Как образуются облака и осадки


В самом начале этой главы указывалось, что одним из важнейших свойств тропосферы является наличие в ней такого количества водяною пара, которого достаточно для образования плотных облаков и выпадения из них осадков — дождя и снега.

Вода вообще играет огромную роль во всей жизни, во всех явлениях на земном шаре. Около трех четвертей земной поверхности занимают океаны. Снега и ледники покрывают высокие горы, а также обширные пространства в высоких широтах северного и южного полушарий. Большие количества воды содержатся в почве. Огромные массы воды низвергаются на земную поверхность в виде дождя и снега.

Весь характер погоды определяется главным образом тем, имеются ли на небе облака и идет ли дождь или небо ясно и стоит сухая погода. По обилию или отсутствию дождей оценивается благоприятность погоды с точки зрения сельского хозяйства. Частые туманы и низкие сплошные облака или отсутствие тех и других определяют оценку погоды с точки зрения летчика. Во всех отраслях хозяйственной жизни облака и выпадающие из них дождь и снег очень важны. Поэтому и мы здесь подробнее познакомимся с причинами образования облаков и выпадения из них осадков.

Предположим, что мы с вами попали под умеренный и не очень продолжительный дождь. Допустим, что это произошло в городе, на какой-нибудь асфальтированной ровной площади, не имеющей стока. В таких условиях нам было бы легко определить количество выпавшей на эту площадь воды. Мы смогли бы это сделать, измерив обыкновенной школьной линейкой толщину слоя воды, покрывшей асфальт. Такой способ измерения осадков нам уже знаком: именно толщиной слоя воды характеризуют количество выпавшего и измеренного дождемером дождя, снегомерной рейкой измеряют толщину слоя выпавшего снега. Допустим, что наши измерения дали нам 10 миллиметров. Сколько же ведер воды должно было вылиться на Землю, чтобы на ней образовался слой такой толщины?

Зная размеры площади, на которую пролился дождь, подсчитать это не трудно. Лучше, впрочем, такой расчет сделать для 1 гектара. Оказывается, что при таком дожде на 1 гектар вылилось бы 8300 ведер. Но дождь, наверное, пролился не над одной площадью, а над очень большим районом. Значит, в этот раз упало на Землю не меньше 1 миллиона ведер воды.

Но дожди ведь бывают еще более сильными и продолжительными. Сколько же воды дают они? И сколько воды выпадает с дождем и снегом за целый год? Цифры получаются такие большие, что здесь нам опять удобнее говорить о толщине слоя воды в миллиметрах.

Если бы вода, выпавшая при всех дождях и образовавшаяся от таяния снега, никуда не стекала, не впитывалась бы в почву и не испарялась, то за год в центральных районах европейской части Союза, скажем в Московской области, она покрыла бы землю слоем толщиной около 600 миллиметров. На Средней и Нижней Волге толщина годового слоя была бы в 2 и 3 раза меньше; зато в Закавказье, в районе Батуми, она могла бы составить 2,5-3,0 метра, то есть значительно превысить человеческий рост.

На земном шаре есть места, где дождя выпадает еще больше. В некоторых горных районах Индии слой воды от дождей, выпавших в течение года, мог бы достичь в высоту 12 метров! Это составляет больше 10 миллионов ведер воды на 1 гектар. На поверхность всего земного шара в виде дождя и снега за год выпадает столько воды, что ее слой в среднем составляет 743 миллиметра. Сколько же это будет ведер? Цифра получается такой огромной, что нам опять лучше перейти на другую единицу измерения.

Для выражения больших количеств воды, например несомых реками или содержащихся в морях и океанах, в качестве единицы измерения применяют не ведра, а кубические километры или даже тысячи кубических километров. На весь земной шар в среднем в год выпадает 511 тысяч кубических километров воды. Весит эта масса воды многие сотни тысяч тонн.

Откуда же берется столько воды и как она удерживается в воздухе до того, как прольется на Землю?

Мы знаем, что дождь и снег, крупа и град падают из облаков. Поднявшись на самолете выше верхней границы облачности, летчик увидит ясное небо, ослепительно сверкающее Солнце или звезды, и ничто не будет ему напоминать о поливающих внизу Землю потоках дождя, свинцовом небе, слякоти — обо всем том, что вновь охватит его, как только он, идя на посадку, погрузится в колышащееся под ним облачное море.

