Все мы знаем, как непостоянна и капризна погода. То стоят сухие и ясные дни, то несколько суток подряд льёт дождь и, кажется, конца ему не будет. Иногда же погода резко меняется по несколько раз в день.
Чем вызваны все эти перемены погоды? В каких случаях выпадает дождь? Откуда берутся в воздухе такие огромные массы воды? Как они в нём удерживаются? Попробуем вылить с летящего самолёта ведро воды. Она не задержится в воздухе ни одной секунды. Как же в облаках подолгу держатся тысячи вёдер воды?
Мы уже указывали, что в воздухе постоянно находится водяной пар. Если спросить кого-либо, видел ли он водяной пар, он чаще всего ответит утвердительно и назовёт туман и облака. Это неверно. Водяной пар в воздухе невидим. То, что мы видим как туман или облако, является мельчайшими водяными капельками.
Водяной пар, как мы уже говорили, попадает в воздух при испарении воды с поверхности морей, озёр, рек и с поверхности почвы и растительности. Это испарение происходит не только при кипении или при высокой температуре. Испаряется, или, как говорят, «высыхает», влага и при низких температурах и даже на морозе. Это хорошо знают хозяйки, вывешивающие зимой на мороз для просушки бельё. Но испарение происходит быстрее при высоких температурах и в сухом воздухе. Объясняется это тем, что чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нём содержаться (рис. 9). Наибольшее количество водяного пара, остающегося в одном кубометре воздуха невидимым при разных температурах, следующее:
- при 30 градусах мороза 0,5 грамма;
- при 20 градусах мороза 1,0 грамма;
- при 10 градусах мороза 2,5 грамма;
- при нуле градусов 5,0 грамма;
- при 10 градусах тепла 9,5 грамма;
- при 20 градусах тепла 17,0 грамма;
- при 30 градусах тепла 31,0 грамма,
Если при указанных температурах количество водяного пара в воздухе окажется большим, — то он начнёт превращаться в капельки, образуя облака или туман.
Представим себе следующий случай: в воздухе, при температуре 20 градусов тепла, находится определённое количество водяного пара, скажем, 15 граммов в кубометре. Это не так много: при 20 градусах тепла воздух может содержать 17 граммов водяного пара. Предположим теперь, что этот воздух охладился и его температура снизилась до 10 градусов тепла. Что произойдёт с водяным паром? Обратившись к табличке, мы увидим, что при 10 градусах тепла в кубометре воздуха может содержаться только 9,5 грамма водяного пара, а у нас в нём находится 15 граммов, т. е. на 5,5 грамма больше. Куда же девается этот излишек? Он превращается в капельки воды и образует облако.
Для того, чтобы убедиться в этом, понаблюдаем за кипящим самоваром или чайником. Мы увидим, что воздух около самой крышки самовара или носика чайника прозрачен, а белое облачко «пара» появляется только на некотором расстоянии от чайника (рис. 10). Попробуем поднести руку к самому носику чайника, туда, где белого облачка ещё нет. Мы сразу же почувствуем сильный ожог и рука увлажнится — на ней осядут капельки воды.
Поднесём теперь руку к белому облачку. На неё и здесь осядут капельки воды, но ожог будет значительно слабее.
Что же здесь произошло? В первый раз мы поместили руку в струю водяного пара, находящегося в очень нагретом воздухе, т. е. туда, где количества его не достаточно, чтобы насытить воздух, и пар оставался невидимым. Когда же струя пара охладилась от руки, то вода сейчас же осела на неё капельками. На большем расстоянии от чайника холоднее, чем у самого носика, поэтому ожог был слабее. Но поэтому-то и водяной пар здесь уже превратился в капельки и стал видимым как облачко. Из-за охлаждения воздуха образуются облака и в природе.
Чтобы лучше понять это, вспомним погоду в хороший жаркий летний день. В такой день утром небо чисто. Солнце сильно греет, и постепенно становится всё жарче. Около полудня на небе появляются отдельные мелкие облака; они постепенно увеличиваются, становятся более плотными, но всё же остаются в виде отдельных клочьев, «куч» — они так и называются кучевыми. К вечеру облака начинают постепенно оседать, растекаться и после захода Солнца исчезают совершенно: над головой сверкают тысячи ярких звёзд.
Почему же облака образовались отдельными кучами и только днём и исчезли к ночи?
Причина этого заключается в нагревании Солнцем земной поверхности. Различные её участки нагреваются по-разному. Кусок пахоты нагревается больше, чем покрытая растительностью почва; меньше нагреваются лес или вода (рис. 11). Если Солнце грело очень сильно, то некоторые части воздуха, лежащие над более нагретыми кусками земной поверхности, сами нагрелись сильнее других, стали много легче, чем соседние части воздуха, и поэтому начали подниматься, «всплывать» вверх. Поднимаются они таким образом до большой высоты — километр-два и больше. На этой высоте, как мы уже говорили, воздух значительно холоднее, и наши воздушные «пузыри», поднявшиеся сюда, сильно охладятся и часть содержащегося в них водяного пара соберётся в мельчайшие капельки воды, которые мы и увидим как облако (рис. 12). К вечеру нагревание и подъём воздуха прекращаются, и внизу начинается его охлаждение от сильно остывающей к ночи почвы. Поднявшиеся вверх части воздуха опускаются и снова нагреваются; при этом вода вновь превращается в невидимый водяной пар — облака исчезают.
