Хмари і умови їх утворення. Спостереження за хмарністю

Хмари – скупчення краплинок води або кристаликів льоду в атмосфері. Досить щільне, щоб стати видимим. Для утворення таких скупчень, треба присутність дрібних твердих часток – ядер конденсації. Звичайно хмари утворюються, коли вологе повітря охолоджується до температури насичення. Відтак відбувається утворення крапель води (конденсація) або кристаликів льоду (сублімація). Як відомо, з висотою температура знижується. Тому хмари, що утворюються у високих шарах тропосфери, складаються із кристаликів льоду, а ті, що утворюються нижче із краплинок води. Загалом, процес утворення хмар можна звести до трьох позицій: піднімання повітря, його охолодження й конденсації.

Кожна хмара - це динамічна система, в одній частині якої утворюються краплі води, в другій - випаровуються, за кілька десятків хвилин хмара оновлюється. За складом хмари бувають водяні, льодяні та мішані. Водяні хмари крапельні можуть існувати не тільки при додатних температурах, а й нижче 0°С в перехолодженому стані. При від’ємних температурах утворюються мішані хмари, які складаються а переохолоджених крапель і кристалів льоду. При достатньо низьких температурах (-30-50º С) хмари складаються тільки з кристалів льоду і називаються кристалічними або льодяними. Вміст води в хмарах невеликий - від 0,2 до 5 г в 1 кубічному м повітря.

За походженням розрізняють хмари конвекції, хвилясті й фронтальні. Конвективні хмари утворюються в нестійких повітряних масах і пов’язані з інтенсивною конвекцією і адіабатичним охолодженням висхідного повітря. Це купчасті або купчасто-дощові хмари, в їх верхній частині з’являються льодяні кристали, а основна маса складається з крапель води. Вони мають велику вертикальну потужність і вершинами досягають висоти 15-20 км в тропічних і екваторіальних широтах.

Хвилясті хмари, шаруваті, шарувато-купчасті, висококупчасті виникають внаслідок слабкого турбулентного переносу водяної пари вверх від земної поверхні в стійких повітряних масах, де на певній висоті міститься шар інверсії температури, водяна пара нагромаджується під тим шаром, оскільки зверху починається підвищення температури і конвекція затухає.

Фронтальні хмари утворюються на атмосферних фронтах, тобто смугах, які поділяють різні повітряні маси. Коли тепле повітря рухається і витісняє холодне - це теплий фронт, а коли холодне повітря рухається, а тепло відступає - це холодний фронт. Якщо вони виникають при підніманні теплого повітря по холодному, то називаються фронтальними. Якщо піднімання повітря викликане його натіканням на схили гір і височин, хмари що утворюються при цьому, називаються орографічними. Фронт завжди нахилений відносно земної поверхні, через те, що холодне повітря підтікає під тепле у вигляді клину. Внаслідок ковзання по лінії фронту виникають шари висхідного ковзання, на теплому фронті - це перисті, перисто-шаруваті, високошаруваті, шарувато-дощові, а на холодному - перисті, перисто-купчасті, висококупчасті, купчасто-дощові зі зливовими дощами. Загалом, процес утворення хмар можна звести до трьох позицій: піднімання повітря, його охолодження й конденсації.

Ступінь покриття небесного зводу хмарами називають хмарністю. Хмарність виражається в десятих частках покриття неба. При хмарах, що повністю закривають небо, хмарність позначається числом 10, при зовсім ясному небі - числом 0.

Для служби погоди існує особливий код хмарності, де всі ступені покриття піднебіння укладаються в рубрики від 0 до 8, а цифрою 9 позначаються умови, коли хмарність не можна бачити через темряву, туман й т.п. Хмарність звичайно визначається спостерігачем на око. Але існують для цього й прилади у вигляді опуклого напівсферичного дзеркала, що відбиває весь небозвід і фотографуємого зверху, або у вигляді фотокамери з аналогічним об’єктивом.

Прийнято окремо оцінювати загальну кількість хмар (загальну хмарність) і кількість нижніх хмар (нижню хмарність). Це суттєво тому, що високі, а частково й середні хмари менше затінюють сонячне світло й менш важливі в практичному відношенні (для авіації, наприклад).

Хмарність має велике значення для обороту тепла на Землі. Вона відбиває пряму сонячну радіацію й, отже, зменшує її приплив до земної поверхні. Вона також збільшує розсіювання радіації, зменшує ефективне випромінювання, міняє умови освітленості. Хоча сучасні літаки літають вище за середнього ярусу хмар і навіть вище верхнього ярусу, хмарність може утруднити зліт і посадку літака, заважає орієнтації без приладів, може загрожувати зледенінням літака та ін. Добовий хід хмарності складний і у великому ступеню залежить від пологів хмар. Шаруваті й шарувато-купчасті хмари, пов'язані з вихолоджуванням повітря від земної поверхні й з порівняно слабким турбулентним переносом водяної пари нагору, мають максимум уночі й ранком. Кучевоподібні хмари, пов’язані з нестійкістю стратифікації й добре вираженою конвекцією, навпаки, виникають переважно в денний час і зникають до ночі. Правда, над морем, де температура поверхні, що підстилає, майже не має добового ходу, хмари конвекції також його майже не мають або слабкий максимум припадає на ранок. Хмари висхідного ковзання, пов’язані із фронтами, не мають ясного добового ходу.

Хмари висхідного ковзання. У зв’язку із фронтами виникають хмари висхідного ковзання. Вони являють собою величезні хмарні системи, витягнуті в довжину уздовж фронту на тисячі кілометрів і завширшки захоплююче сотні кілометрів. В основній своїй частині вони мають вигляд потужних хмарних шарів, чому й називаються шароподібними (не змішувати із шаруватими хмарами по міжнародній класифікації). Фронт відокремлює пологий клин холодного повітря від лежачого поруч із ним і над ним більш теплого повітря. При цьому, як правило, розвивається висхідний рух теплого повітря по холодному клину. Тому що поверхня фронту дуже полога (тангенс її кута нахилу всього 0,01 або менше), той в основному рух теплого повітря представляє собою горизонтальний перенос. Але все-таки до цього горизонтального переносу приєднується невелика вертикальна складова, порядку сантиметрів або часток сантиметра в секунду, і це надзвичайно важливо. Повільне ковзання теплого повітря по холодному клину призводить до адіабатичного охолодження потужних його шарів і до конденсації в них водяної пари. У результаті й виникає хмарна система, розташована в теплім повітрі над холодним клином. Особливо добре вона виражена у випадку теплого фронту. Сама потужна частина системи поблизу лінії фронту являє собою шарувато-дощові хмари в кілька кілометрів товщиною, наприклад між рівнями 1-2 і 6-8 км. Далі від лінії фронту хмари переходять у менш потужні високошаруваті, ще далі - у пір’ясто-шаруваті, перед якими спостерігаються гряди пір’ястих уже на відстані багатьох сотень кілометрів від лінії фронту.

У стійких повітряних масах (теплих, а взимку над сушею також і місцевих) основний процес розвитку хмар - це досить слабкий турбулентний перенос водяної пари разом з повітрям від земної поверхні нагору й відповідне його адіабатичне охолодження. Шари інверсії затримують цей перенос. Під інверсією відбувається нагромадження водяної пари і його радіаційне вихолоджування. Тому хмари й виникають переважно під шаром інверсії. По міжнародній класифікації це хмари шаруваті й шарувато-купчасті, у середньому ярусі - високо-купчасті. Вони порівняно тонкі й розтягнуті в горизонтальному напрямку, а крім того, часто виявляють хвилясту структуру, чому й називаються хвилястими.

Причина такої структури в тому, що у хмароутворенні найчастіше бере участь ще й хвильовий процес: у шарі інверсії по обидві сторони від нього виникають повітряні хвилі довжиною порядку 50-2000 м, обумовлені розривом швидкості вітру й щільності (температури) повітря. У гребенях цих хвиль повітря піднімається нагору, у долинах опускається вниз. Тому хмарний шар може розчлінятися на окремі вали, характерні для зовнішнього вигляду шарувато-купчастих або висококупчастих хмар.

Хвиляста структура шаруватих хмар менш очевидна при спостереженні знизу, тому що довжини хвиль у них великі, а хмари близькі до земної поверхні. При спостереженні з літака, зверху, їхній хвилястий вид добре розрізнимо. Крім вільних хвиль, в атмосфері можуть виникати й змушені стоячі хвилі над горами, через які перетікає повітря. У гребені такої стоячої хвилі виникає хмара, що видасться нерухливим, але в дійсності увесь час виникаюче заново в знову принесеному повітрі. Такі хмари називають хмарами перешкодами.