Чтобы понять это, давайте рассмотрим один процесс знакомый процесс в миниатюре. Откройте бутылку лимонада или шампанского (в зависимости от предпочтений). При этом вы можете видеть, как из голышка бутылки выходит пар. Откуда он взялся в холодной бутылке? Секрет прост — воздух в бутылке находится под давлением и содержит водяной пар. Когда бутылка открыта, воздух расширяется. Происходит так называемое адибатическое расширение газа, при котором температура (если более строго, внутренняя энерги) понижается, потому что газ выполнил работу — расширился. Т.е. сначала воздух содержащий водяной пар прозрачен: пар там находится, как говорится, «выше точки росы». (Можно сказать, что молекулы воды блуждающие среди молекул азота, кислорода и углекислого газа движутся слишком быстро, чтобы собраться в капли.)
Когда сжатый газ вырывается на свободу и расширяется, происходит охлаждение, и ситуация меняется и образуются (конденсируются) мелкие капли воды, а иногда даже и сразу кристаллики льда. Например, когда вы распыляете аэрозоль из баллончика, то в зависимости от используемого вещества из-за адиабатического охлаждения образуются не только жидкие, но и твёрдые частицы, которые потом обычно снова испаряются по мере нагревания.
Теперь к атмосфере. Строго по порядку, по пунктам:
- Давление воздуха у поверхности Земли выше, и понижается по мере подъёма. Это легко понять: внизу более толстый слой воздуха давит, выше — меньше.
- Тёплый воздух легче холодного: так летают воздушные шары, надуваемые тёплым воздухом. В нагретом воздухе энергия молекул выше, движутся они быстрее, улетают друг от друга дальше, значит при одинаковом давлении в одинаковом объёме помещается меньше газа. Т.е. он легче.
- Воздух неоднороден, в нём есть более холодные и более тёплые массы. Тёплые массы воздуха устремляются вверх. (Например, если вы летите на самолёте и пролетаете над островами, то вы увидите, что облака образуются именно над островами, тогда как над морем совершенно ясно. Дело в том, что солнце нагревает сушу сильнее чем море, и именно над островом наблюдаются восходящие потоки тёплого воздуха)
- Массы тёплого воздуха расширяются из-за уменьшения давления. С определёнными допущениями можно сказать, что они адиабатически расширяются и остывают.
- Остывая, водяной пар пересекает точку росы и начинает конденсироваться. Получается туман из капель воды и мелких ледяных кристалликов.
- Это и есть облака.
Охлаждение при адиабатическом расширении — это основной процесс образования облаков. Реже остывание водяного пара до точки росы происходит при смешивании тёплого воздуха с холодным.
В зависимости от того на какую высоту был заброшен тёплый воздух, каковы условия конденсации там, какова скорость движения воздуха облака приобретают различную форму: кучевые, кучево-дождевые, слоисто-дождевые, слоистые, перистые.
Облака являются следствием круговорота воды в природе. После испарения влага контактирует с холодным воздухом и превращается в маленькие капли воды. Это и есть облака
Не надо забывать про "ядра конденсации". Мелкие твёрдые частицы в составе воздушной смеси. Яркий пример - образование следа за летящим самолётом. Результат конденсации водяного пара на частицах отработанного топлива
Если кратко, основных механизмов образования облаков по-видимому два:
- конденсация водяного пара при адиабатном расширении (низкие тропосферные облака)
- конденсация на мелких аэрозольных частицах (высокие стратосферные и мезосферные облака)
(Далее, среди теоретических объяснений курсивом выделены примеры, как объясняемый эффект наблюдается в быту и природе)
1.
В первом случае главную роль играет не температура, как многие думают, а давление. С изменением высоты давление меняется на 1мм рт. ст. за каждые ≈10,5м. Без приборов почувствовать это трудно, но попробуйте на горе в несколько сот метров плотно закрыть пластиковую бутылку, и спуститься вниз, и вы увидите, как атмосферное давление совершит работу.
Если большая масса воздуха поднимается вверх, то она не будет успевать ни смешиваться с холодным воздухом, ни остывать, ведь по соседству с поднимающимся воздухом находится тот же самый воздух, который был рядом мгновение назад. (Где-то на краях этого потока будет смешивание, но мы говорим про основную массу.) Происходит адиабатное расширение: температура постоянна (в смысле ни подводистя, ни отводится), давление падает, значит объём растёт. Увеличение объёма — это совершение работы, а на совершение работы нужна энергия. Раз энергия затрачена, то она должны откуда-то взяться? Да. Из внутренней энергии расширяющегося газа. То же самое происходит при быстром открывании газированного напитка — над горлышком бутылки можно видеть «дымок».
И вот, на строго определённой высоте, где давление уменьшаясь достигает достаточной величины, происходит фазовый переход водяного пара; невидимый пар (отдельные молекулы воды) превращается в мельчайшие капельки воды.
Этим, кстати, объясняется форма низких кучевых облаков. Посмотрите внимательно, кажется, что хотя у них кучерявые шапки, но при этом плоское дно. Они кажутся пеной, брошенной на стеклянную поверхность. На самом деле пока пар прозрачный, мы не видим как воздух движется вверх, но с определённой высоты он становится видимым, меняется множество его характеристик, и он начинает завихряться, клубиться, и вот это мы уже видим.
Если вам доведётся лететь на самолёте в тихую ясную погоду над множеством небольших островов в океане, то обратите внимание, что над каждым островом обязательно висит своё персональное облако. Потому что Солнце нагревает сушу сильнее, чем воду. Над островом обязательно есть восходящий поток и, соответственно, облако.
Тропосферные облака могут быть размётаны ветром и занесены выше. Там капельки пара и микрочастицы льда образуют высокие слоистые и перистые облака.
2.
Выше 20км упомянутые облака не поднимаются. Однако водяной пар присутствует и там. Его мало и для совершения фазового перехода пару нужна помощь: нужны подходящие температура и давление, а также центры кристаллизации.
Если вы выращивали дома кристаллы, то знаете, что маленькие кристаллы быстрее всего вырастут на нитке, опущенной в раствор.
Центрами образования ледяных кристаллов может служить аэрозоли, например, мельчайшие частички вулканической пыли, которая может быть занесена на высоту до 80км.
Так стратосферные или перламутровые облака можно видеть в высоких полярных широтах. А в более низких широтах, например, в Москве, можно изредка наблюдать более высокие — мезосферные — они называются серебристыми. Наблюдения подтверждают, что серебристые облака наблюдаются чаще на протяжении года, после сильных извержений вулканов.
Вода, испаряясь с поверхности земли, в виде пара поднимается высоко над землей. Пар достигает такой высоты, при которой температура воздуха становиться низкой. В результате этого, частички пара начинают соединяться между собой, образуя туман. В процессе существования облака, его масса постепенно увеличивается за счет поступления нового водяного пара с поверхности земли. Когда масса облака станет критичной, то на землю она выпадает в виде дождя.