Иногда, в жаркий день, большие воздушные «пузыри» поднимаются очень высоко — на несколько километров. В этом случае образуются высокие и тёмные облака, часто целиком закрывающие небо. В воздухе душно, «парит». Наконец, начинается сильный ливень, который быстро проходит. Вслед за ним сразу же появляются просветы голубого неба, они всё расширяются, облака оседают и к вечеру совсем исчезают; ночью опять становится ясно.
В обоих примерах явление и его причина одинаковы. Только в первом случае всё было слабее, во втором — сильнее.
Из сказанного можно заключить, что и облака, и дождь были вызваны подъёмом воздуха вверх и его охлаждением. Так это действительно и есть. Почему же всё-таки дождь выпадает не во всех случаях, когда на небе видны облака, хотя бы. очень мощные и плотные?
Это зависит от свойств облачности. Если мы начнём охлаждать воздух, содержащий много водяного пара, но совершенно чистый, мы не вызовем образования в нём облака или тумана, хотя и охладим его ниже той температуры, при которой водяной пар уже должен был бы слиться в капли воды. Но если мы повторим этот опыт, загрязнив немного тот же воздух (сильно увеличено), мелкой пылью или дымом, то туман или облако образуются очень скоро. Дело в том, что для образования из водяного пара капелек воды необходимо присутствие в воздухе очень мелких твёрдых или газообразных частиц. На них-то и происходит оседание воды. В земной атмосфере мы всегда имеем очень большое количество пыли, соли от морских брызг, дыма и других частиц. Каждая такая частица собирает на себе много воды — в 20 — 40 раз больше, чем она сама. И все-таки облачная капля ещё очень мала — она меньше дождевой в несколько сот раз (рис. 13).
Как же и когда появляются в воздухе крупные дождевые капли, такие, как мы видим, например, при ливне? Вначале полагали, что они образуются от слияния между собой нескольких малых капелек. Но подсчёт показал, что для образования таким образом ливневых капель нужно было бы несколько суток, а мы знаем, что на самом деле от времени образования ливневого облака до выпадения дождя проходит не больше двух часов.
Вопрос разрешил норвежский учёный Бержерон. Он доказал, что выпадение дождя происходит только в том случае, если в воздухе одновременно находятся и ледяные кристаллы, и водяные капли, т. е. тогда, — когда происходит образование капелек воды на той высоте, где температура ниже нуля.
Напомним, как обычно начинается летний дождь. Развивается мощное кучевое облако. Оно уже выросло в виде огромной горы, но дождя всё же не даёт. Но вот верхушка облака поднимается ещё выше и покрывается как бы пеленой, становится не такой резкой. Это значит, что облако достигло того слоя, где температура ниже нуля градусов и верхушка облака обмёрзла; в ней облачные капли превратились в ледяные кристаллы. Очень скоро после этого начинается ливень.
Оседание капелек водяного пара на ледяные кристаллы происходит чрезвычайно быстро. Для этого достаточно десяти — двадцати минут. При этом ледяные кристаллы сильно увеличиваются в весе, не могут уже держаться в воздухе и падают вниз. По дороге они сталкиваются с встречающимися на пути капельками воды, собирают их на себя, ещё больше увеличиваются и быстрее летят к Земле. Если внизу температура достаточно высока, то температура капли, по мере падения, возрастает и вода постепенно растворяет ледяной кристалл. Тогда на Землю падает не кусочек льда, а большая капля воды. Зимой этого не бывает, и на Землю падает снег. Но бывает и так, что летом льдинки не успевают растаять в воздухе и выпадают на Землю в виде града. Чаще всего град бывает мелким и не приносит особенного вреда, но изредка он достигает большой величины. Так, в 1926 г. в Одессе отдельные градины весили до 300 граммов. Такой град приносит сильные разрушения, выбивает посевы, губит скот, пробивает крыши.
Иногда ливни сопровождаются грозой — блистает молния, гремит гром. Причина этих явлений состоит в том, что отдельные облачные капельки приобретают разные электрические заряды, которые накапливаются в разных частях облака; эти заряды в виде искр (молния) время от времени проскакивают по воздуху между облаками или между облаком и Землёй. Мы слышим треск этой проскакивающей искры, который будит эхо и потому раскатывается продолжительное время, «грохочет». Это и есть гром. (Об этом рассказывается в книжке И. С. Сокольникова «Молния и гром», Гос-техиздат, 1946.)
Источник:
