От чего зависит форма облаков?

Поднимите голову. В летнем небе часто видны облака, похожие на цветную капусту: пышная белая верхушка и почти ровное основание. Кажется, будто облако — это отдельный предмет, плавающий в воздухе. На самом деле облако больше похоже на видимый участок постоянно движущегося потока: одни капли и кристаллы в нём возникают, другие исчезают, а общая форма некоторое время сохраняется.

Дальше: Как это работает →

Сам водяной пар невидим: это отдельные молекулы H₂O, смешанные с азотом, кислородом и другими газами воздуха. Белым облако становится тогда, когда часть воды собирается в микроскопические капли или кристаллы льда. Они уже достаточно велики, чтобы рассеивать солнечный свет.

Здесь важно не представлять воду в облаке как вещество, которое раз и навсегда выбрало одно состояние. В одном и том же облаке вода может одновременно находиться в трёх фазах: в виде невидимого пара, жидких капель и твёрдых ледяных кристаллов. Более того, при температуре ниже 0 °C капля вовсе не обязана немедленно замёрзнуть. Она может оставаться жидкой — такую воду называют переохлаждённой.

Почему воздух, поднимаясь, создаёт облако

Солнце нагревает поверхность, а от неё прогревается нижний слой воздуха. Более тёплая порция воздуха становится легче окружающей и поднимается. С высотой давление уменьшается. Поднимающийся воздух расширяется и тратит на это часть своей внутренней энергии, поэтому его температура падает. Это называется адиабатическим охлаждением.

Чем холоднее воздух, тем меньше водяного пара соответствует равновесию с жидкой водой. Когда поднимающийся воздух охлаждается до точки росы, молекулы воды начинают всё чаще присоединяться к мельчайшим частицам аэрозоля — пыли, солям, продуктам горения. На этих ядрах конденсации вырастают микрокапли, и до этого прозрачный воздух становится облаком.

Поэтому у многих кучевых облаков основания находятся примерно на одной высоте: воздушные порции у поверхности стартуют с похожими температурой и влажностью и достигают точки росы примерно на одном уровне. Эта высота называется уровнем конденсации. Но это не жёсткая горизонтальная «полка»: смешивание воздуха, рельеф и неодинаковая влажность могут её менять.

1. капли растут — «цветная капуста»
2. уровень конденсации — плоское основание
3. тёплый воздух поднимается и расширяется

Почему вода не замерзает сразу при 0 °C

Температура 0 °C — это температура равновесия между обычным льдом и водой при нормальном давлении, но она не означает, что каждая отдельная микрокапля обязана тут же превратиться в лёд. Чтобы начать кристаллизацию, молекулам нужно образовать маленький устойчивый зародыш ледяной решётки. В чистой крошечной капле такой зародыш возникает трудно. Поэтому облачные капли способны оставаться жидкими при −5, −10 и даже −20 °C.

В атмосфере замерзанию помогают особые аэрозольные частицы — ядра льдообразования. Их эффективность различна, поэтому при одной и той же температуре одно облако может содержать много переохлаждённых капель, а другое — заметно больше льда. При температурах порядка −38 °C и ниже самопроизвольное, или гомогенное, замерзание обычных облачных капель становится настолько вероятным, что жидкая фаза сохраняется значительно хуже.

Три фазы могут существовать одновременно

Диапазон примерно от 0 до −38 °C особенно интересен. Здесь облако может быть жидким, ледяным или смешанным. В смешанном облаке рядом существуют переохлаждённые капли и ледяные кристаллы, а между ними находится невидимый водяной пар. Иногда они действительно перемешаны в одном небольшом объёме; иногда облако состоит из соседних «карманов», где преобладает то жидкая, то твёрдая фаза.

Температура	Что может происходить
выше 0 °C	В облаке обычно преобладают жидкие капли и водяной пар.
0…−10 °C	Переохлаждённые капли обычны; лёд появляется при наличии подходящих ядер льдообразования.
−10…−38 °C	Возможны жидкие, ледяные и смешанные облака; доля фаз сильно зависит не только от температуры.
ниже ≈ −38 °C	Гомогенное замерзание капель становится очень вероятным; облака обычно становятся преимущественно ледяными.

Важно: это не таблица «процентов воды и льда». Универсального соотношения фаз для каждой температуры нет. Оно зависит от влажности, количества ядер льдообразования, размеров капель, скорости подъёма воздуха, турбулентности и от того, что происходило с облаком несколько минут назад.

1. ниже −38 °C: почти только лёд
2. 0…−38 °C: переохлаждённые капли и лёд вместе
3. выше 0 °C: капли

Почему лёд может расти рядом с жидкими каплями

Есть ещё одна тонкость. Ниже 0 °C равновесное количество водяного пара над льдом меньше, чем над переохлаждённой жидкой водой. Иначе говоря, при одной и той же температуре ледяному кристаллу для сохранения достаточно менее влажного воздуха, чем капле.

График показывает не долю льда в облаке, а различие условий равновесия над жидкой водой и льдом. Расчёт по параметризациям Murphy & Koop (2005).

Представим, что влажность оказалась между этими двумя уровнями. Для капли такой воздух уже слишком сух: она понемногу испаряется. Для ледяного кристалла тот же воздух, наоборот, достаточно влажен, и кристалл растёт. Молекулы воды фактически переходят от капель через газовую фазу к льду. Этот механизм помогает ледяным кристаллам увеличиваться и участвует в образовании осадков.

Но и здесь нет простого сценария «весь лёд обязательно съест всю воду». Восходящий поток может постоянно приносить новый водяной пар и создавать новые капли, турбулентность перемешивает разные части облака, а кристаллы выпадают вниз. Поэтому смешанные облака способны существовать долго.

