Туманы и дымка

 

Воздух часто бывает замутнен из-за наличия в нем примесей и продуктов конденсации водяного пара. Малое замутнение, при котором дальность видимости находится в пределах 1–10 км, называется дымкой. Туманом называется помутнение атмосферы, при котором дальность видимости становится менее 1 км. В очень плотных туманах видимость может снижаться до нескольких метров.

При температуре воздуха до -20ºС туман состоит из капель воды, а при ее понижении в нем преобладают кристаллы льда. При очень низких температурах наблюдаются кристаллические туманы.

Если помутнение атмосферы вызвано не конденсацией водяного пара, а аэрозольными примесями, оно называется мглой.

Туманы возникают в том случае, если у земной поверхности создаются благоприятные условия для конденсации водяного пара. По генетическому признаку они делятся на туманы охлаждения и туманы испарения. Туманы охлаждения образуются при выхолаживании нижних слоев теплого воздуха над холодной подстилающей поверхностью, в результате чего температура воздушной массы падает ниже точки росы. При этом водяной пар достигает уровня насыщения и конденсируется. Туманы испарения возникают при поступлении водяного пара в холодный воздух с более теплой подстилающей поверхности, в результате чего происходит насыщение воздуха водяным паром.

По условиям образования принято различать туманы на внутримассовые, формирующиеся в однородных воздушных массах и фронтальные, образование которых связано с движением атмосферных фронтов.

Наиболее часто наблюдаются внутримассовые туманы, среди которых преобладают туманы охлаждения. В свою очередь, туманы охлаждения делятся на радиационные и адвективные.

Радиационные туманы образуются над сушей при понижении ее температуры вследствие радиационного охлаждения, в результате чего охлаждается и воздушная масса. Такие туманы чаще всего возникают в ясные ночи при слабом ветре, в основном в антициклонах. После восхода Солнца радиационные туманы в большинстве случаев быстро рассеиваются. Однако, в холодное время года в устойчивых антициклонах эти туманы могут сохраняться и днем в течение нескольких суток.

Адвективные туманы образуются в результате охлаждения теплого влажного воздуха при его продвижении над более холодной поверхностью суши или воды. Мощность адвективных туманов зависит от разности температур между воздухом и земной поверхностью, а также от степени влажности воздуха. Такие туманы могут развиваться как над сушей, так и над морем. Они могут охватывать большие пространства в десятки и сотни тысяч квадратных километров. Адвективные туманы обычно наблюдаются при пасмурной погоде, чаще всего в теплых секторах циклонов. Эти туманы более устойчивы, чем радиационные, они могут и не рассеиваться днем.

Адвективные туманы испарения образуются при переносе холодной массы воздуха на более теплую водную поверхность. Такие туманы часто наблюдаются в Арктике, если воздух с ледяного покрова вторгается на водную поверхность. В умеренных широтах туманы испарения часто наблюдаются над поверхностью рек и озер осенью, когда охлажденный над сушей воздух проходит над водой.

Фронтальные туманы образуются в непосредственной близости от атмосферных фронтов и перемещаются вместе с ними. В таких туманах насыщение воздуха водяным паром происходит вследствие испарения осадков, выпадающих в зоне фронта. Кроме того, перед фронтами наблюдается понижение атмосферного давления, приводящее к адиабатическому снижению температуры воздуха.

Туманы чаще возникают в населенных пунктах, чем в других местностях. Этому способствует повышенное содержание гигроскопических ядер конденсации, образующихся в процессе горения в городском воздухе.

 

Осадки

 

В зависимости от условий образования атмосферные осадки подразделяются на три вида.

Обложные осадки, выпадающие из слоисто-дождевых и высоко-слоистых облаков. Они имеют среднюю интенсивность, но охватывают большие территории и продолжаются длительное время. В умеренных широтах они составляют наибольшую долю осадков.

Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков. Эти осадки характеризуются большой интенсивностью и малой продолжительностью.

Моросящие осадки выпадают из слоистых и слоисто-кучевых облаков. Зимой вместо мороси из этих облаков выпадает мелкий снег.

Выпадающие на земную поверхность осадки имеют разнообразные формы, зависящие от времени года и условий их образования.

