Как образуются облака?

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.