Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы

2. Микрофизика облаков

Для выпадения интенсивных осадков необходимы облака смешанного типа. При изучении размеров облачных капель было установлено, что облака состоят из капель размером от 2–3 до 70 мк (в слоистых облаках около 7 мк, в слоисто-дождевых – 9–10мк), иногда до 100–200 мк. Скорость падения капель воды с малым размером (до 10 мк) ничтожно мала – 1 см/с, поэтому такие капли находятся во взвешенном состоянии. Более крупные капли падают сравнительно быстро: скорость падения капель диаметром 1мм составляет 2 м/с. При этом, в слоистых, кучевых облаках мелкие капли сосредоточены у основания, а крупные – в верхней части облака. Так как размер облачных капель очень мал, то в 1 см³ воздуха водяного облака насчитывается несколько сотен капель, число кристаллов льда в 1 см³ ледяного облака намного меньше: 1 кристалл на несколько см³. Определение числа капель в единице объема облака представляет большие трудности. Поэтому число капель нередко устанавливают по так называемой водности облака.

Водность облаков, ее распределение с высотой и изменение во времени определяются процессами переноса тепа и влаги в атмосфере. Она зависит от температуры воздуха, вертикального градиента температуры, скорости вертикальных движений, интенсивности турбулентного обмена.

Измерения водности облаков показали, что в облаках, как правило, капельножидкой влаги меньше, чем парообразной.

Водность облаков изменяется в широких пределах, причем в водяных облаках она больше, чем в ледяных. В водяных облаках в 1 м³ воздуха содержится от 0,1 до 0,3 г воды, в смешанных – до 0,7–1,8 г/м³ (до 4 г/м³ при высокой температуре, высокой скорости вертикальных движений в кучево-дождевых облаках). В ледяных облаках – сотые и тысячные доли грамма в 1 м³ (низкая температура воздуха, малое влагосодержание).

Для образования капель недостаточно насыщения, необходимо значительное пересыщение, которое в естественных условиях не наблюдается. Процесс образования зародышевых, или первичных, капель в естественных условиях облегчается тем, что водяной пар осаждается на ядрах конденсации, обладающих гигроскопичностью (свойством поглощать молекулы водяного пара). Ядрами конденсации могут быть мельчайшие частицы, которые обладают гигроскопичностью или растворены в воде (кристаллы морской соли, окислы серы, частицы пыли, дыма, микроорганизмы и др.). В атмосфере они содержатся в больших количествах. При отсутствии таких ядер образование капелек происходило бы при большом пересыщении воздуха.

Ядра конденсации могут быть различными по диаметру:

• 
  гигантские ядра (от 1 до 3,5 мкм).
  
• 
  крупные ядра (от 0,1 до 1 мкм) (как правило, частицы морских солей).
  
• 
  ядра Айткена (менее 0,1 мкм), содержатся в реальной атмосфере в значительных количествах, но остаются не активными. Конденсация на них может идти лишь при значительном пресыщении воздуха (в лабораторных условиях).
  

Ранее предполагалось, что развитие ледяных кристаллов в атмосфере идет на т.н. ядрах сублимации. Ядра сублимации – гипотетические твердые частички, отличные от замерзшей воды, на которых идет сублимация водяного пара в воздухе. Предполагалось, что это частички твердых тел с кристаллическим строением, близким к строению льда (кварц, AgI, AgB). Опыты не подтвердили образование льда на кварце, а йодистых соединений в естественных условиях в атмосфере нет. Теперь считается, что сначала возникают зародышевые капли на ядрах конденсации, при отрицательных температурах они замерзают и на них формируются кристаллы. Возможно, процесс замерзания стимулируется наличием ядер замерзания. Ядра замерзания – частички, введение которых в переохлажденную воду приводит к ее замерзанию. По-видимому, это крупные (1–10 мкм) почвенные или вулканические частички, продукты сгорания, споры и т.д. Искусственные ядра замерзания – дымы AgI. Замерзание без ядер (спонтанное) возможно лишь при температуре -40ºС.

