Хмари бувають шаруваті перисті та кучеряві. Що така хмара

Без сумніву, унікальним явищем, яке можна спостерігати у нижньому Землі – є, звичайно ж, хмари. Різноманітні форми та види хмар просто не можуть не захоплювати. Здавалося б, як це не схожі одна на одну хмари, можна класифікувати? Виявляється, можна! І дуже просто. Ви, напевно, самі неодноразово помічали, що одні хмари утворюються дуже високо в небі, а інші на їхньому тлі знаходяться значно нижче. Виходить, різні хмари формуються в небі на різній висоті. Ті види хмар, які майже непомітні, мають напівпрозорий колір і форму ниток, рухаючись уздовж Сонця або Місяця, практично не послаблюють їхнє світло. А ті, що знаходяться нижче, мають більш щільну структуру і практично повністю приховують Місяць і Сонце.

Як утворюються хмари? Як ми вже говорили, хмари - це повітря, точніше тепле повітря, яке піднімається від земної поверхні з доходу до певної висоти, повітря охолоджується, а пара перетворюється на воду. З цього, власне, складаються хмари.

Але чому залежить форма і види хмар? А це залежить від тієї висоти, на якій хмара утворилася і тієї температури, яка там є. Розглянемо докладніше різні види хмар.

Сріблясті – утворюються на висоті 70-90 км від поверхні землі. Вони є досить тонким шаром, який ледве помітний на тлі неба вночі.

Перламутрові хмари знаходяться на висоті 20-30 км. Такі хмари утворюються порівняно рідко. Їх можна побачити перед тим, як Сонце сходитиме, або коли вже заходитиме за обрій.

Перисті – розташовуються на висоті 7-10 км. Тонкі хмари білого кольору, які схожі на поплутані чи паралельні нитки.

Перисто-шаруваті хмари - знаходяться на відстані 6-8 км від землі. Є пеленою білого або блакитного кольору.

Перисто-купчасті – теж знаходяться на висоті 6-8 км. Тонкі хмари білого кольору, які схожі на скупчення пластівців.

Високо-купчасті хмари - 2-6 км. Слабо-прозорий шар хмар у вигляді хвиль білого, сірого або синього кольору. З цього виду хмар можливе випадання слабких опадів.

Високошарові – 3-5 ка над землею. Є пелену іноді волокнисту на вигляд. З них можливе випадання слабкого дощу чи снігу.

Шарово-купчасті хмари – 0,3-1,5 км. Це шар з добре помітною структурою, схожий на пластину або хвилю. З таких хмар випадають невеликі опади у вигляді снігу чи дощу.

Шаруваті хмари знаходяться на висоті 0,5-0,7 км. Однорідний непрозорий шар сірого кольору.

Шарувато-дощові - знаходяться на висоті 0,-1,0 км від землі. Безперервна, непрозора пелена темно-сірого кольору. З таких хмар йдуть сніг та дощ.

Купові хмари – 0,8-1,5 км. Мають сіру, плоску на вигляд основу та щільні куполоподібні вершини білого кольору. Як правило, опадів із такого виду хмар не буває.

Купово-дощові хмари – 0,4-1,0 км. Є цілим масивом хмар, у якого темно-синя основа і біла вершина. Такі хмари приносять опади – зливи, грози, град чи сніжну крупу.

За будь-якої можливості вдивляйтеся в небо, і ви вже дуже скоро навчитеся розрізняти не тільки форми, але й хмари.

Поняття «хмарність» має на увазі кількість хмар, що спостерігаються в одному місці. Хмарами, своєю чергою, називаються атмосферні явища, сформовані суспензією водяної пари. Класифікація хмар налічує безліч їх видів, що поділяються за розмірами, формою, природою освіти та висотою розташування.

У побутовій сфері для вимірювання хмарності використовують спеціальні терміни. Розгорнуті шкали вимірювання цього показника застосовуються в метеорології, морській справі та авіації.

Метеорологи використовують десятибальну шкалу хмарності, яка іноді виражається у відсотках покриття доступного для огляду небесного простору (1 бал - 10% покриття). Крім того, висота утворення хмар поділяється на верхній та нижній яруси. Така сама система використовується і в морській справі. Авіаційні метеорологи використовують систему з восьми октант (частинок неба) з більш докладним зазначенням висоти розташування хмар.

Для визначення нижньої межі хмар використовують спеціальний прилад. Але гостру необхідність у ньому відчувають лише авіаційні метеостанції. В інших випадках проводиться візуальна оцінка висоти.

Типи хмарності

Хмарність відіграє у формуванні погодних умов. Хмарний покрив запобігає нагріванню поверхні Землі, і продовжує процес її охолодження. Хмарний покрив суттєво знижує добові коливання температури. Залежно від кількості хмар у певний час виділяється кілька типів хмарності:

1. «Ясно чи малохмарно» відповідає хмарності у 3 бали у нижньому (до 2 км) та середньому ярусі (2 – 6 км) або будь-яка кількість хмар у верхньому (вище 6 км).
2. «Яка змінна або змінна» - 1-3/4-7 балів у нижньому або середньому ярусі.
3. «З проясненнями» – до 7 балів сумарної хмарності нижнього та середнього ярусу.
4. «Похмуро, хмарно» - 8-10 балів у нижньому ярусі або хмари, що не просвічуються, в середньому, а також з атмосферними опадами у вигляді дощу або снігу.

