уровне.

Нижняя граница облаков или высота основания в умеренных широтах обычно располагается на высотах от 800 м до 1,5 км. Однако она может колебаться в довольно широких пределах, а в жаркие периоды времени высота основания облаков может достигать 2,5–3 км и даже больше. Вертикальная мощность облаков — от сотни метров до нескольких километров.

Поскольку эти облака плотные, то они могут полностью закрывать солнце и луну, края же кучевых облаков, как правило, просвечивают, причём из- редка образуются венцы.

Осадки из этих облаков обычно не выпадают, но в тропических странах могут выпадать ливневые дожди.

Виды и разновидности облаков Cumulus:

• Cumulus humilis (Cu hum.) — плоские. Это облака, которые мало развиты по высоте. Они по внешнему виду кажутся плоскими. Это обусловлено тем, что их вертикальная протяжённость меньше горизонтальных размеров облаков. Нередко эти облака называют «облаками хорошей погоды». Наблюдаются кучевые плоские облака преимущественно в тёплое время года, в «хорошую установившуюся погоду». Обычно они возникают уже утром и достигают наибольшего вертикального развития в околополуденные часы. К вечеру облака кучевые плоские постепенно растекаются, переходя часто в слоисто-кучевые вечерние облака, и исчезают. Над сушей в умеренных широтах они встречаются изредка и зимой;
• Cumulus mediocris (Cu med.) — средние. Это переходная форма облаков между плоскими облаками Cumulus humilis (Cu hum.) и кучевыми мощными облаками Cumulus congentus (Cu cong.). Когда облака Cumulus humilis (Cu hum.) начинают расти в высоту и утрачивают «приплюснутый» вид, т. е. не кажутся уже плоскими, но ещё не достигают значительного развития, то их следует отмечать как облака кучевые средние (Cu med.). Главным признаком при этом служит отношение вертикальной протяжённости облака к длине его основания. Если по вертикали оно меньше, чем в длину, то облако следует считать плоским кучевым. В случае, если вертикальные размеры примерно равны длине или больше её, то эти облака следует рассматривать как облака кучевые средние. Можно также обратить внимание на то, что вершины облаков кучевых средних больше клубятся, чем у облаков кучевых плоских. Они имеют вид бугорчатого купола. По своей форме это напоминает вид или форму цветной капусты;
• Cumulus congestus (Cu cong.) — мощные. Эти облака сильно развиты по вертикали. Их мощность или толщина обычно в 1,5–2 раза превышает размеры основания. Вершины этих облаков по цвету ослепительно белые и сильно клубятся, но основания при этом затемнены. Как правило, в случае сильного развития такой формы облаков кучевые мощные облака не остаются изолированными массами. Они сливаются в достаточно большие группы. В результате образуются сложные нагромождения кучевых облаков (Cu) разной мощности. Нередко эти облака развиваются и обычно преобразуются в кучево-дождевые облака — Сumulonimbus (Cb).

Кучевые облака (Сu) весной и летом могут наблюдаться на фоне любых других облаков, если эти облака не препятствуют прогреванию поверхности земли и развитию дневной термической конвекции. Эти облака в отличие от слоисто-кучевых облаков (Sc) не образуют непрерывного слоя. Покров облаков Cu всегда разделяется на отдельные облака, в промежутках между которыми видны их бугристые, резко очерченные края, уходящие в высоту. Центральная часть отдельных облаков может быть тёмной, серого или тёмно-серого цвета в зависимости от их мощности, а освещённые края — ярко-белого цвета в виде светлой или блестящей каймы, в зависимости от расположения облаков относительно солнца.

КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА — CUMULONIMBUS (Cb)

Кучево-дождевые облака образуются в результате дальнейшего развития кучевых облаков (рис. 5.11). Внешний вид кучево-дождевых облаков представляет собой облака белого цвета с тёмными, а иногда синеватыми основаниями. Эти облака, в отличие от других видов облаков, наиболее развиты в вертикальном направлении. Они поднимаются в виде огромных горообразных облачных масс с мощными вершинами. Вершины кучево-дождевых облаков имеют по большей части волокнистое строение, имеющее сходство с перистыми облаками. Особенно это сходство проявляется в тех случаях, когда они и расположены на тех же высотах, что и облака верхнего яруса.

