МИКРОФИЗИКА ОБЛАКОВРазличают микрофизику и макрофизику облаков. Макрофизика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков. Как мы уже отмечали, облака могут состоять из капелек воды (водяные, или капельные облака), ледяных кристалликов (ледяные, или кристаллические облака), а также одновременно из капель и из кристалликов (смешанные облака). Водяные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (примерно до -20 °С) - это переохлажденные водяные облака. Например, при -10 °С облака в 50% случаев водяные, в 30% смешанные и только в 20% ледяные. Водяные капли в облаке имеют различные диаметры — от долей микрометра до нескольких миллиметров. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1...0,5 мм. Как бы ни была мала ледяная капля, она все же существенно тяжелее воздуха. Поэтому возникает естественный вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя? Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Эти удары вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории. Такое движение называют броуновским — по имени английского ботаника Р. Броуна, открывшего его в 1828 г. (Броун наблюдал движение очень мелких твердых частичек, взвешенных в жидкости; частички двигались под действием ударов со стороны молекул жидкости.) Чем массивнее капля, тем труднее молекулам воздуха отбросить ее и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения, но больше влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским; капля начинает падать под действием силы тяжести. И тогда «вступает в игру» новый фактор, препятствующий падению капли вниз, — сопротивление воздушной среды. Под действием силы тяжести капля начинает падать вниз, ее скорость начинает расти. Одновременно возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздуха F. Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли. По мере возрастания силы сопротивления F уменьшается разность R-F, поэтому скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха сравняется по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекратится, и далее капля будет падать равномерно (ведь теперь равнодействующая сила, приложенная к капле, равна нулю: Р-F=0). Мы видим, таким образом, что совсем не просто ответить на вопрос, почему облако не падает на землю. Здесь надо учитывать многое: тепловое движение молекул воздуха, сопротивление воздуха, испарение капель. Надо принимать во внимание также и ряд других факторов. Так, следует иметь в виду, что с увеличением радиуса капли сила сопротивления воздуха начинает играть все более существенную роль из-за того, что относительно большие капли (радиусом более 100 мкм) при своем падении вызывают турбулентные движения в воздушной среде. Надо учитывать также, что в процессе падения радиус капли вовсе не остается неизменным: наряду с испарением происходит дополнительная конденсация пара на поверхности капли, увеличивающая ее радиус. Возможно также слияние данной капли с другими каплями или, напротив, раздробление ее на несколько более мелких капель. Одним словом, микрофизика облака оказывается достаточно сложной. |
МЕНЮ |