Сколько весят облака и почему они не падают вниз

Облака — это скопления капель воды или кристаллов льда, которые образуются в атмосфере из водяного пара. Их можно увидеть с Земли или даже из космоса. На небе облака предстают перед нами в разных формах и цветах, зависящих от их состава, температуры и высоты.

Облака состоят в основном из воздуха и миллионов крошечных капелек воды, которые образуются, когда вода конденсируется вокруг «затравочной» частицы. Кстати, эти частицы могут быть чем угодно, например, азотной кислотой. Главное, что они очень маленькие.

Когда температура в облаке выше −10 °C, его частицы состоят из водяных капель. Если температура опускается в диапазон от −10 до −15 °C, облако становится смешанным: в нем сосуществуют капли воды и ледяные кристаллы. При еще более низкой температуре, ниже −15 °C, облако полностью состоит из кристаллов льда. Важно отметить, что водяной пар, из которого изначально формируются облака, не остается в них в чистом виде, а превращается в видимые частицы.

Когда капли или кристаллы в облаке увеличиваются, они начинают падать под действием силы тяжести. Если их вес становится больше, чем сила восходящих потоков воздуха. Это может привести к осадкам, если частицы не успеют испариться до того, как достигнут поверхности. Разные виды облаков производят разные виды осадков. К примеру, дождевые и слоисто-дождевые облака часто приносят значительные осадки, а мелкие снежинки или морось выпадают из облаков с однородным составом, таких как слоистые или слоисто-кучевые.

Облака играют важную роль в климате нашей планеты. Они помогают регулировать температуру Земли. С одной стороны, облака отражают солнечный свет, снижая нагрев поверхности. Это явление называется альбедо. С другой стороны, облака задерживают тепло, создавая парниковый эффект. Такая двойная роль облаков помогает сглаживать перепады температур как в течение суток, так и в разные сезоны, влияя на климатические условия на всей планете и в отдельных регионах.

Облака, как и туманы, появляются благодаря переходу водяного пара в жидкое или твердое состояние. Этот процесс происходит из-за того, что воздух становится более влажным или охлаждается. Чаще всего оба эти явления работают вместе, создавая условия для формирования облаков.

Главная причина охлаждения воздуха — его подъем вверх. Это может быть связано с движением воздушных масс в вертикальном направлении, а иногда с их перемещением по горизонтали, когда теплый воздух оказывается над холодной землей. Например, подъем воздуха чаще всего связан с температурными изменениями на высоте, в то время как горизонтальное движение воздушных масс называют адвекцией.

Но остановимся на самом интересном — на том, как облака образуются именно из-за того, что воздух поднимается. Этот процесс сильно отличается от образования тумана. Туман остается у поверхности земли, не стремится ввысь, тогда как облака формируются значительно выше.

Существует несколько причин, почему воздушные массы начинают движение вверх. Одна из них — это конвекция. Представьте, что воздух поднимается вверх, словно он решил устроить себе прогулку в гору. Чем выше он поднимается, тем сильнее расширяется (адиабатное расширение). Это похоже на то, как если бы вы раздували воздушный шар: воздух внутри занимает больше места, но тепла извне он не получает. Все дело в том, что этот процесс происходит быстро, и воздух просто не успевает «обменяться» теплом с окружающей средой. Поэтому он охлаждается за счет своей энергии.

Поднимаясь все выше, воздух начинает остывать. В какой-то момент его температура падает до того уровня, когда водяной пар в воздухе начинает превращаться в крошечные капельки воды. Это и есть точка росы — та самая температура, при которой пар начинает конденсироваться.

Теперь воздух находится на такой высоте, где начинается формирование облака. Ученые называют эту высоту уровнем конденсации. Чтобы примерно понять, на какой высоте это происходит, метеорологи используют формулу Ферреля: H = 120(T0−Tр). Здесь H — это высота (в метрах), T0 — начальная температура воздуха, а Tр — точка росы.

После того как воздух достигает уровня конденсации, все становится еще интереснее. Новый поток воздуха поднимается снизу и начинает «строить» облако вверх. Оно растет и растет, пока воздух, поднявшийся наверх, не станет таким же холодным, как окружающая среда. В этот момент движение вверх замедляется, и облако перестает расти. Верхнюю границу такого облака называют уровнем свободной конвекции.

Есть несколько способов измерить вес облака. Первый — взвесить водяной пар, из которого он состоит, и тут нужно понимать насколько плотно «упакованы» капли в облаке.

Несколько лет назад Маргарет Лемон, специалист по атмосферным исследованиям из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, США, задалась вопросом о весе воды в среднем кучевом облаке. Сначала она измерила размер тени облака и оценила его высоту, посчитав, что облако приблизительно будет похоже на куб. Конечно, облака обычно не имеют кубической формы, но кучевые часто бывают примерно такими же высокими, как и широкими, поэтому это предположение помогло упростить расчет объема.

Затем, основываясь на предыдущих исследованиях, она оценила плотность капель воды примерно в 1/2 грамма на кубический метр. Так она получила вес в 499 тонн воды! Это примерно вес 100 слонов, которые висят над вашей головой. Однако весь объем облака — это не только капли; там также есть воздух. Поэтому к весу в 499 тонн стоит прибавить вес воздуха между каждой каплей.

Такое же уравнение для расчета веса облаков приводит и Филлис Энгельберт в своем издании The Complete Weather Resource. Ученый утверждал, что легче измерять небольшие и средние кучевые облака, поскольку они имеют одинаковые значения длины, ширины и высоты. Конечно, разные типы облаков имеют разный вес.

Но если облака такие тяжелые, почему они не падают? Во-первых, капли настолько малы, что когда они падают, то очень медленно. Средняя капля в облаке примерно в 1 миллион раз меньше капли дождя, а это соотношение размеров Земли и Солнца. Высотные ветровые потоки уносят эти крошечные капельки, удерживая их в воздухе гораздо дольше, чем если бы они были статичными.

Тепловая конвекция также помогает удерживать капли в воздухе. «Облако на самом деле менее плотное, чем воздух непосредственно под ним», — объясняют эксперты. Когда теплый воздух (и теплая вода) поднимается, он становится более плавучим, чем холодный (и холодная вода) под ним, подобно слою пенки над кофе в капучино.

Конечно, можно сказать, что облака «падают» в виде дождя. Когда облачные капли охлаждаются и конденсируются, они растут, в конце концов становясь настолько тяжелыми, что падают на Землю. И хотя капля дождя намного больше, чем облачная, каждая дождевая капля по-прежнему имеет диаметр всего два миллиметра. Так они распределяют вес, чтобы 499 тонн воды не обрушились на планету единоразово.