Обычно кучево-дождевые облака наблюдаются в виде сравнительно редких отдельных облаков. Всё небо они не закрывают. Между отдельными облаками имеются просветы. В отдельных случаях, при скоплении облаков Cb весь видимый небосвод может быть закрыт. Когда кучево-дождевые облака образуют большие скопления и даже облачный вал, в облаках часто наблюдается гроза.

Главным процессом образования кучево-дождевых облаков является процесс охлаждения воздуха в атмосфере при его восходящем движении в условиях сильно развитой термической или динамической конвекции.

Высота основания этих облаков наблюдается в пределах 400 м до 1 км.

Вертикальная протяжённость обычно составляет от 3 до 4 км, но иногда вершина Cb достигает тропопаузы.

Солнце и луна сквозь кучево-дождевые облака совершенно не просвечивают.

Осадки из кучево-дождевых облаков всегда имеют бурный или ливневой характер. Летом осадки выпадают в виде крупнокапельного дождя или града, осенью и весной — в виде ледяной и снежной крупы, зимой — в виде ливневого снега, часто мокрого (хлопьями) и снежной крупы, большей частью сильной и кратковременной.

Оптические явления, наблюдаемые при наличии облаков

В атмосфере наблюдаются различные световые и оптические явления, которые связаны с облаками. Эти явления обусловлены отражением, преломлением и дифракцией света в каплях и кристаллах облаков. Наиболее распространённые из них — венцы, радуга, глория и гало.

Венцы — светлые или окрашенные кольца вокруг Солнца и Луны, объясняемые дифракцией света на каплях или кристаллах, если их размеры одинаковы (рис. 5.12). Основная и часто единственная часть венца — светлый круг небольшого радиуса, вплотную окружающий диск светила или искусственный источник света. Круг этот голубоватый, а по внешнему краю красноватый. Его ещё называют ореолом. Он может быть окружён одним или несколькими дополнительными кольцами такой же окраски, не примыкающими к нему и друг к другу вплотную.

Радуга — разноцветные дуги, обусловленные преломлением солнечного света в больших водяных каплях (рис. 5.13). Внутренний край 1-й радуги — фиолетовый, а наружный — красный. С уменьшением размера частиц при r ˂ 50 мкм цвета перекрываются и образуется «белая радуга». Лучи, выходящие из капли после двух внутренних отражений, образуют 2-ю радугу. Цветные полосы раздвинуты шире, чем в 1-й радуге, и расположены в обратном порядке. Радуга наблюдается на фоне облаков, из которых выпадает дождь, если эти облака освещены солнцем и, стало быть, расположены против него. Условия, при которых наблюдается типичная радуга (освещённое солнцем облако с дождём), возникают преимущественно в случае кучево-дождевых облаков. Но радуга может иногда наблюдаться и на фоне облаков с мелкими каплями или на фоне тумана. В этом случае она широкая, почти белого цвета, со слабо окрашенными краями. Наблюдается радуга и в брызгах морских волн.

Глория — окрашенные кольца вокруг тени человека, стоящего на вершине горы и наблюдающего свою тень на слое капельного облака или тумана, расположенного ниже (рис. 5.14). Глория подобна венцу, но наблюдается она не вокруг Солнца или Луны, а вокруг точки, прямо противоположной диску светила. Глория объясняется дифракцией света, до этого уже отражённого в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.

Гало — разнообразные световые кольца и дуги, наблюдаемые при наличии кристаллических облаков в окрестности Солнца или Луны, а также в окрестности противосолнечной точки. Явление гало имеет множество разновидностей (рис. 5.15–5.18).

Осадки, выпадающие из облаков

Атмосферными осадками, или просто осадками, называют все виды воды в её жидком и твёрдом состоянии, которые получает земная поверхность из атмосферы. Основную массу осадков составляет вода, выпадающая из облаков в виде дождя и снега.

