Иногда облака достигают просто колоссальных размеров - даже находясь на земле и глядя ввысь с большого расстояния, можно только удивляться их причудливым формам и невероятным объемам. Для того, кто еще не получил знаний об их природе, как и для знающих о том, что облака состоят из очень мелких водяных капель, часто остается непонятным, почему облака не падают. Каким образом они удерживаются на небе?

Что такое облака

Как причиной вопроса о том, почему облака не падают, так и обоснованием ответа на него будет знание о том, что эти самые облака собой представляют.

Каждое облако - это скопление мельчайших частиц воды в жидком состоянии или в форме льда. Размер таких капелек может как быть совсем ничтожным - намного меньшим миллионной доли метра (иначе - микрометра), так и достигать нескольких миллиметров.

Однако любая маленькая капля все равно тяжелее воздуха. Почему в таком случае только часть влаги выпадает в виде осадков? Как удерживается в небе оставшаяся масса?

Почему облака не падают

Краткий ответ на этот вопрос можно дать следующим образом: облака остаются в небе благодаря взаимодействию молекул воздуха с микрочастицами воды. Самым мельчайшим они задают произвольную траекторию при столкновении, а более крупные поддерживают теплые воздушные потоки, направленные навстречу падающим под воздействием силы земного притяжения каплям, сопротивляющиеся их падению и поднимающиеся в область более низких температур от разогретой земли.

Если разбирать подробнее, почему облака не падают, то сначала надо упомянуть о броуновском движении - оно характеризуется хаотичным перемещением мельчайших видимых фрагментов твердой материи, находящихся в газообразной или жидкой среде, происходящим благодаря изменению положения частиц этой среды, вызванного, в свою очередь, тепловым воздействием. Названо в честь ученого, открывшего данный феномен - Роберта Броуна.

Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Было открыто в 1827 году Робертом Броуном. Броуновское движение никогда не прекращается. Оно связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

В броуновском движении задействованы частицы облаков, размер которых меньше одной миллионной доли метра. Молекулы воздуха толкают эти микрокапли и заставляют их перемещаться по непредсказуемой траектории.

Частицы воды, достигшие размера микрометра и более, не подвержены броуновскому движению - они слишком велики и тяжелы для того, чтобы молекулы воздуха могли их успешно толкать. Такие капли начинают падать вниз под воздействием силы земного притяжения. Однако сопротивление воздуха действует в противоположном ей направлении, и его сила пропорциональна скорости движения капли. Благодаря этому капля перестает ускоряться при падении и продолжает двигаться вниз с постоянной скоростью. Частица воды, летящая таким образом, встречает на своем пути теплые воздушные потоки, которые могут замедлить ее движение, остановить или даже отбросить каплю вверх - в обратном направлении.

Вот почему облака не падают на землю. Состоящие из разнокалиберных частиц воды, они удерживаются в небе благодаря особенностям воздушной среды, в которой находятся.

Роль осадков в жизни облаков

А что происходит с очень крупными и весомыми частичками воды и каплями, не зависшими в воздухе и не отброшенными его потоками ввысь? Накопившись в одном облаке в большом количестве, они превращают его в тучу и выпадают на землю в качестве осадков - дождя, снега, града - или испаряются на пути к земной поверхности.

Также в этом путешествии капли могут изменить свой размер - разделиться на более мелкие или вырасти, слившись с другими.

Все знают, что облака состоят из мелких капелек воды или кристалликов льда. Водяные капли в облаке имеют различный диаметр - от долей микрометра до нескольких миллиметров. Как бы ни была мала ледяная капля, она все же тяжелее воздуха. Поэтому возникает естественный вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе и не падают на землю? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?

Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Такое движение называют броуновским - по имени английского ботаника Р. Броуна, открывшего его в 1828 г. Удары молекул воздуха вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории.

Чем тяжелее капля, тем труднее молекулам воздуха сдвинуть ее с места, и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения. Но при этом возрастает влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским. Капля начинает падать под действием силы тяжести, постепенно ускоряясь. И тогда начинает играть большую роль новый фактор, препятствующий падению капли вниз, - сопротивление воздушной среды. Одновременно с ускорением капли возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздуха. Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли.

По мере возрастания силы сопротивления скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха выравнивается по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекращается, и далее капля падает равномерно. Такую равномерно движущуюся капельку может затормозить и даже подбросить вверх восходящий поток теплого воздуха. А земля, которую нагревает солнце, является постоянным источником таких восходящих воздушных потоков.

Кроме того, в процессе падения капля может просто-напросто испариться. Или раздробиться на более мелкие капельки.

Но капля может и, наоборот, укрупниться: слиться с другими или сконденсировать на своей поверхности дополнительный пар и тогда она все-таки упадет на землю. Так и выпадают осадки. В каком-то смысле можно даже сказать, что осадки (дождь или снег) - это падение облаков на землю, только на самом деле капельки дождя или снежинки слишком велики и тяжелы, чтобы они могли быть составляющими облаков.

Хороший вопрос. Поскольку, как известно из школьных учебников, облака состоят из мелких капелек воды и крохотных кристалликов льда, которые, так или иначе, тяжелее воздуха.

Как они удерживаются на высоте? Где пресловутое земное притяжение? И почему это удержание заканчивается довольно часто выпадением капелек в виде дождя?

Теория непрерывного движения, прозванного Броуновским, основанная на том, что капелькам с радиусом в доли микрометра не дают упасть стукающиеся о них молекулы воздуха, придающие этим капелькам беспорядочное движение, объясняет лишь часть проблемы, но далеко не всю.