От чего зависит количественное соотношение фаз

Температура — только первый фактор. Чем холоднее, тем в среднем легче образуется лёд, но две воздушные массы с одинаковой температурой могут иметь совершенно разный состав. Если в воздухе мало активных ядер льдообразования, переохлаждённые капли могут сохраняться долго. Если таких частиц много, оледенение начинается раньше. Сильный восходящий поток повышает влажность и постоянно создаёт новые капли; нисходящий и более сухой воздух заставляет их испаряться.

Имеет значение даже «биография» облака. Воздух мог быстро подняться и охладиться, медленно опуститься, смешаться с сухим слоем или несколько раз пройти через восходящие и нисходящие движения. Поэтому температура сама по себе не позволяет точно вычислить процент жидкой и твёрдой воды. Наблюдения с самолётов действительно показывают широкий разброс доли жидкости и льда в одном температурном диапазоне.

Откуда берётся форма «цветной капусты»

Теперь к форме облака. В кучевом облаке снизу непрерывно поднимаются порции тёплого влажного воздуха. Достигнув уровня конденсации, они становятся видимыми. Конденсация выделяет скрытую теплоту, поэтому насыщенный воздух при дальнейшем подъёме охлаждается медленнее сухого и может продолжать расти вверх. Отдельные восходящие струи и турбулентные вихри создают округлые бугры — ту самую «цветную капусту».

По краям облака влажный воздух смешивается с более сухим окружающим. Капли там испаряются, поэтому контур облака постоянно размывается и возникает заново. Облако похоже на струю воды в фонтане: форма видна долго, хотя конкретные частицы вещества всё время сменяются.

Когда сценарий меняется

Если атмосфера устойчива и сильных восходящих струй нет, охлаждение происходит сразу в широком слое — тогда возникают слоистые облака. В горах поток вынужден подниматься по склону или колебаться за хребтом; в гребне такой волны воздух охлаждается и образует линзовидное облако, а после спуска снова прогревается и капли испаряются. Воздух проходит сквозь облако, хотя само оно может казаться неподвижным.

Высоко в тропосфере температура настолько низкая, что облака часто состоят главным образом из ледяных кристаллов. Так устроены многие перистые облака. Но формулировка «пар сразу превращается в лёд» слишком груба: лёд может появляться через замерзание переохлаждённых капель или микроскопических аэрозольных частиц, а детали зависят от температуры и влажности. Так облако непрерывно перестраивается.

** **

Дальше: Глубже →

Дополнение редакции. Этот уровень написан по двум предыдущим и эксперт (В.А. Гордин) его не проверял. Проверенный текст — во вкладках «Кратко» и «Как это работает».

Кто дал облакам имена. Лондонский аптекарь Люк Говард в 1802 году предложил называть облака по-латыни — cumulus, stratus, cirrus, nimbus — и объяснил, что форма отражает, как воздух движется: кучевое — подъём, слоистое — покой. Гёте посвятил ему стихи, а классификация дожила до наших дней. Но почему в облаке одновременно живут капли и лёд и что из этого следует для дождя, поняли только через сто с лишним лет.

Три фазы и одна разница давлений. Над переохлаждённой водой и над льдом при одной температуре давление насыщенного пара разное: над водой выше. Отношение растёт с морозом:

$$\frac{e_{\text{вода}}}{e_{\text{лёд}}}\approx 1{,}10\ \text{при }-10\ ^\circ\text{C},\qquad \approx 1{,}21\ \text{при }-20\ ^\circ\text{C}$$

%сводка из литературы%

Иначе говоря, воздух, насыщенный относительно капель, для кристалла пересыщен на 10–20 %. Кристалл растёт, забирая пар, капли рядом испаряются, чтобы восполнить его, — и лёд «выпивает» воду из соседей. Это заметил Альфред Вегенер в 1911 году, в дождь превратил Тор Бергерон в 1935-м, а Вальтер Финдайзен в 1938-м измерил: снежинка вырастает до веса, при котором падает, за десятки минут, а капля путём слипания — за часы. Так в облаке умеренных широт почти всякий дождь начинается снегом, тающим по дороге.

Что это меняет для формы. Пока в вершине кучевого облака одни капли, край его резкий, «цветная капуста». Как только появляется лёд, край расплывается, вершина растягивается в волокна — наковальня грозового облака, перистые полосы. По силуэту читается, есть ли внутри лёд, а значит, будет ли осадок.

Границы этого рассуждения.

• Механизм Бергерона — для смешанных облаков. В тропиках дождь идёт из чисто водяных облаков: капли разного размера сталкиваются и сливаются. Два пути к дождю, и какой главный — зависит от широты и высоты.
• Отношение давлений — только начало. Скорость роста кристалла зависит ещё от его формы, а форма — от температуры: пластинки при −2 и −15 °C, столбики при −5 и −25 °C. Это и есть причина, почему снежинки разные.
• Классификация Говарда — о виде, не о физике. Одно и то же кучевое облако бывает водяным и смешанным, снаружи не различить; нужна температура вершины.

О чём спорят. Откуда в облаках при −10…−20 °C столько кристаллов льда, спорят с 1970-х. Ядер, на которых лёд замерзает при таких температурах, в воздухе в сотни и тысячи раз меньше, чем наблюдается кристаллов. Кристаллы размножаются сами — обломками при столкновениях, брызгами при замерзании крупных капель, — но какой из вторичных механизмов главный и в каких облаках, единого мнения нет¹.

Открытый вопрос. Тот же дефицит ядер — главная неопределённость климатических моделей: сколько льда в облаках при −20 °C, столько и отражённого солнца. Лабораторные и самолётные измерения расходятся в разы, и от этого зависит, на сколько потеплеет планета при удвоении углекислого газа.