Как дождь, так и снег выпадают из облаков двух генетических типов: из облаков восходящего скольжения (фронтальных) и из облаков конвекции (внутримассовых, но иногда и фронтальных). В зависимости от этого и характер выпадения осадков будет различный. Выпадающие осадки разделяются на следующие основные типы: обложные (подтип — моросящие), ливневые и смешанные.

Дождь состоит из капель воды диаметром от 0,5 до 8 мм.

Снег состоит из сложных ледяных кристаллов. Формы снежинок очень разнообразны.

Формирование обложных осадков связано с крупномасштабными вертикальными движениями воздуха, обусловленными фронтальным или орографическим подъёмом либо крупномасштабной горизонтальной конвергенцией. Выпадают они, как правило, на большой площади из облаков слоисто-дождевых и высоко-слоистых. Обложные осадки характеризуются медленным изменением интенсивности и длительным выпадением. Продолжительность обложных осадков, связанных с прохождением обширных циклонов радиусом 500–600 км или медленно смещающихся фронтов, как правило, составляет 10–12 часов.

Обложные осадки могут быть как в виде дождя, так и снега. Снег может выпадать не только при отрицательных, но и при положительных температурах у земной поверхности. При отрицательных температурах, близких к нулю, он имеет характер мокрого снега или снега с дождём. Для него характерны крупные хлопья, образовавшиеся путём слипания влажных снежинок.

Моросящие осадки выпадают из облаков слоистых и слоисто-кучевых. Морось состоит из очень мелких капель диаметром 0,05–0,5 мм. Зимой вместо мороси выпадают ещё снежные зёрна — маленькие крупинки диаметром менее 1 мм. При более низких отрицательных температурах иногда из облаков нижнего и среднего яруса выпадают ледяные иглы — кристаллики.

Ливневые осадки образуются в кучево-дождевых облаках. Они обычно бывают интенсивными и кратковременными. Ливневые осадки могут быть в виде дождя, снега и града. Однако в тропиках они могут выпадать в течение достаточно продолжительного времени (многих часов).

Смешанные осадки обусловлены одновременным действием упорядоченных и конвективных движений, вклад которых различен в зависимости от вида осадков.

Кроме дождя и снега, из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков при отрицательных температурах воздуха выпадает ещё крупа, снежная и ледяная. Она имеет вид округлых ядрышек диаметром от 1 мм и больше. Чаще всего крупа наблюдается при температурах, не очень далёких от нуля, особенно осенью и зимой.

Особый характер имеет ледяной дождь в виде прозрачных ледяных шариков от 1 до 3 мм в диаметре. Это замёрзшие в воздухе капли дождя.

Осадки могут выпадать и из чисто ледяных облаков верхнего яруса, но они испаряются в процессе их падения и не достигают земной поверхности.

Электричество облаков и осадков

Капли облаков и осадков, в том числе и твёрдые элементы облаков и осадков, чаще бывают электрически заряжены.

Распределение зарядов в кучево-дождевых облаках, т. е. скопление электричества одного знака в одной части облака и другого знака в другой, приводит к огромным значениям электрического поля атмосферы в облаках, между облаками и Землёй.

Типичное развитие кучево-дождевого облака и выпадение осадков из него связано с мощным проявлением атмосферного электричества — грозой.

Гроза — атмосферное явление, представляющее собой электрические разряды в атмосфере, сопровождаемые молнией и громом, сильным порывистым ветром, ливневыми осадками, иногда градом (рис. 5.19).

Различают грозы фронтальные и грозы конвективные (рис. 5.20, 5.21). Продолжительность грозы в каждом отдельном случае и месте может длиться от нескольких минут до нескольких часов. Число молний при отдельной сильной грозе измеряется десятками в одну минуту.

Молнии, возникающие при грозе, имеют различную форму — линейные, плоские, шаровые и чёточные. Грозовое облако иногда освещается красноватым светом при отсутствии грозовых раскатов. Это плоская молния.

Грозы особенно часты над сушей в тропических широтах. Есть районы, где в течение года отмечается 100–150 дней с грозой. В океанах в этой зоне гроз отмечается меньше — 10–30 дней в году.

В субтропических широтах над морем отмечается от 5 до 20 дней с грозой, в умеренных широтах — 5–10 дней, в полярных широтах грозы — единичное явление. Над океаном грозы в холодных воздушных массах, нагревающихся снизу от тёплой подстилающей поверхности воды, развиваются и зимой.