Види хмар

Всесвітня класифікація хмар виділяє безліч видів, кожен з яких має свою латинську назву. У ній враховується форма, походження, висота освіти та низка інших факторів. Основу класифікації становлять кілька видів хмар:

• Перисті хмари є тонкими нитками білого кольору. Розташовуються на висоті від 3 до 18 км, залежно від широти. Складаються з кристалів льоду, що падають, яким і зобов'язані своїм зовнішнім виглядом. Серед пір'ястих на висоті понад 7км хмари поділяються на перисто-купчасті, високо-шаруваті, які мають невисоку щільність. Нижче на висоті близько 5 км розташовуються високо-купчасті хмари.
• Купові хмари це щільні утворення білого кольору та значної висоти (іноді більше сягає 5 км). Розташовуються найчастіше в нижчому ярусі з вертикальним розвитком у середній. Купові хмари на верхній межі середнього ярусу звуться високо-купчастими.
• Купово-дощові, зливові та грозові хмари, як правило, розташовуються невисоко над поверхнею Землі 500-2000 метрів, характерні випаданням атмосферних опадів у вигляді дощу, снігу.
• Шаруваті хмари є шаром суспензії невеликої щільності. Вони пропускають світло сонця та місяця і знаходяться на висоті між 30 та 400 метрами.

Перисті, купчасті та шаруваті типи змішуючись, утворюють інші види: перисто-купчасті, шарувато-купчасті, перисто-шарові. Крім основних видів хмар і існують і інші, менш поширені: сріблясті та перламутрові, лентикулярні та вимеподібні. А хмари, утворені пожежами чи вулканами, називаються пірокумулятивними.

Деформовані перисто-купчасті хмари.

Іноді в перисто-купових хмарах можна спостерігати розриви округлої форми. Такий розрив утворюється, коли у хмарі температура нижча за нуль, але вода ще не встигла замерзнути. Коли вода в одному місці починає замерзати, то водяні пари, що знаходяться поруч, швидко випаровуються і конденсуються на кристалах льоду. Кристали льоду стають важкими і під власною вагою можуть осісти на землю. Таким чином і виходять деформовані перисто-купчасті хмари.

Перисто-шаруваті хмари (Cirrostratus, Cs) – вид хмар верхнього ярусу.
Колір: білі, напівпрозорі.
Опис та форма хмари . Перисто-шаруваті хмари бувають у вигляді суцільної пелени високо в небі. За наявності цих хмар сонце і місяць плавають наче в серпанку. Прозорість хмар може змінюватись в залежності від щільності хмари. При малій щільності також спостерігається ефект гало. Товщина перисто-шарових хмар може досягати 2-6 кілометрів.
Видимість усередині хмари : 50-200 метрів.
Склад та освіта. Джерело матеріалу для утворення перисто-шарових хмар - цілі пласти повітря, що піднімаються вгору в результаті багаторівневої конвергенції. Хмарний елемент – кристали льоду.
Опади з них не випадають, але згущення перисто-шарових хмар може бути провісником поганої погоди.

Які бувають хмари середнього ярусу за формою:

• Високо-купчасті хмари,

• Високошарові хмари,

• Високошарові хмари, що просвічують.

Високо-купчасті хмари (Altocumulus, Ac
Колір : білий, сірий або синювато-білий.
Опис та форма хмари . Високо-купчасті хмари бувають зазвичай влітку. Розташовуються хвилеподібно або грядами у вигляді пластівців або пластин. Між окремими елементами спостерігаються просвіти. Іноді навколо цих хмар спостерігається гарне явище, що називається "іридизацією" . Це райдужне фарбування краю хмари.
Видимість усередині хмари : 50-80 метрів.
Склад та освіта. Утворюються, коли теплі маси повітря піднімаються нагору. Підняття може бути спровоковане настанням холодного фронту, який витісняє нагріте у поверхні землі повітря нагору.
Прогноз погоди по хмарам. З'являються після грози чи бурі. Передбачають ясну погоду.

Високошарові хмари (Altostratus, As) – вид хмар середнього ярусу.
Колір : сірий або синій.
Опис та форма хмари . Високошарові хмари бувають у вигляді однорідної або трохи хвилястої пелени, крізь яку слабо просвічують сонце і місяць. Висота хмари варіюється від одного до чотирьох кілометрів.
Видимість усередині хмари : 25-40 метрів.
Склад та освіта. Основними елементами хмари є кристали льоду, сніжинки, переохолоджена вода.
Прогноз погоди по хмарам. З високошарових хмар випадають опади. Це сильний дощ або сніг.

Високошарові хмари, що просвічують (Altostratus translucidus, As trans) - вид хмар середнього ярусу .
Колір : біло-синій.
Опис та форма хмари . Виразно видні хвилясті смуги, що просвічуються. Сонячний та місячний диски цілком помітні. Попри це відкидають на землю слабку тінь. Нижня межа цих хмар знаходиться на висоті 3-5 км. Висота хмарного масиву 1-2 км. Поступово закривають все небо суцільною пеленою.
Прогноз погоди по хмарам. З високошарових хмар, що просвічують, також випадають опади, але в літній період рідко досягають земної поверхні.

Які бувають хмари нижнього ярусу за формою:

• Шаруваті хмари,

• Шарува-купчасті хмари,

• Хмари.

