Хмари, що здаються легкими й повітряними, насправді містять сотні тонн води, розпорошеної в мікроскопічних краплях. Ці краплі не падають завдяки балансу між силою тяжіння, опором повітря та висхідними потоками. Малий розмір частинок забезпечує вкрай низьку кінцеву швидкість осідання, а вологе повітря всередині хмари має меншу щільність, ніж сухе повітря навколо.
Фізичні механізми працюють однаково для різних типів хмар — від тонких шаруватих до потужних купчасто-дощових. Коли краплі зростають і об’єднуються, баланс порушується, і починаються опади. Цей процес пояснює, чому більшість хмар «висить» годинами, а деякі зрештою скидають вологу на землю.
Середня купчаста хмара об’ємом один кубічний кілометр містить близько 500 тонн рідкої води — масу, порівнянну зі 100 слонами. Проте ця маса розпорошена настільки тонко, що окремі краплі майже не відчувають гравітації.
Хмара — це не суцільна маса води, а суміш повітря, водяної пари та величезної кількості крихітних крапель або кристалів льоду. Рідкий водний вміст типової купчастої хмари становить 0,25–0,5 грама на кубічний метр. Для хмари розміром 1×1×1 км це дає приблизно 500 тисяч кілограмів. У потужних купчасто-дощових хмарах вміст може сягати 1–3 г/м³, а в тонких перистих — лише 0,03 г/м³.
Водяна пара сама по собі легша за сухе повітря. Молекула H₂O має молекулярну масу 18, тоді як середня молекулярна маса сухого повітря (переважно азот і кисень) становить близько 29. За однакових температури й тиску вологе повітря витісняє важчі молекули N₂ і O₂, тому його щільність нижча. Це створює додаткову плавучість, подібну до тієї, що піднімає повітряну кулю з гарячим повітрям.
Краплі всередині хмари мають діаметр від кількох до кількох десятків мікрометрів. Для таких розмірів вирішальну роль відіграє сила опору повітря, описана законом Стокса. Кінцева швидкість падіння сферичної частинки пропорційна квадрату її радіуса:
vt=92η(ρp−ρf)gr2
де ρp — щільність води, ρf — щільність повітря, g — прискорення вільного падіння, r — радіус, η — в’язкість повітря. Для краплі радіусом 10 мкм ця швидкість становить приблизно 1 см/с. Крапля радіусом 50 мкм уже падає зі швидкістю близько 26 см/с. Саме ці цифри навів Луїс Дж. Баттан у класичній праці «Cloud Physics».
Навіть слабкий висхідний потік повітря легко компенсує таке повільне осідання. У шаруватих хмарах вертикальні швидкості становлять лише кілька сантиметрів за секунду. У звичайних купчастих — від 1 до 5 м/с. У потужних грозових хмарах вони можуть перевищувати 10–20 м/с і навіть досягати 30 м/с. Ці потоки виникають через нагрівання поверхні сонцем, підйом теплого повітря, орографічне підняття над горами або фронтальну динаміку.
Поки краплі залишаються малими, вони фактично «плавають» разом із повітрям. Молекули повітря постійно стикаються з ними, підтримуючи броунівський рух для найдрібніших частинок. Коли краплі починають стикатися й об’єднуватися (коалесценція), їхній радіус зростає. Після перевищення приблизно 0,1 мм сила тяжіння переважає опір, і частинки набувають помітної швидкості падіння. Так народжуються мряка, дощ або сніг.
Краплі в хмарі падають постійно, але настільки повільно, що висхідні потоки встигають їх підхоплювати. Лише після значного зростання розміру гравітація бере гору.
Різні типи хмар демонструють різні режими утримання. Перисті хмари складаються переважно з кристаликів льоду на великих висотах і майже не дають опадів, бо їхні частинки надто малі, а повітря сухе. Шаруваті хмари підтримуються слабкими, але стійкими підйомами. Купчасті утворюються завдяки конвекції і можуть швидко розвиватися. Купчасто-дощові утримують найбільшу кількість води саме через потужні висхідні струмені.
| Тип хмари | Типовий вміст рідкої води (г/м³) | Характерна швидкість висхідних потоків | Основний механізм утримання |
|---|---|---|---|
| Перисті (cirrus) | ~0,03 | дуже слабкі | малий розмір кристалів льоду |
| Шаруваті (stratus) | 0,25–0,30 | кілька см/с | стійкі слабкі підйоми |
| Купчасті (cumulus) | 0,25–0,50 | 1–5 м/с | конвекція + опір повітря |
| Купчасто-дощові (cumulonimbus) | 1,0–3,0 | 5–30 м/с і більше | потужні висхідні струмені |
Дані про вміст рідкої води узгоджуються з вимірюваннями, зібраними в метеорологічних дослідженнях і узагальненими в довідкових матеріалах. Швидкості потоків підтверджуються спостереженнями з літаків і радіолокаційними вимірюваннями.
Утворення крапель неможливе без ядер конденсації — мікроскопічних частинок аерозолів (пилу, солі, органічних речовин). Без них повітря може бути перенасиченим водяною парою, але краплі майже не утворюються. Цей факт підкреслює, наскільки тісно хмароутворення пов’язане з якістю повітря.
Коли висхідні потоки слабшають або краплі досягають критичного розміру, починається процес опадів. Частина крапель може випаровуватися ще в повітрі, утворюючи явище вірга — смуги опадів, що не досягають землі. У холодних умовах кристали льоду ростуть швидше за рахунок переохолоджених крапель (ефект Бержерона–Фіндайзена), що також прискорює випадання.
Спостереження з супутників і наземних станцій показують, що хмари постійно змінюються: вони ростуть, розмиваються, зливаються. Те, що виглядає як статична «подушка» у небі, насправді є динамічною системою, де конденсація, випаровування, зіткнення крапель і рух повітря безперервно взаємодіють. Саме цей баланс сил і робить можливим існування хмар протягом годин і навіть діб, поки умови не зміняться настільки, щоб вода нарешті повернулася на поверхню Землі.