Дождь представляет собой жидкие капли воды диаметром 0,5–8 мм. При отрицательных температурах воздуха могут выпадать капли переохлажденной воды, которые замерзают на земной поверхности и покрывают ее ледяной коркой.

Жидкие осадки, состоящие из капель диаметром 0,05–0,5 мм, называются моросью. Скорость падения этих капель очень мала.

Снег относится к твердым осадкам. Он состоит из ледяных кристаллов, имеющих сложную форму. При температурах, близких к нулю, выпадает мокрый снег. Его характерным признаком являются крупные влажные хлопья.

При отрицательных температурах из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков выпадает снежная и ледяная крупа, состоящая из ледяных зерен и сильно обзерненных снежинок диаметром более 1 мм.

Из слоистых облаков зимой вместо мороси нередко выпадают снежные зерна диаметром менее 1 мм.

Зимой при низких температурах иногда выпадают ледяные иглы, имеющие форму шестиугольных призм без разветвлений. При определенных условиях возможно выпадение ледяного дождя, состоящего из замерзших в воздухе капель воды диаметром 1–3 мм.

Град представляет собой кусочки льда шарообразной формы. Диаметр отдельных градин достигает 6 см. Градины обычно имеют многослойное строение, т.к. до своего выпадения они неоднократно поднимались и опускались внутри облака, наращивая свою внешнюю оболочку.

Выпадение осадков начинается только тогда, когда капли или кристаллы достигают достаточно крупных размеров. Однако в процессе конденсации происходит образование только мелких капель. При слиянии капли укрупняются. Причиной слияния капель может служить наличие у них разноименных электрических зарядов. Капли, имеющие различные размеры, выпадают с разной скоростью и поэтому часто сливаются. Турбулентность также увеличивает вероятность столкновения капель. Тем не менее, все перечисленные процессы могут вызвать только моросящие дожди.

Для выпадения обильных осадков необходимо, чтобы в облаках находились одновременно и переохлажденные капли воды и ледяные кристаллы. Эти кристаллы будут выпадать из верхней части облака и укрупняться за счет сублимации и столкновения с переохлажденными каплями. В результате в нижней части облака будут накапливаться очень крупные кристаллы. При положительной температуре воздуха эти кристаллы растают и выпадут на земную поверхность в виде дождя. Если же температура воздуха атмосферного столба между нижней кромкой облака и земной поверхностью имеет отрицательное значение, осадки выпадут в форме снега или крупы. Отсюда вытекает, что для интенсивного выпадения осадков необходимо, чтобы верхняя часть облака достигла уровня оледенения.

Конденсация влаги происходит не только в атмосфере, но и на земной поверхности и предметах, расположенных на ней. Водяной пар конденсируется на холодной поверхности и покрывает ее водой или льдом. Такие продукты конденсации называются наземными гидрометеорами. К жидким продуктам конденсации относятся роса и жидкий налет. Твердыми наземными гидрометеорами являются иней, твердый налет и изморозь. Кроме перечисленных явлений, наблюдается еще обледенение самолетов и гололед. Эти два вида гидрометеоров образуются как следствие замерзания переохлажденной воды.

Роса является наиболее часто встречающимся видом гидрометеоров. Она представляет собой мельчайшие капли воды, образующиеся на траве или других горизонтальных поверхностях, как правило, вечером или ночью в теплое время года. Причиной образования росы является охлаждение земной поверхности или листьев растений при ночном излучении. Воздух в приземном слое, соприкасаясь с такой поверхностью, охлаждается ниже точки росы. Росы чаще всего наблюдаются в тихую безоблачную погоду, когда возрастает эффективное излучение.

Жидким налетом называется пленка воды, возникающая на холодных вертикальных поверхностях в пасмурную и ветреную погоду. Причиной появления жидкого налета является адвекция теплого и влажного воздуха после холодной погоды, когда стены, заборы, столбы, стволы деревьев и т.п. еще не нагрелись. Примером жидкого налета может служить появление влаги на внутренней стороне окон в холодную погоду.

Инеем называются кристаллы льда, возникающие на горизонтальных плоскостях при тех же условиях, что и роса, но при отрицательной температуре на почве.

Изморозь представляет собой рыхлые белые кристаллы льда, вырастающие на тонких ветвях деревьев, проводах, тросах и других тонких предметах. Изморозь образуется при сильных морозах и, как правило, при туманах. Капли тумана, замерзшие на охлажденной поверхности, служит основой для дальнейшего роста кристаллов.