Откуда же берутся сами облака? Почему они то появляются на небе, то исчезают?

Для того чтобы ответить на этот вопрос, вспомним о «высыхании» воды из лужи, высыхании смоченной дождем почвы или развешанного на дворе мокрого белья. Говорят, вода «испарилась». Само это слово показывает, что вода превратилась в пар. Многие считают, что пар образуется только тогда, когда вода кипит. Это неверно. Испарение воды в воздух происходит при любой температуре, даже при морозе. Это хорошо знают хозяйки и поэтому вывешивают на двор для просушки белье и зимой. Когда тепло, испарение происходит быстрее, когда холодно — медленнее. Поэтому оно так заметно при кипении. Однако испаряется и снег.

Как же осуществляется испарение воды? Вода, как и все другие тела в природе, состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц — молекул. Они настолько малы, что невооруженным глазом мы их совершенно не видим, и вода представляется нам однородной сплошной массой. На самом же деле все молекулы, составляющие воду, расположены на значительных (по сравнению с их размерами) расстояниях друг от друга и находятся в непрерывном движении. Молекулы, движущиеся близко к поверхности воды, в конце концов «выскакивают» из нее в воздух. Часть из них больше не возвращается в воду и остается в воздухе, в виде водяного пара. Таким образом постепенно все большее и большее количество молекул уходит из воды — вода испаряется. При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, и с поверхности воды отрывается все большее их число. Поэтому скорость испарения увеличивается при повышении температуры и становится наибольшей при кипении.

Итак, источником, поставляющим воду в земную атмосферу, является испарение с поверхности Земли. Здесь понятие «поверхность Земли» употреблено в широком смысле слова: подразумевается поверхность всего земного шара — и суша, голая или покрытая растительностью, и реки, озера, моря и океаны. Легко понять, что количество воды, испаряющейся со столь разнообразных по своему характеру и свойствам частей земной поверхности, различно. Меньше всего воды испаряется с голой каменистой пустыни. Много испаряется с поверхности океанов, морей, озер и с покрытой растительностью почвы, так как здесь испарение происходит с поверхности листьев растений, а она очень велика и намного превосходит поверхность того куска Земли, на котором эти растения живут. Особенно сильно испаряет лес; деревья своими корнями поднимают очень большое количество воды из глубинных слоев почвы.

Но как долго может происходить испарение воды в воздух? Можно ли предположить, что в воздухе окажется такое количество водяного пара, что дальнейшее испарение прекратится или будет сильно затруднено? Как мы дальше увидим, в некоторых случаях так и бывает. В большинстве же случаев испарение с поверхности земли в атмосферу происходит всегда. Особенно сильно оно при ветре, так как при этом над каждым участком земной поверхности проносятся все новые и новые количества воздуха, которые уносят с собой поглощенный ими водяной пар и дают место новым массам воздуха, куда опять легко испаряется вода.

Еще сильнее на интенсивность испарения влияют беспорядочные небольшие вихревые движения воздуха вверх и вниз. При этом вверх переносится большое количество влаги, и испарение усиливается.

Но что же происходит в штиль, когда ветра нет и испарение идет в почти неподвижно стоящий над каким-нибудь местом воздух? Мы знаем такие летние жаркие дни, когда большие лужи, оставшиеся от пронесшегося ливня, на глазах высыхают. И почему осенью лужи просыхают очень медленно, хотя воды в них может быть не больше, чем в летних лужах?

Причиной этого заключается в том, что летом обычно бывает теплее, чем осенью. Чем выше температура воздуха, тем большее количество влаги в виде водяного пара он может в себе содержать. Например, зимой при — 30 градусов в 1 кубическом метре воздуха может содержаться всего полграмма воды. Летом при температуре +30 градусов в том же количестве воздуха может быть 31 грамм воды, то есть в 62 раза больше.

Если количество водяного пара в воздухе меньше предельно возможного при данной температуре, то он остается в воздухе невидимым. Если же водяного пара оказывается столько, что достигается это предельное количество, то воздух полностью насыщается влагой. В этом случае испарение будет очень затруднено, так как количество молекул, отрывающихся с поверхности воды в воздух и возвращающихся в нее обратно, будет приблизительно одинаковым; вот почему в сырую погоду или при плотном влажном тумане белье не высыхает.