Шаруваті хмари (Stratus, St) – вид хмар нижнього ярусу.
Колір : темно-сірий або світло-сірий
Опис та форма хмари . Шаруваті хмари бувають у вигляді однорідної білястої пелени, що закриває все небо і схожа на туман. Висота хмари невелика – від кількох десятків до сотень метрів. Нижня частина може опускатися дуже низько, тоді хмара зливається з туманом. Формується у нижньому ярусі тропосфери.
: 100-400 метрів, іноді опускається до 30-90.
Прогноз погоди по хмарам. З шаруватих хмар іноді випадають опади. Це мряка чи сніжні зерна, залежно від сезону.

Шарува-купчасті хмари (Stratocumulus, Sc) - вид хмар нижнього ярусу.
Колір : сірий.
Опис та форма хмари . Шарово-купчасті хмари бувають як масивних гряд, хвиль, пластин. Можуть бути як з просвітами, так і затягнути небо суцільною хвилястою пеленою. Висота шару хмар – від 200 до 800 метрів. Досить щільні, сонце просвічується лише з обох боків хмар.
Висота над поверхнею землі : від 500 до 1800 метрів.
склад . Основний хмарний елемент – краплі води.
Прогноз погоди по хмарам. Опади можливі лише зрідка, та й то нетривалі.

Смугасті шарувато-купчасті хмари.
Колір : сірий.
Опис та форма хмари . Різновид шарувато-купових хмар. Примітними є те, що розташовуються на небі у вигляді правильних рядів або хвиль, розділених просвітами.
Висота над поверхнею землі : від 500 до 1800 метрів.
склад . Хмарний елемент – краплі води.
Прогноз погоди по хмарам. Найчастіше віщують хорошу погоду.

Хмари (Cumulus, Cu) - вид хмар нижнього ярусу.
Колір : яскраво-білий.
Опис та форма хмари . Щільні, витягнуті у висоту хмари. Верхня частина купових хмар буває округла або у вигляді круглих веж.
Висота над поверхнею землі : від 800 до 1500 метрів, зрідка більше двох кілометрів.
Прогноз погоди по хмарам. Якщо розташовуються розрізнено, далеко один від одного, то до хорошої погоди. Але якщо купові хмари великі та багатоповерхові, то може бути сильна злива.

Які бувають хмари вертикального розвитку за формою:

• Шарово-дощові хмари,

• Хмарно.

Шарувато-дощові хмари (Nimbostratus, Ns) - вид хмар вертикального розвитку.
Колір : темно-сірий, із синюватим відтінком.
Опис та форма хмари . Хмари накривають землю суцільною пеленою. Шарувато-дощові хмари бувають неоднорідної структури, місцями хвилястої. Товщина шару – до кількох кілометрів. Від шаруватих хмар відрізняються неоднорідною структурою, яка стає розмитою під час дощу чи снігу. Але в перервах між опадами неоднорідність знову стає помітною.
Висота над поверхнею землі : від 100 до 1900 метрів.
Прогноз погоди по хмарам. Породжують затяжні опади.

Хмарно-дощові хмари (Cumulonimbus, Cb) - вид хмар вертикального розвитку .
Колір : густий темно-сірий.
Опис та форма хмари . Потужні щільні хмари, що досягають висоти понад 10 км. Хмарам передує шквалистий вітер, ураган. Відрізняються плоскою вершиною - "ковадлом", що складається з кристалів льоду.
Висота над поверхнею землі : до 2000 метрів.
склад . В основі - водяні краплі, а при вершині, де температура набагато нижче - крижані кристали.
Прогноз погоди по хмарам. Хмарно-дощові хмари бувають провісниками поганої погоди. Приносять сильну зливу, грозу, можливий град.

На цьому перелік основних видів і форма хмар закінчено, але існують інші, більш рідкісні, види. Вони можуть бути зараховані до жодної з вищеописаних категорій, тому розглядаються окремо. У наступній статті ми відповімо на запитання: Які ще бувають хмари?

Це була стаття "Види та форми хмар. Які бувають хмари?" Далі читайте:

Хмара як явище природи(Реферат, зроблений школярем 10 класу)

У тлумачному словнику У. Даля дано коротке й те водночас досить точне визначення хмари: «Хмара - туман у висоті». Як і туман, хмара є завись у повітрі дрібних і дрібних крапельок води. Поруч із водяними крапельками у хмарі можуть бути також дрібні кристалики льоду. Хмара може повністю складатися із таких кристаликів.

Розрізняються хмари між собою ще й своєю видимою товщиною, висотою над землею, площею поширення та забарвленням. Словом, різноманітність їх велика.

Класифікація хмар

Відповідно до міжнародної класифікації хмари на вигляд поділяються на 10 основних форм, а за висотами – на 4 класи.

1. Хмари верхнього ярусу- Розташовуються на висоті від 6 км і вище, являють собою тонкі білі хмари, складаються з крижаних кристалів, мають маленьку водність, тому опадів не дають. Потужність мала - 200 - 600 м. До них відносяться:

перистіхмари, що мають вигляд білих ниток, гачків. Є провісниками погіршення погоди, наближення теплого фронту (рис.2г);

перисто-купчастіхмари – дрібні баранчики, дрібні білі пластівці, брижі;

перисто-шаруватімають вигляд блакитної однорідної пелени, яка покриває все небо, видно розпливчастий диск сонця, а вночі – навколо місяця виникає коло гало.

