Дождь, снег и град: как образуются осадки?

Почему из некоторых облаков выпадают осадки, будь то дождь, снег или иногда град? Как объяснить, что некоторые из них способны вызвать ливень всего за несколько десятков минут, а другие могут простоять несколько часов без единой капли?

Если сконденсировать весь водяной пар, находящийся в атмосфере в данный момент, и равномерно распределить его по поверхности Земли, то получится слой воды толщиной около 2,5 сантиметров. То же действие, примененное к каплям и кристаллам, из которых состоят облака, приведет к образованию слоя толщиной всего в одну десятую миллиметра.

Тот факт, что облака представляют собой крошечную долю элемента, который в лучшем случае составляет лишь несколько процентов состава атмосферы, является еще одной иллюстрацией того, почему модели с таким трудом справляются с их эволюцией. Таким образом, для данного сценария облака остаются главной причиной неопределенности в климатических прогнозах.

Появление конденсатов

Для образования капель и кристаллов льда необходимо присутствие микроскопической пыли. Подобно перламутру, который скапливается вокруг песчинок и образует жемчуг в устрицах, эта пыль действует как зародыш, вокруг которого может начаться конденсация водяного пара. Капельки воды называют ядрами конденсации, а кристаллы льда - гляциогенными ядрами.

Как только образуется определенное количество конденсатов, появляется облако. Однако еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем наш испаряющийся туман сможет вызвать осадки. Частицы воды должны значительно увеличить свой размер и, следовательно, вес, прежде чем они станут достаточно тяжелыми, чтобы избежать турбулентности воздуха и упасть на землю. Если это условие не выполняется, облако не производит осадков.

К вопросу о генезисе осадков

Вопреки тому, что можно подумать, капли и кристаллы еще слишком малы, чтобы рост происходил за счет столкновений. Поэтому частицы будут продолжать увеличиваться в размерах за счет переноса водяного пара, т.е. за счет конденсации. Однако последний вариант является особенным, поскольку на этот раз он требует наличия кристаллов льда.

В части облака с отрицательной температурой изначально имеется большое количество переохлажденных капель (жидкости ниже 0 °C), но очень мало кристаллов. Это связано с тем, что ледяные керны встречаются очень редко, пока вершина облаков находится недостаточно высоко. Это объясняется тем, что вода довольно разборчива в отношении ядер, которые обеспечивают оледенение, и только при очень низких температурах они становятся активными.

Когда в верхней части облака появляются кристаллы, капли стремятся испариться и перенести свою воду на частицы льда. В результате кристаллы размножаются, увеличиваются в размерах и отпадают от других частиц. Процесс похож на цепную реакцию с увеличением числа все более крупных кристаллов.

Это начало пути к осадкам. Затем в дело вступает второй механизм, известный как сбор, который еще больше ускоряет рост частиц льда.

Между дождем, снегом и градом

Если температура облачной среды везде отрицательная, кристалл будет продолжать расти за счет переноса пара, но прежде всего за счет агрегации, т.е. столкновения с другими кристаллами: образуется снежинка. При падении к поверхности снежинка пройдет через среду с температурой выше 0°C и превратится в каплю воды. Это, безусловно, наиболее распространенный механизм образования дождя в умеренных широтах.

Тем не менее нижняя часть облака может иметь положительную температуру, и в этом случае капля продолжает расти, коалесцируя с другими каплями и капельками, пока она находится в облаке. В случае, когда температура внутри и под облаком достаточно холодная, чтобы предотвратить таяние, хлопья падают на поверхность и наблюдается снегопад.

Наконец, если облачная среда богата переохлажденной жидкой водой, что характерно для нестабильных кучево-дождевых облаков, кристалл столкнется с большим количеством переохлажденных капель, которые мгновенно замерзнут при контакте. Следовательно, столкновение за столкновением, кристалл покрывается оболочкой льда.

Этот механизм аккреции приводит к появлению мокрого снега, если частицы достаточно быстро выпадают из облака, или града, если восходящие волны достаточно сильны, чтобы удерживать их в воздухе. Как и в случае с хлопьями, любая частица мокрого снега не попадает на землю и может превратиться в каплю, если между облаком и поверхностью присутствует достаточно теплый слой воздуха.