Явления типа твердого налета, инея или изморози наблюдаются на оконных стеклах при отрицательных температурах и называются морозными узорами.

Образование слоя плотного слоя льда в результате намерзания капель мороси или дождя на земной поверхности называется гололедом. Разновидностью гололеда является обледенение самолетов.

Грозы

 

Капли облаков и туманов, а также твердые частицы, находящиеся в них несут электрические заряды. Средний заряд в капле тумана составляет десятки и тысячи зарядов электрона. Такого же масштаба несут и капли в облаках, не дающих атмосферных осадков.

В кучево-дождевых облаках, содержащих крупные капли и частицы, образуются более крупные заряды. Твердые элементы, находящиеся в облаках, несут более крупные заряды, чем водяные капли.

Нормальное развитие кучево-дождевых облаков связано с многократными электрическими разрядами, происходящими между облаками и между ними и земной поверхностью. Искровая часть такого разряда называется молнией. Звуки, происходящие при разряде вследствие резкого нагревания и расширения искрового канала называются громом. Весь процесс, состоящий из грома и молнии, называется грозой.

Внутримассовые грозы наблюдаются в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую подстилающую поверхность, а также над прогретой сушей летом. В последнем случае развитие грозы связано с сильной конвекцией, вызывающей неустойчивую стратификацию атмосферы. Фронтальные грозы связаны с наступлением холодного фронта, когда теплый воздух вытесняется вверх холодным.

Количество гроз в году убывает от низких широт к высоким. В тропических зонах над сушей наблюдается до 100–150 дней с грозами, а над океанами 10–30. В субтропиках, где преобладают области повышенного давления, имеет место 20–50 дней с грозами над сушей и над морем 5–20. В умеренных широтах число дней с грозами составляет от 10 до 30 над сушей и от 5 до 10 над морем. В полярных широтах грозы являются большой редкостью.

Убывание количества гроз с широтой объясняется тем, что для образования грозы нужна не только неустойчивая стратификация атмосферы, но и большая водность облаков. Поскольку с широтой температура воздуха снижается, снижается и водность облаков в высоких широтах.

Необходимым условием для того, чтобы сформировались условия, при которых возможны грозовые явления, служит возникновение больших разностей электрических потенциалов в облаках, между облаками и между облаками и земной поверхностью. В кучево-дождевых облаках возникают разности потенциалов до сотен тысяч вольт на метр. При достижении напряженности электрического поля в (25–30)×10³ В/м и более, в облаках происходят искровые разряды в виде молнии. На пути разряда протяженностью в несколько километров разность электрических потенциалов достигает нескольких сотен миллионов вольт, а сила тока в разряде составляет десятки тысяч ампер. Одна молния переносит в среднем около 30 К электричества.

Молния состоит из нескольких импульсов, следующих по одному и тому же каналу. Канал молнии имеет извилистый и разветвленный характер, поскольку он прокладывается по пути наименьшего сопротивления. Таким является путь, на трассе которого концентрация ионов в атмосфере наиболее высока. Температура в канале при проходе электрического разряда достигает 25000–30000ºС. Интервал между импульсами тока в канале составляет приблизительно 0,05 с, а продолжительность всего разряда – десятые доли секунды.

Каждый разряд начинается с лидера, прокладывающего канал. При прорыве лидера повышается концентрация ионов в канале, что увеличивает его проводимость. Вслед за лидером следует главный разряд. Повторные разряды через этот канал обычно бывают намного слабее.

В обычных условиях в нижней части грозового облака концентрируются отрицательные заряды, а на земной поверхности положительные, что увеличивает отрицательный заряд Земли. Из общего количества молний 40% всех разрядов происходит между облаками и земной поверхностью. Остальная часть приходится на разряды между облаками. Отдаленная гроза, гром которой неслышен, называется зарницей.

При высокой напряженности электрического поля может происходить истечение электричества с заостренных и возвышенных предметов, в частности с мачт кораблей и судов. Это явление впервые было замечено в средние века на башнях церкви Св. Эльма, и много раз наблюдалось моряками. Оно получило название огней Святого Эльма. Это явление наблюдается чаще всего во время грозы или при ее приближении, а зимой во время метелей.