Облака, кажущиеся легкими и воздушными, на самом деле содержат сотни тонн воды, распыленной в микроскопических каплях. Эти капли не падают благодаря балансу между силой тяжести, сопротивлением воздуха и восходящими потоками. Малый размер частиц обеспечивает крайне низкую конечную скорость осаждения, а влажный воздух внутри облака имеет меньшую плотность, чем сухой воздух вокруг.
Физические механизмы работают одинаково для разных типов облаков — от тонких слоистых до мощных кучево-дождевых. Когда капли растут и объединяются, баланс нарушается, и начинаются осадки. Этот процесс объясняет, почему большинство облаков «висит» часами, а некоторые в итоге сбрасывают влагу на землю.
Среднее кучевое облако объемом один кубический километр содержит около 500 тонн жидкой воды — массу, сравнимую со 100 слонами. Однако эта масса распылена настолько тонко, что отдельные капли почти не ощущают гравитации.
Облако — это не сплошная масса воды, а смесь воздуха, водяного пара и огромного количества крошечных капель или кристаллов льда. Жидкое водное содержание типичного кучевого облака составляет 0,25–0,5 грамма на кубический метр. Для облака размером 1×1×1 км это дает примерно 500 тысяч килограммов. В мощных кучево-дождевых облаках содержание может достигать 1–3 г/м³, а в тонких перистых — всего 0,03 г/м³.
Водяной пар сам по себе легче сухого воздуха. Молекула H₂O имеет молекулярную массу 18, тогда как средняя молекулярная масса сухого воздуха (в основном азот и кислород) составляет около 29. При одинаковых температуре и давлении влажный воздух вытесняет более тяжелые молекулы N₂ и O₂, поэтому его плотность ниже. Это создает дополнительную плавучесть, подобную той, что поднимает воздушный шар с горячим воздухом.
Капли внутри облака имеют диаметр от нескольких до нескольких десятков микрометров. Для таких размеров решающую роль играет сила сопротивления воздуха, описанная законом Стокса. Конечная скорость падения сферической частицы пропорциональна квадрату ее радиуса:
vt=92η(ρp−ρf)gr2
где ρp — плотность воды, ρf — плотность воздуха, g — ускорение свободного падения, r — радиус, η — вязкость воздуха. Для капли радиусом 10 мкм эта скорость составляет примерно 1 см/с. Капля радиусом 50 мкм уже падает со скоростью около 26 см/с. Именно эти цифры привел Луис Дж. Баттан в классическом труде «Cloud Physics».
Даже слабый восходящий поток воздуха легко компенсирует такое медленное осаждение. В слоистых облаках вертикальные скорости составляют всего несколько сантиметров в секунду. В обычных кучевых — от 1 до 5 м/с. В мощных грозовых облаках они могут превышать 10–20 м/с и даже достигать 30 м/с. Эти потоки возникают из-за нагревания поверхности солнцем, подъема теплого воздуха, орографического подъема над горами или фронтальной динамики.
Пока капли остаются малыми, они фактически «плавают» вместе с воздухом. Молекулы воздуха постоянно сталкиваются с ними, поддерживая броуновское движение для мельчайших частиц. Когда капли начинают сталкиваться и объединяться (коалесценция), их радиус растет. После превышения примерно 0,1 мм сила тяжести преобладает над сопротивлением, и частицы приобретают заметную скорость падения. Так рождаются морось, дождь или снег.
Капли в облаке падают постоянно, но настолько медленно, что восходящие потоки успевают их подхватывать. Только после значительного роста размера гравитация берет верх.
Разные типы облаков демонстрируют разные режимы удержания. Перистые облака состоят преимущественно из кристалликов льда на больших высотах и почти не дают осадков, потому что их частицы слишком малы, а воздух сухой. Слоистые облака поддерживаются слабыми, но устойчивыми подъемами. Кучевые образуются благодаря конвекции и могут быстро развиваться. Кучево-дождевые удерживают наибольшее количество воды именно из-за мощных восходящих струй.
| Тип облака | Типичное содержание жидкой воды (г/м³) | Характерная скорость восходящих потоков | Основной механизм удержания |
|---|---|---|---|
| Перистые (cirrus) | ~0,03 | очень слабые | малый размер кристаллов льда |
| Слоистые (stratus) | 0,25–0,30 | несколько см/с | устойчивые слабые подъемы |
| Кучевые (cumulus) | 0,25–0,50 | 1–5 м/с | конвекция + сопротивление воздуха |
| Кучево-дождевые (cumulonimbus) | 1,0–3,0 | 5–30 м/с и более | мощные восходящие струи |
Данные о содержании жидкой воды согласуются с измерениями, собранными в метеорологических исследованиях и обобщенными в справочных материалах. Скорости потоков подтверждаются наблюдениями с самолетов и радиолокационными измерениями.
Образование капель невозможно без ядер конденсации — микроскопических частиц аэрозолей (пыли, соли, органических веществ). Без них воздух может быть перенасыщенным водяным паром, но капли почти не образуются. Этот факт подчеркивает, насколько тесно облакообразование связано с качеством воздуха.
Когда восходящие потоки ослабевают или капли достигают критического размера, начинается процесс осадков. Часть капель может испаряться еще в воздухе, образуя явление вирга — полосы осадков, не достигающих земли. В холодных условиях кристаллы льда растут быстрее за счет переохлажденных капель (эффект Бержерона–Финдайзена), что также ускоряет выпадение.
Наблюдения со спутников и наземных станций показывают, что облака постоянно меняются: они растут, размываются, сливаются. То, что выглядит как статическая «подушка» в небе, на самом деле является динамической системой, где конденсация, испарение, столкновение капель и движение воздуха непрерывно взаимодействуют. Именно этот баланс сил и делает возможным существование облаков в течение часов и даже суток, пока условия не изменятся настолько, чтобы вода наконец вернулась на поверхность Земли.