2. Хмари середнього ярусу- Розташовуються на висоті від 2 до 6 км, складаються з переохолоджених крапель води в суміші зі сніжинками і крижаними кристалами. До них відносяться:

високо-купчасті, що мають вигляд пластівців, пластин, хвиль, гряд, розділених просвітами. Вертикальна довжина 200 - 700 м., опади не випадають (рис.2);

високо-шаруватіявляють собою суцільну сіру пелену, тонкі високошарові мають потужність - 300 - 600 м, а щільні - 1 - 2 км. Взимку їх випадають облогові опади.

3. Хмари нижнього ярусурозташовуються від 50 до 2000 м-коду, мають щільну структуру. До них відносяться:

шарувато-дощові, Що мають темно-сірий колір, велику водність, дають рясні облогові опади. Під ними в осіданнях утворюються низькі розірвано-дощові хмари. Висота нижньої межі шарувато-дощових хмар залежить від близькості лінії фронту і становить від 200 до 1000 м, вертикальна довжина 2 - 3 км, зливаючись часто з високошаровими і перисто-шаровими хмарами;

шарувато-купчастіскладаються з великих гряд, хвиль, пластин, розділених просвітами. Нижня межа 200 – 600 м, а товщина хмар 200 – 800 м, іноді 1 – 2 км. Це хмари внутрішньомасові, у верхній частині шарувато-купових хмар найбільша водність. Опади з цих хмар, зазвичай, не випадають (рис 2 б);

шаруватіхмари є суцільним однорідним покривом, що низько навис над землею з нерівними розмитими краями. Висота буває 100-150 м і нижче за 100 м, а верхня межа - 300-800 м. Можуть опускатися до землі і переходити в туман (рис 2 а);

розірвано-шаруватіхмари мають нижню межу 100 м і нижче за 100 м, утворюються в результаті розсіювання туману. Опади їх не випадають.

4. Хмари вертикального розвитку.Нижня межа лежить у нижньому ярусі, верхня досягає тропопаузи. До них відносяться:

купчастіхмари – щільні хмарні маси, розвинені по вертикалі з білими куполоподібними вершинами та плоскою основою. Нижня межа їх порядку 400 – 600 м і вище, верхня межа 2 – 3 км, опадів не дають (рис 2, д);

потужно-купчастіхмари є білі куполоподібні вершини з вертикальним розвитком до 4 - 6 км, опадів не дають;

купово-дощові (грозові)є найнебезпечнішими хмарами, є потужні маси хмар, що клубляться, з вертикальним розвитком до 9 - 12 км. З ними пов'язані грози, зливи, град (рис 2е, ж).

Хмари переносяться вітрами на величезні відстані, у результаті здійснюється постійний вологообмін між різними областями нашої планети. Вкрай спрощена схема вологообміну така: вода з моря потрапляє до хмар, що утворюються над поверхнею моря, потім вітри переносять ці хмари на материк, де вони виливаються дощами, нарешті, через річки вода повертається назад у море.

Хмарний покрив нашої планети досить великий. Хмари покривають у середньому близько половини всього небосхилу. Вони міститься у зваженому стані 10 12 кг води (льоду).

Залежно від причин виникнення розрізняють такі види хмарних форм:

Купівеподібні . Причина їх виникнення – термічна, динамічна конвекція та вимушені вертикальні рухи. До них відносяться: а) купчасті б) купово-дощові в) потужно-купчасті г) високо-купчасті д) перисто-купчасті

Шаруваті виникають в результаті висхідних ковзань теплого вологого повітря по похилій холодній поверхні вздовж пологих фронтальних розділів. До цього виду належать хмари: а) шарувато-дощові; б) високо-шаруваті; в) перисто-шаруваті; г) перисті.

Хвилясті виникають при хвильових коливаннях на шарах інверсії та шарах з невеликим вертикальним градієнтом температури. До них відносяться: а) шарувато-купчасті; б) високо-купчасті, хвилясті; в) шаруваті; г) розірвано-шаруваті.

Існує ще одна важлива характеристика – хмарність, тобто. кількість хмар – кількість умовних частин піднебіння, закритих хмарами. Раніше таке число виражалося у балах (від 0 до 10), зараз прийнято виражати в октантах (від 0 до 8).

На малюнку 1 перелічені типи хмар схематично зображені всі разом, що дозволяє уявити в цілому структуру хмарного покриву. Всі ці хмари утворюються в межах нижнього шару атмосфери, що називається тропосферою. У вищих шарах атмосфери хмар майже немає; лише на висотах близько 30 км можна виявити перламутрові хмарита на висотах близько 80 км. сріблясті хмари.Перламутрові хмари дуже тонкі, вони просвічують; в сутінки поблизу сонця вони забарвлюються в червоний, золотистий і зелений кольори. Сріблясті хмари також дуже тонкі. Вони світяться сріблястим кольором уночі, незабаром після заходу сонця або незадовго до сходу сонця. Це розсіяне хмарами сонячне світло.

Будова земної атмосфери.У певному сенсі земну атмосферу можна уподібнити листковому пирігу, вона складається з низки верств або, точніше кажучи, ряду вкладених одна в одну сфер. Поділ на шари (сфери) проводять з огляду на характер зміни температури атмосферного повітря з висотою. На малюнку 3 виділено чотири шари атмосфери тропосфера, стратосфера, мезосфера, гермосфера- і зображено криву, що відображає зміну температури повітря з висотою.

У міру підйому від поверхні землі температура повітря спочатку зменшується. Це відомо всім - адже вершини високих гір цілий рік вкриті снігом та льодами. Той, хто літав авіалайнерами, неодноразово чув повідомлення бортпровідниць про те, що температура повітря за бортом літака 60-70 градусів морозу. Нагадаємо, що сучасні авіалайнери літають на висотах 8-10 км.

Виявляється, зменшення температури повітря з висотою відбувається лише до певних висот до 17 км над тропіками та 10 км над полярними областями. Ці числа таки визначають висоту верхньої межі тропосфери (вона залежить від географічної широти). Температура повітря межі тропосфери становить над тропіками близько -75°З, а полюсами близько -60°С.

До тропосфери примикає стратосфера. У стратосфері температура повітря під час підйому спочатку залишається постійною (до висот 25 - 30 км), а потім починає зростати - аж до висоти 55 км, що відповідає верхньому кордону стратосфери; при цьому температура досягає значень близьких до 0°С. У наступному атмосферному шарі-мезосфері температура знову починає зменшуватись у міру підйому; вона падає до -100 ° С і навіть до -150 ° С на рівні верхньої межі мезосфери, що має висоту близько 80 км. Ще вище починається термосфера; тут температура у міру підйому зростає.

Отже, у тропосфері температура повітря з висотою зменшується, у стратосфері температура спочатку не змінюється, а потім зростає, у мезосфері вона знову зменшується та, нарешті, у термосфері знову починає зростати. Зауважимо, що слово "тропосфера" походить від грецького "тропос", що означає "поворот"; над тропосферою відбувається перший поворот температури. Атмосфера дійсно нагадує листковий пиріг: шари, де температура знижується, чергуються із шарами, де вона підвищується.

Походження такого «шаруватого пирога» неважко пояснити. Адже знизу атмосфера підігрівається земною поверхнею, а зверху – сонячним випромінюванням; тому її температура повинна зростати при наближенні як до землі, так і до верхньої межі атмосфери. Внаслідок цього температурна крива повинна, здавалося б, мати вигляд, показаний на малюнку 3 пунктиром. Насправді ж температура змінюється з висотою не за пунктирною, а за безперервною лінією і виявляє деяке збільшення в області стратосфери. Це підвищення температури викликане поглинанням ультрафіолетової складової сонячного випромінювання в шарі озону (О 3), який займає інтервал висот приблизно від 20 до 60 км.

Для утворення хмар треба, щоб повітря було вологим (або принаймні не надто сухим) і щоб відбувалося досить сильне зниження температури повітря. Найбільше вологе повітря поблизу земної поверхні, в тропосфері. До того ж у тропосфері температура повітря з висотою зменшується. Тому не дивно, що майже весь хмарний покрив Землі зосереджений у межах тропосфери. Сріблясті хмари утворюються значно вище за тропосферу - поблизу верхньої межі мезосфери. Істотно, що на цих висотах температурна крива проходить через черговий і до того ж відносно сильний мінімум. Зазначимо, що на висотах поблизу максимуму температурної кривої (на межі стратосфери та мезосфери) хмари ніколи не спостерігаються.

Адіабатичне розширення газу

Одним із головних процесів, що призводять до утворення хмари, є процес адіабатичного розширення повітря при його підйомі над поверхнеюземлі.

Припустимо, деяка маса газу (зокрема, повітря) розширюється. При цьому газ здійснює роботу Апроти сил зовнішнього тиску Нехай Q - теплота, яку газ отримує ззовні у процесі розширення. Досконала газом робота Ата отримана ним теплота Q визначають зміну внутрішньої енергії газу ∆ U:

∆U = Q - A. (1)

Це перший початок термодинаміки; воно є нічим іншим, як закон збереження енергії для аналізованої маси газу.

Зміна внутрішньої енергії газу пов'язана зі зміною температури. Нехай Т 1 і Т 2 - відповідно початкова та кінцева температури газу. Вважатимемо, що газ складається з двоатомних молекул і що його молярна маса є М(для повітря можна прийняти М=0.029 кг/моль). Для такого газу

де m - маса газу, кг; R - універсальна газова постійна, R=8,3 · Дж / (моль · До); М- Молярна маса, кг/моль.

Якщо Q > A, то ∆ U > 0. У цьому випадку Т 2 > Т 1 отже, газ при розширенні нагрівається. Якщо Q = A, то ∆ U = 0. В цьому випадку Т 2 = Т 1 - температура газу, що розширюється, залишається незмінною (Ізотермічне розширення).

Для нас цікавий випадок, коли можна прийняти Q = 0, тобто. коли можна знехтувати теплообміном між газом та навколишнім середовищем. У цьому випадку співвідношення (1) набуває вигляду

∆U= - А.(3)

Видно, що тепер ∆ U < 0 и, следовательно, Т 2 < T 1 -Газ при розширенні охолоджується.

Розглянутий процес називають адіабатичним розширеннямгазу. При такому розширенні газ не отримує теплоти ззовні і тому здійснює роботу тільки за рахунок власної внутрішньої енергії (внаслідок чого охолоджується). Підставляючи (2) (3), отримуємо формулу, що пов'язує зменшення температури двоатомного газу, що адіабатично розширюється, і роботу, здійснену газом:

Наведемо без висновку формулу для роботи двоатомного газу, що адіабатично розширюється:

Тут p 1 і Т 1 - Початковий тиск і початкова температура газу, а p 2 - Його кінцевий тиск.

Використовуючи дві останні формули, знайдемо, що при адіабатичному розширенні повітря при підйомі на 1 км охолоджується на 6 градусів. Адіабатичний температурний градієнт повітря

γ а = 0.6 про З/100 м.

Пробразуванняхмар.

Процес утворення хмари починається з того, що деяка маса вологого повітря піднімається вгору. У міру підйому відбуватиметься Розширення повітря.Це розширення можна вважати адіабатним, так як повітря піднімається відносно швидко, і при досить великому його обсязі (а в освіті хмари бере участь дійсно великий обсяг повітря) теплообмін між аналізованим повітрям і навколишнім середовищем під час підйому просто не встигає статися.

Як ми знаємо, при адіабатному розширенні газу його температура знижується. Значить, вологе повітря, що піднімається вгору, буде охолоджуватися.Коли температура повітря, що охолоджується, знизиться до точки роси, стане можливим процес конденсації пари, що міститься в повітрі. За наявності в атмосфері достатньої кількості ядер конденсації (пилок, іонів) цей процес справді починається. Якщо ядер конденсації в атмосфері мало, конденсація починається не за температури, що дорівнює точці роси, а за більш низьких температур.

Отже, досягнувши деякої висоти Н, вологе повітря, що піднімається, охолоне (в результаті адіабатного розширення) настільки, що почнеться конденсація водяної пари. Висота Нє нижня кордонхмари, що формується (рис. 4а). Повітря, що продовжує надходити знизу, проходить крізь цей кордон, і процес конденсації парів відбуватиметься вже вище зазначеної межі - хмара почне розвиватися у висоту (рис. 4б). Вертикальний розвиток хмари припиниться тоді, коли повітря перестане підніматися; при цьому сформується верхня межахмари (рис. 4в).

Тепер розглянемо, що ж змушує повітря підніматися нагору.

По перше, Підйом повітряних мас може відбуватися внаслідок конвекції - коли в спекотний день сонячні промені сильно прогріють земну поверхню, і вона передасть теплоту приземним шарам повітря (рис.5, а). І тут говорять про хмари конвекційного походження. Купові хмари мають найчастіше саме таке походження.

По-друге, що дме горизонтально, уздовж поверхні землі вітер може зустріти на своєму шляху гори або інші природні піднесення. Обтікаючи їх, вітер перемістить нагору повітряні маси (рис.5, б). Це також внутрішньомасові хмари. Таке походження можуть мати шаруваті та шарувато-дощові хмари.

По-третєхмари утворюються на теплих і холодних фронтах. Якщо маси теплого повітря, переміщаючись у горизонтальному напрямку, витісняють холодне повітря, виникає так зване теплий фронт.Якщо ж настає холодне повітря, то говорять про холодному фронті.Теплий фронт зображено схематично малюнку 6,а, де червоними стрілками показані переміщення теплого повітря, а чорними - холодного. Поблизу кордону між теплою та холодною повітряними масами виникають висхідні потоки повітря (як теплого, так і холодного). В результаті можуть утворитися хмари горизонтального розвитку всіх ярусів – шарувато-дощові, високо-купчасті, перисті. На малюнку 6б показано холодний фронт. Тут утворюються висхідні потоки лише теплого повітря. У цьому формуються, як і теплому фронті, хмари всіх ярусів. Отже, на теплому фронті настає тепле повітря як би «навалюється» на холодне повітря, що стелиться внизу, і по ньому піднімається вгору. На холодному ж фронті холодне повітря, що настає, проникає під тепле повітря і як би піднімає його.

По-четверте, вертикальні переміщення повітряних мас можуть бути пов'язані з циклонічною діяльністю, яка, у свою чергу, пов'язана із взаємодією теплих та холодних фронтів.

Циклони та антициклониє потужні атмосферні вихори діаметром до кількох тисяч кілометрів і заввишки 10...20 км.

Циклони. Поблизу поверхні землі вітри прямують від периферії до центру циклону, оскільки у центрі циклону тиск повітря менше, ніж його периферії. У Північній півкулі вітри «закручуються» до центру циклону проти годинникової стрілки,а в Південному - за годинниковою стрілки.На малюнку 7а червоним зображені ізобари циклону біля поверхні землі; синіми стрілками показано напрямок вітрів (для Північної півкулі). Повітряні маси, що стікаються до центру циклону, спрямовуються потім вертикально вгору (рис.76). Це призводить до утворення потужних шаруватих та шарувато-дощових хмар, випадають опади. У верхній тропосфері з'являються горизонтальні вітри, спрямовані по спіралі від центру циклону; вони виносять для його периферії повітряні маси, захоплені циклоном. Зародження або прихід циклону, що вже сформувався, завжди призводить до значного погіршення погоди, супроводжується тривалими дощами.

Наближення центральної області циклону ми відчуваємо зниження атмосферного тиску. Ми говоримо: «Тиск упав – підуть дощі, буде похмуро».

Антициклони. Для антициклонів характерна зворотна картина процесів. У центрі антициклону тиск вищий, ніж на периферії. У верхній тропосфері вітри закручуються до центру антициклону, а поблизу земної поверхні - від центру; у центрі виникають потужні низхідні потоки повітря. Опускається повітря нагрівається, відносна вологість зменшується, хмарність зникає - встановлюється ясна погода. Недарма підвищення атмосферного тиску ми справедливо пов'язуємо із покращенням погоди.

Фізична природа купової хмари.

Зупинимося трохи докладніше на фізиці процесів, що призводять до утворення звичайної купової хмари конвекційного походження. Така хмара має значні вертикальні розміри, що вказують на те, що конвекційні потоки можуть підніматися на велику висоту - значно вище за нижню межу хмари. Для пояснення звернемося до малюнка 8. На ньому наведено (якісно) три залежності температури повітря від висоти. Залежність 1 відноситься до повітря, що не бере участі в утворенні хмари. Це повітря оточує хмара з боків; вважатимемо, що у ньому немає вертикальних потоків. Падіння температури з висотою відбиває у разі природний хід температурної кривою не більше тропосфери. Залежність 2 відноситься до сухого повітря, що піднімається (і, отже, адіабатично розширюється). При адіабатичному розширенні повітря охолоджується, тому температурна крива 2 опускається крутіше, ніж крива 1. Слід, проте, пам'ятати, що насправді вгору піднімається не сухе, а вологе повітря; в результаті охолодження повітря пар, що міститься в ньому, буде конденсуватися (починаючи з деякої висоти Н,фіксує нижню межу хмари). При конденсації пари виділяється прихована теплота пароутворення.Кількість теплоти, що виділилася, виявляється досить помітним. Це призводить до того, що температура вологого повітря, що піднімається, буде знижуватися з висотою повільніше, ніж навіть температура нерухомого повітря (температурна крива 3). Ця обставина є дуже важливою. Справді, з урахуванням конденсації пари температура повітря, що піднімається, знижується, залишаючись у той же час вище температури навколишнього нерухомого повітря. Той факт, що повітря, що охолоджується, залишається більш нагрітим, ніж навколишнє середовище,забезпечує здатність продовжувати підйом все вище та вище. В результаті і відбувається суттєвий розвиток хмари у вертикальному напрямку.

Звичайно, такий розвиток не може бути необмеженим. У міру того, як конденсуються водяні пари, повітря стає все менш вологим; він дедалі більше підсушується. Тому температурна залежність 3 не реалізується; відбувається перехід до залежності 2, що відповідає сухому повітрі (цей перехід умовно показаний малюнку 8 штриховою стрілкою). Внаслідок такого переходу температура повітря, що піднімається, на якійсь висоті зрівняється з температурою навколишнього повітря і навіть виявиться трохи нижче її. В результаті вертикальний розвиток хмари припиниться; холодні маси повітря, що віддало свою вологу в хмару, почнуть розтікатися в сторони і опускатися вниз навколо купової хмари, формуючи характерні для таких хмар баранчики.

Макрофізика та мікрофізика хмар

Розрізняють макрофізику та мікрофізику хмар. Макрофізикавивчає переміщення повітряних мас, що призводять до утворення, зростання та випаровування хмари загалом. Мікрофізикарозглядає мікроструктуру хмари, досліджує процеси утворення, злиття, випаровування водяних крапель. Зокрема, мікрофізика вивчає умови формування тих чи інших опадів.

Хмари можуть складатися з крапель води (водяні або краплинні хмари), крижаних кристаликом (крижані або кристалічні хмари), а також одночасно з крапель і з кристаликів (змішані хмари). Водяні хмари існують не тільки при плюсовій температурі, але і при температурах нижче нуля (приблизно до -20 о С) це переохолоджені водяні хмари. Наприклад, при -10 ° С хмари в 50% випадків водяні, в 30% змішані і тільки в 20% крижані.

Водяні краплі у хмарі мають різні діаметри - від часток мікрометра до кількох міліметрів. Крижані кристалики хмари найчастіше мають форму шестигранних призм-стовпчиків довжиною близько 0,1 мм і шестикутних пластин розміром 0,1...0,5 мм.

Як би не була мала крижана крапля, вона все ж таки істотно важча за повітря. Тому постає питання: яким чином водяні краплі (а разом з тим і хмара в цілому) утримуються у повітрі?Одночасно виникає й інше питання: за яких умов водяні краплі перестають утримуватисяу повітрі і падають на землю у вигляді дощу?

Почнемо з найдрібніших крапельок, радіус яких становить частки мікрометра. Таким крапелькам не дають падати вниз безладні удари з боку молекул повітря, які перебувають у хаотичному тепловому русі. Ці удари змушують крапельку відскакувати в різних напрямках; в результаті вона рухається химерно зламана траєкторії (броунівський рух).

Чим масивніша крапля, тим важче молекулам повітря відкинути її і, отже, тим менша роль броунівського руху, але більший вплив земного тяжіння. Коли радіус краплі стає більшим за мікрометр, її рух перестає бути броунівським; крапля починає падати під впливом сили тяжкості. І тоді «входить в гру» новий фактор, що перешкоджає падінню краплі вниз, - опір повітряної середовища.

Нехай у певній точці простору водяна крапля радіусом R (Нехай, наприклад, R= 10 мкм). У цей час на краплю діє лише сила тяжкості Р

де ρ 0 - густина води, g - прискорення вільного падіння (об'єм краплі). Під дією сили тяжіння крапля починає падати донизу, її швидкість починає зростати. Одночасно виникає і починає зростати сила опору повітря, що діє на краплю. F. Вона спрямована протилежно силі тяжкості та пропорційна швидкості краплі u:

F = 6π η Ru, (7)

де η - Коефіцієнт в'язкості повітря. ( В'язкість, або, інакше, внутрішнє тертя -властивість газів та рідин чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої; з цієї причини, наприклад, швидкість газового або рідкого потоку в трубі зменшується при переході від осі труби до її стінок.) У міру зростання сили опору F зменшується різниця Р- F, тому швидкість краплі, що падає, наростає все повільніше. Коли сила опору повітря зрівняється за модулем із силою тяжіння,подальше збільшення швидкості краплі припиниться,і далі крапля падатиме рівномірно (адже тепер рівнодіюча сила, прикладена до краплі, дорівнює нулю: Р -F = 0) . Швидкість рівномірного руху краплі u визначається за умови Р -F= 0 собліком (6) та (7):

Поступово крапля, що падає, може бути зупинена і навіть підкинута вгору висхідним потоком повітря, якщо вертикальна швидкість потоку більша за швидкість падіння краплі.

Зовсім не просто відповісти на запитання, чому хмара не падає на землю. Тут треба враховувати багато чого: тепловий рухмолекул повітря, опір повітря, випаровування крапель.Треба брати до уваги також і низку інших факторів. Так, слід мати на увазі, що зі збільшенням радіусу краплі сила опору повітря починає відігравати все більш істотну роль через те, що відносно великі краплі (радіусом більше 100 мкм) при своєму падінні викликають турбулентні рухи в повітряному середовищі. Треба враховувати також, що в процесі падіння радіус краплі зовсім не залишається незмінним: поряд з випаровуванням відбувається додаткова конденсація пари на поверхні краплі, що збільшує її радіус. Можливе також злиття цієї краплі з іншими краплями або, навпаки, подрібнення її на кілька дрібніших крапель. Одним словом, мікрофізика хмари виявляється досить складною.

У дитинстві ми часто спостерігаємо за хмарами, дивуючись, які вони ніжні, пухнасті, схожі на пухову подушку. Нам хочеться зрозуміти, яка ж чарівна речовина утворює цю легку і водночас щільну структуру, таку мінливу, що за кілька хвилин вона перетворюється з жирафа на лисицю або з корабля на літак.

Хмари утворюються з мікроскопічних крапель води та крижаних кристалів. Як відомо, більшість земної поверхні складається з води, ця вода під впливом тепла постійно випаровується. Водяна пара, досягаючи верхніх шарів атмосфери, охолоджується, утворюючи холодні крапельки води та крихітні крижинки. Скупчення цих крапельок і крижинок – і є хмари.

Вони можуть відрізнятися за кольором, колір хмар визначає їхню щільність і те, як сонце їх освітлює. А ще вони безперервно рухаються і змінюють свої контури під впливом вітру – недаремно хмари називають небесними мандрівниками. Вчені підрозділяють хмари на кілька видів:

Перисті хмари мешкають на висоті 6-10 км від земної поверхні. Вони складаються з крижаних кристалів і відрізняються білим кольором. Ці хмари не надто щільні, наче рвані, вони є провісниками появи хмар.

Перисто-шаруваті хмари також складаються з крижаних кристаликів, але на відміну від перистих вони утворюють суцільну білу пелену.

Високошарові хмари нижчі в порівнянні з перистими, вони розташовуються на висоті 3-5 км від землі. До їхнього складу входять не тільки кришталеві крижинки, а й краплі води, і навіть сніжинки, тому з таких хмар може пролитися дощ або висипати сніг.

Шарувато-дощові – це сірі, низькі хмари, які несуть із собою не лише опади, а й сильний вітер, а також холодну погоду.

Шаруваті хмари сірого кольору покривають все небо в похмурий день. Вони висять на висоті від 50 м до 2 км. над земною поверхнею. З них найчастіше випадає дрібний, мрячий дощ.

Перисто-купчасті хмари часто називають баранчиками. Вони пропливають на висоті 6-8 км і, як правило, віщують наближення грози.

Високо-купчасті хмари характерні для теплої пори року. Вони можуть бути сірими, білими і навіть синюватими, вони спінюються хвилями та грядами, розділеними просвітами.

Шарово-купчасті сірі хмари складаються з крапель води. Вони хоч і схожі на щільні брили, проте опадів не віщують.

Купові хмари нагадують снігову шапку. Влітку вони приносять із собою зливи, а взимку – снігопад.

Купово-дощові хмари – потужні та щільні, передвіщають грозу, зливу та град.

Легкість і краса хмар часто надихають поетів використовувати їх образ як символ чогось неймовірно ніжного, повітряного і недосяжного. Так Володимир Маяковський, бажаючи передати те, як може грубувата простота поєднуватися з ніжною лірикою, і, по суті, відкриваючи читачеві справжню свою натуру, називає себе не чоловіком, а хмарою в штанах в однойменній поемі.

Джерело картинки: userapi.com