3.Световые явления в облаках

Солнечный свет (видимая часть) состоит из семи цветов спектра. Когда лучи солнца проходят через атмосферу, частицы пыли, кристаллы льда и капли воды расщепляют свет на различные цвета. В связи с облаками в атмосфере возникают самые разнообразные световые явления.

Гало возникают в облаках верхнего яруса – перисто-слоистых (рисунок 34). Основной формой гало являются светлые круги вокруг Солнца (Луны) радиусом 22º или 46º, центры которых совпадают с центром солнечного (лунного) диска. Круги эти слабо окрашены в радужные тона, при этом красный цвет внутри (преломление боковыми гранями шестиугольной призмы).

К дополнительным формам гало относятся:

• 
  ложные солнца,
  
• 
  касательные дуги к кругам,
  
• 
  световые столбы,
  
• 
  горизонтальный круг,
  
• 
  крест и др.
  

Рисунок 34 – Гало вокруг Солнца в перисто-слоистых облаках (http://meteoweb.ru/cl005.php)

Ложное солнце – резко очерченное яркое пятно на небесном своде, производящее впечатление второго солнца. Располагаются ложные Солнца на одном уровне с настоящим, на угловом расстоянии 22º или 46º. Ложное противосолнце наблюдается в точке, противоположной положению истинного Солнца.

Световые столбы возникают, когда солнце находится вблизи горизонта. Они тянутся вертикально вверх на 15º. Как правило, они бесцветные, а на вечерней заре могут окрашиваться в красные тона (рисунок 35).

Рисунок 35 – Световой столб, снятый сразу после захода Солнца (http://meteoweb.ru/2009/phen063.php)
Горизонтальный круг – светлый бесцветный круг, параллельный горизонту и проходящий через диск Солнца (Луны). На нем располагаются ложные солнца (луны), поэтому он получил название «круг ложных солнц».

Крест образуется при пересечении светового столба с дугой или горизонтальным кругом.

Гало объясняются преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков или отражением света от граней кристалла. Разнообразие форм зависит от типов кристаллов, их ориентации в пространстве, движения, а также от высоты солнца.

Венцы возникают в водяных облаках, а также в тумане вокруг искусственных источников света. Представляют собой светлый круг, окружающий диск светила, окрашенный в голубые тона. Радиус круга (ореола) зависит от диаметра капель: чем больше диаметр капель, тем меньше радиус ореола. При широком диапазоне размеров капель венцы сводятся только к ореолу. При однородных каплях ореол может быть окружен дополнительными кольцами.

Венцы вокруг искаженных источников света окрашены в радужные цвета (красный снаружи). Венец – оптическое явление, наблюдаемое при тонких облаках и обусловленное дифракцией света, производимой облачными элементами (капельками).

Глория – оптическое явление в атмосфере, представляют собой цветной круг (венец) вокруг тени головы наблюдателя. Глория подобна венцу, но возникает в точке, противоположной диску светила. Можно наблюдать в горах или при полете на самолете (вертолете) на облаках вокруг тени наблюдателя (рисунок 36).

Брокенский призрак (по названию г. Брокен – Гарц, Саксония) – увеличенная тень альпинистов, которая ложится на туман или облака. Брокенский призрак – оптическое явление в горах; тень наблюдателя на близкой поверхности облаков или тумана, вокруг тени головы иногда возникает глория.

Рисунок 36 – Глория с борта самолета (http://meteoweb.ru/2009/phen062.php)

Радуга представляет собой дугу радиусом около 42º, окрашенную в цвета спектра: красный вверху, фиолетовый – внизу (рисунок 37). Эта дуга – часть окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей солнце и глаз наблюдателя. Радуга наблюдается на фоне облаков, из которых идет дождь и которые освещены.

Радуга – оптическое явление в атмосфере, обусловленное процессами преломления, отражения и дифракции света в водяных каплях (Метеорологический словарь, 1974).

Рисунок 37 – Двойная радуга (http://meteoweb.ru/2009/phen052.php)

жүктеу/скачать 8.34 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: