т.1

104 - 112

К вопросу образования облаков

104

В таблице 1 приведены величины выталкивающей силы воздуха F_b  на высоте 1 км от земли для гранул различной величины (графа 2) и ее изменение F_b  при смещении их от положения равновесия на 100 м (графа 3).

Таблица 1

Из данных таблицы 1 следует, что если значения силы F_b  лишь для самых малых гранул приближаются к силе Лоренца, то их изменения соизмеримы с ней уже для более крупных гранул, а для больших превышают ее. А если учесть, что с увеличением размеров гранул растет и их заряд, то можно сказать, что сила Лоренца способна смещать, хоть и в разной степени, гранулы всех размеров.

Результирующая сила является “ограничителем” смещения гранулы силой Лоренца, ибо всегда направлена противоположно ей, как показано на рис. 2, б и в для гранул с разноименными зарядами, двигающимися с запада на восток и обратно.

105

Там же приведены формулы, определяющие величины результирующих сил для всех четырех случаев. Эти формулы явно отличаются между собой, что связано как с различием направлений самих этих сил, так и с различным направлением действия на гранулы силы электрического поля Земли F_ee .

Но не только результирующая сила противодействует силе Лоренца. Из-за объемного разделения зарядов возникает еще сила электрического поля F_e , создаваемого этими зарядами. Эта сила тоже всегда направлена противоположно силе Лоренца, как показано на рис. 2, б и в, поэтому равновесие любой гранулы в новом положении, обусловленном действием силы Лоренца, наступает лишь при выполнении условия

Объемное разделение зарядов в облаке возможно также при наличии в нем вертикальных потоков воздуха. Такое разделение уже происходит в горизонтальной плоскости, перпендикулярной магнитному полю Земли, а стало быть, в направлении движения облака. Силе Лоренца в этом случае противодействует лишь сила электрического поля объемных зарядов. Поэтому такое разделение может быть более ощутимым.

Совместное действие сил Лоренца в вертикальном и горизонтальном направлениях еще сильнее концентрирует одноименные облачные заряды, располагая их в шахматном порядке, как показано на рис. 3. Такая структура облачных зарядов увеличивает устойчивость облака и не позволяет ему расползаться во все стороны в горизонтальном направлении. Возникновение вертикальных потоков воздуха в облаке станет понятным при рассмотрении процесса формирования кучевого облака.

а

б

Рис. 3. Совместное действие сил в вертикальном и горизонтальном направлениях; Направление вертикальной составляющей ветра обозначено вертикальными стрелками

106

Кучевое облако начинает образовываться из слоистой облачной массы, в которой все заряды перемешаны. Первые признаки расслоения этой массы возникают в начале ее движения вдоль параллели Земли или близко к этому направлению. Одновременно с образованием отдельных сгущений облачных масс возникают и разреженные участки. В них устремляются потоки воздуха, преимущественно снизу и сверху, поскольку толщина слоистого облака намного меньше, чем его горизонтальные размеры. Эти вертикальные потоки - восходящие и нисходящие - создают просветы в слоистом сплошном облаке, разрывая его на отдельные части. Они же обусловливают и уплотнение облачных зарядов в горизонтальном направлении.

Вследствие появления вертикальных потоков воздуха облако начинает расти в обе стороны - вверх и вниз. Вверх его рост практически ничем не ограничен, поскольку такому потоку воздуха способствует уменьшающееся с высотой давление атмосферы. Нисходящему же потоку растущее к низу облака давление воздуха препятствует, затормаживая его, потому и рост облака вниз ограничен. Этому способствует также сильное увеличение выталкивающей силы воздуха по мере снижения гранул.

Но на действии силы Лоренца и вертикальных потоков воздуха образование кучевого облака не заканчивается. Уплотненное и вспухшее в высоту, оно становится препятствием движущему его ветру и оказывается в тисках двух движущих его сил - силы ветра и силы лобового сопротивления воздуха. Под действием этих сил облако сжимается в длину и еще больше увеличивается в высоту и ширину.

107

Не потому ли облако всегда больше вширь, чем в длину, что противоречит тому известному факту, согласно которому любой свободный предмет в потоке воздуха должен занимать наиболее обтекаемое положение? И не подтверждает ли это справедливость высказанной здесь гипотезы образования кучевых облаков? Шахматная же структура объемных зарядов в облаке вследствие сжатия облака в длину нарушается и превращается в послойную, что способствует увеличению электрических полей, создаваемых этими зарядами. Это еще более увеличивает устойчивость облака.

Дальнейший рост кучевого облака происходит за счет объединения более мелких в одно. Первое из них, встречая лобовое сопротивление встречного воздуха, затормаживается и создаёт защиту от него сзади идущим облакам. Те догоняют первое и объединяются с ним. Облако становится более мощным. Только на некотором расстоянии от него, сзади, где обтекающий его воздух вновь создаст лобовое сопротивление последующим облакам, возможно образование нового кучевого облака.

Этим можно объяснить шахматную структуру системы кучевых облаков. Особенно наглядна такая структура на примере высококучевых облаков. Однако при дальнейшем движении кучевых облаков ветер может нарушить эту шахматную структуру, расположив их рядами или хаотично. Более того, сильный ветер может вытеснить облака на окраину ветрового потока, расположив их в виде журавлиного клина. Такие системы кучевых облаков наблюдались из космоса.

108

2.2. Слоистые и слоисто-кучевые облака

Слоистые облака состоят из облачной массы, в которой все заряды перемешаны. Силы взаимодействия между отдельным зарядами ничтожно малы, что и позволяет такому облаку растекаться тонким слоем на большой территории. Отсутствие в слоистом облаке объемного разделения зарядов - следствие того, что на его заряды магнитное поле Земли не действует. А это возможно в двух случаях: когда облако неподвижно либо когда оно движется вдоль меридиана Земли.

О структуре слоисто-кучевых облаков говорит само их название. По природе образования их следует разделять на первичные и вторичные. Первичные образуются непосредственно из слоистой массы и фактически являются начальной фазой ее преобразования в кучевые облака. Вторичные же слоисто-кучевые облака образуются непосредственно из кучевых облаков в результате их распада. Такое становится возможным при изменении движения последних на более близкое к меридиану или при остановке. Так что вторичные слоисто-кучевые облака являются начальной фазой преобразования кучевых облаков в слоистые.

2.3. Перистые облака

Эти тонкие облака верхнего яруса тропосферы называют предвестниками изменения погоды. Они образуются из облачных масс, сдуваемых порывами ветра с верхних слоев слоистых кучевых облаков. Действительно, вдруг возникший ветер иного направления, чем прежде, не способен мгновенно сдвинуть в этом направлении всё облако. Для этого нужно время. Первые его порывы способны лишь оторвать некоторое количество облачной массы с поверхности облаков. Это может быть не только сверху облаков, но и снизу.

109

Так, мы довольно часто наблюдаем, когда облака идут в одном направлении, а перистые массы под ними - в другом. Это и есть первые вестники изменения погоды, связанные с изменением направления ветра.

Из-за того, что порывы ветра перпендикулярны, а Земля круглая, облачные массы, срываемые с верхушек облаков, увлекаются в более высокие слои тропосферы. Из-за разреженности сдутой массы вследствие ее малости и из-за сильного ветра такие облака приобретают, независимо от направления их движения, вид перьев, потому и называются перистыми. На концах перьев могут образовываться либо когти, либо комочки. Первые называются перисто-слоистыми, а вторые - перисто-кучевыми.

Из изложенного в пунктах 2.1 и 2.2 становится ясным, что образование перисто-слоистых и перисто-кучевых облаков происходит в зависимости от направления движения перистых облаков. Так, если они двигаются вдоль земного меридиана, то на них магнитное поле Земли не действует, и их облачная масса при затормаживании остается слоистой. Встречный воздух лишь несколько отклоняет их движение, в результате чего образуются когти и даже небольшие завихрения. При дальнейшем своем движении такие облака по мере затормаживания превращаются в высокослоистые облака, представляющие собой полупрозрачную пелену - предвестницу слоистых облаков нижнего яруса.

Иное дело, когда перистые облака при своем движении пересекают магнитное поле Земли. Возникающие на их концах комочки и есть начало образования высококучевых облаков.

110

2.4. Дождевые облака и их осадки

Обильные осадки могут выпадать лишь из двух видов облаков - слоисто-дождевых и кучево-дождевых. Это, можно сказать, “созревшие” слоистые и кучевые облака. Их “созревание” происходит в двух направлениях: путем уплотнения и путем утяжеления гранул. Уплотнению гранул способствует интенсивное их образование и сжатие облака окружающим воздухом. При этом становится возможным интенсивное объединение мелких гранул в более крупные с сохранением их летательной способности. В случае положительной температуры в облаке водяные оболочки мелких гранул способны сливаться в одну более крупную. В случае же отрицательной температуры такое слияние становится невозможным и мелкие гранулы, объединяясь, составляют остов будущей снежинки. Чем более плотное облако и чем медленнее идет процесс понижения температуры в облаке, тем крупнее образуется остов снежинки.

Утяжеление гранул и снежинок происходит за счет конденсации на них свободных паров. Для такого процесса, естественно, необходимы соответствующая влажность и температура окружающего облако воздуха.

Оба названных выше процесса могут в равной степени происходить и в слоистых, и в кучевых облаках. “Созревшее” кучевое облако в нижней своей части почти не отличается от слоисто-дождевого. Его можно отличить снизу лишь по направлению движения да по возникновению в нем грозовых явлений и по соответствующим им осадкам: ливню, крупе, граду. Сверху же оно проявляет себя большим вертикальным развитием. Диффузия кучевого облака сверху связана с тем, что нарушающее ориентацию воздействие магнитного поля Земли на взвешенные и рассеянные гранулы практически отсутствует.

Существует представление, что грозовые осадки - ливень, крупа, град - образуются путем многократного движения капель вверх и вниз под действием вертикальных потоков воздуха. Однако при этом совершенно не учитываются те условия, которые возникают вследствие образования в кучевых облаках молнии. Но об этом отдельный разговор. Здесь лишь остановимся на том, почему в чисто кучевых облаках молния не возникает. Это, скорее всего связано с тем, что объемные заряды в них разделены нейтральными прослойками, пробить которые электрические поля этих зарядов не могут. При утяжелении же гранул в “созревающем” кучевом облаке и их оседании толщина нейтральных прослоек уменьшается. Это приводит к увеличению напряженности электрического поля, особенно в наиболее узком месте, где и возникает первый пробой. Аналогичные процессы возникают и при оседании еще не созревшего облака. Такое возможно при значительном замедлении скорости его движения либо при изменении его движения на более близкое к меридиану Земли. Последнее характерно для циклонов. Именно потому часто ошибаются, считая, что кучевые облака могут образовываться и при движении с юга на север и обратно.

В заключение остановимся на причине возникновения индийских муссонов. Считается, что они обусловлены южным тропическим ветром, дующим на Индию с Индийского океана и приносящим много влаги. Но южный ветер, как нам теперь известно, может образовать лишь слоистые облака, которые не могут давать ливневых осадков.

112

Следовательно, причину возникновения муссонов, их “взрыва” надо искать в изменении направления ветра.

Действительно, если посмотреть на карту ветров, дующих на земном шаре во время муссонов [2, рис. 142], то можно увидеть, что на Индию в это время дует западный ветер. Этот ветер обусловлен антициклоном, расположенным в это же время у западных берегов Африки, и циклоном в Аравийском море (см. там же, рис. 21). Западный ветер преобразовывает слоистые облака над Аравийским морем в кучевые и перемещает их до самых отрогов Гималаев. Там они, будучи задержаны горами, и разряжаются грозами и ливневыми осадками.

Такое объяснение причины возникновения муссонов подтверждает справедливость предложенной выше гипотезы образования кучевых облаков, основанной на смещающей гранулы силе магнитного поля Земли.

Литература:

1. Волынский М.С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли. Москва, Знание, 1986

2. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Москва, издательство Московского государственного университета, 1986

1987