Над океанами зонами повышенной грозовой активности являются область юго-западной Атлантики у берегов Южной Америки, а в Тихом океане — об- ласть, простирающаяся от экватора до 25º ю. ш. и от 150º в. д. до 135º з. д.

Дымка, туман, парение моря и мгла

Скопление в приземном слое воздуха продуктов конденсации и сублимации водяного пара, в результате чего возникают явления ухудшения видимо- сти в горизонтальном и вертикальном направлении у земной поверхности, называются дымкой или туманом (рис. 5.22).

Дымка возникает у земной поверхности в результате конденсации (сублимации) водяного пара с образованием мельчайших капель воды (кристаллов), которые, будучи взвешены в приземном слое подобно облакам, создают слабое помутнение атмосферы и ухудшают метеорологическую дальность видимости. Видимость при дымке изменяется в довольно широких пределах — от 1 до 10 км. Относительная влажность воздуха при этом обычно не ниже 85 %.

Туман — скопление продуктов конденсации (сублимации) водяного пара в воздухе, непосредственно над поверхностью моря, которое характеризуется ухудшением горизонтальной видимости менее 1000 м. Вертикальная видимость при этом может быть менее 30 м.

Различают следующие виды туманов:

• сплошной — в воздухе ощущается сырость, неба не видно, цвет тумана белесоватый;
• просвечивающий — видимость низкая, но через него просвечивают небо, облака, звёзды, диск солнца или луны;
• стелющийся (приводный) — образуется над морем в приводном слое. Его мощность составляет несколько метров. Как правило, высокие надстройки судна видны над туманом. Возникает обычно ночью в ясную погоду, а утром рассеивается;
• ледяной — состоит из кристалликов. Образуется при отрицательных температурах воздуха, при сильных морозах и большой влажности. Днём при солнечном освещении, ночью при лунном свете или при свете фонаря ледяной туман распознаётся по свечению граней ледяных кристаллов. Может быть просвечивающим или приводным. Высота приводного тумана не более 2 м над водной поверхностью;
• туман на расстоянии — наблюдается на удалении от судна в приводном слое как зона ухудшения видимости из-за конденсации водяного пара в том или ином направлении.

Парение моря (озера, реки) — невысокий туман, иногда очень плотный, над незамерзающим морем, озером, рекой в виде клубов пара при большой разности температуры воды и воздуха (разновидность тумана на расстоянии). Бывают случаи, когда парение моря имеет вид отдельных струек тумана, возникающих у поверхности воды и рассеивающихся уже на высоте 1–2 м (как бы курится струйками тумана). Такое слабое парение на видимость практически не оказывает влияния.

Помутнение воздуха и ухудшение видимости в море может быть не только результатом конденсации водяного пара. Это состояние атмосферы может быть результатом широкого спектра процессов природы и дополняться антропогенными воздействиями. Одним из таких состояний атмосферы, ухудшающих видимость, является мгла.

Мгла — сплошное помутнение воздуха, обусловленное наличием в нём большого количества аэрозоля (частичек пыли от пыльной или песчаной бури, промышленного или транспортного дыма, гари). При мгле отдельные предметы принимают сероватый оттенок, а солнце, особенно когда оно у горизонта, часто имеет желтовато-красноватый цвет, контуры его диска не имеют резких границ. Этими особенностями и обычно малой влажностью мгла отличается от дымки и тумана. При мгле видимость менее 10 км, но бывают случаи, когда она отмечается и с видимостью менее 1 км.

Над сушей мгла может распространяться до высоты 8–10 км. Для морей и океанов мгла не характерна, но она отмечается при сильных лесных пожарах, пыльных и песчаных бурях вблизи побережий. Например, мгла отмечается в Атлантическом океане вблизи побережья Северной Африки, где преобладают восточные ветры, приносящие пыль из Сахары.

Литература

Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]

• Средства связи и сигнализации на судах
• Мореходные приборы и инструменты
• Окрасочные работы на судне
• Обязанности вахтенного матроса
• Пожарная безопасность судна