Почему эта капля вдруг становится больше по размерам и весу, и молекулам воздуха уже не под силу столкнуть ее с места? Понятно, что когда движение капельки прекращается, и она останавливается, она начинает падать. Вот когда включается земное притяжение, - когда капелька останавливается. Но тогда же и включается сопротивление воздуха... Это, как номер в цирке, когда велосипедист или мотоциклист ездят по вертикальным поверхностям. Стоит им остановиться – и они упадут. Но когда едут – не падают. Их удерживает, практически, на весу, движение...

Говорят, облака, состоящие из капелек и кристалликов льда, «держат» на весу и не дают упасть восходящие воздушные потоки от земли, нагретой солнцем. Оттого, мол, и птицы могут парить над землей, не махая крыльями.

А что держит облака в небе, когда ночь? Да еще безлунная? И если, скажем, орлу надо будет срочно вылететь куда-то по своим делам, ему, что, постоянно придется махать ночью крыльями, как бешеному или совсем еще не оперившемуся летуну?

Есть мнение, что облака все же падают. В виде дождя или снега. Однако и снежинки и, тем паче, капли дождя слишком тяжелы для того, чтобы быть составляющими облаков. То есть, из одного тела или предмета выпадают совершенно иные тела. Такое бывает в сказках. Или при выполнении номера иллюзионистом...

А может облако, это и не предмет вовсе, а некий процесс, беспрерывно происходящий. А мы видим то, что видим, то есть, что нам позволено видеть. Ибо если мы увидим суть процесса, мы либо ни черта не поймем, либо соприкоснемся с неведомым и увидим лик Божий, что для человеков абсолютно непозволительно.

А может, облака не падают на землю, потому, что просто умеют летать?

Может, так было задумано изначально? Ведь если бы они могли падать на землю, многим из нас пришел бы кирдык, попади мы под такое количество льда и воды. А сие не предусматривалось в планах Создателя. Ибо душе человеческой надлежит переносить испытания, а не так вот, разом, освободиться от всех бед и забот, будучи погребенной вместе с телом под тоннами воды и льда.

А может, это нарисованная или спроецированная для нас живая картинка на небесной сфере, типа 3D? Как, к примеру, радуга или звезды. Радуга искрится и переливается красками, звезды светятся и мерцают. А облака плывут, принимают разные формы, и бывают похожи на животных, птиц и даже людей. И все это для того, чтоб нам было не так тоскливо на Земле. Ведь нарисованное – не падает...

Лёгкие, пушистые и воздушные облака – они ежедневно проплывают над нашими головами и заставляют поднимать вверх голову и любоваться причудливыми формами и оригинальными фигурами. Иногда сквозь них пробивается удивительного вида радуга, а бывает – утром или вечером во время заката или восхода Солнца облака озаряют солнечные лучи, придавая им невероятный, зачаровывающий дух оттенок. Ученые уже давно исследуют воздушные облака и другие виды облаков. Они дали ответы на вопросы, что это за явление и какие бывают облака.

На самом деле, не так уж и просто дать объяснение. Потому что состоят они из обыкновенных капелек воды, которые с поверхности Земли поднял вверх тёплый воздух. Самое большое количество водяных паров образуется над океанами (за один год вода здесь испаряется не менее 400 тыс. км. куб.), на суше – в четыре раза меньше.

А так как в верхних слоях атмосферы значительно холоднее, чем внизу, воздух там довольно быстро остывает, пар конденсируется, образуя малюсенькие частички из воды и льда, вследствие чего появляются белые облака. Вполне можно утверждать, что каждое облако является своеобразным генератором влаги, через который проходит вода.

Вода в облаке находится в газообразном, жидком и твердом состоянии. Вода в облаке и наличие в них ледяных частичек, влияют на внешний вид облаков, его формирование, а также на характер осадков. Именно от типа облака и зависит вода в облаке, например, у ливневых облаков наблюдается наибольшее количество воды, а у слоисто-дождевых этот показатель в 3 раза меньше. Вода в облаке характеризуется также тем количеством, которое запасено в них - водозапас облака (вода или лед, который содержится в столбе облака).

Но всё не так просто, поскольку для того, чтобы образовалось облако, капельки нуждаются в конденсационных зёрнах – мельчайших частицах пыли, дыма или соли (если речь идёт о море), к которым они должны прилипнуть и вокруг которых должны образоваться. Это значит, что даже если состав воздуха будет полностью перенасыщенный водяным паром, без пыли он не сможет превратится в облако.

Какую именно форму примут капли (вода), прежде всего зависит от температурных показателей в верхних слоях атмосферы:

• если температура воздуха атмосферы превышает -10°С, белые облака будут состоять из водяных капель;
• если температурные показатели атмосферы станут колебаться между -10°С и -15°С, то состав облаков будет смешанным (капельные + кристаллические);
• если температура в атмосфере ниже -15°С, белые облака будут содержать в себе ледяные кристаллики.

После соответствующих преобразований получится, что в 1 см3 облака содержится около 200 капель, при этом их радиус будет составлять от 1 до 50 мкм (средние показатели – от 1 до 10 мкм).

Классификация облаков

Каждый наверняка задавался вопросом, какие бывают облака? Обычно образование облаков происходит в тропосфере, верхняя граница которой в полярных широтах находится на расстоянии в 10 км, в умеренных – 12 км, в тропических – 18 км. Нередко можно наблюдать и другие виды. Например, перламутровые обычно расположены на высоте от 20 до 25 км, а серебристые – от 70 до 80 км.

В основном мы имеем возможность наблюдать за тропосферными облаками, которые подразделяются на такие виды облаков: верхнего, среднего и нижнего ярусов, а также вертикального развития. Практически все они (кроме последнего типа) появляются тогда, когда влажный тёплый воздух поднимается наверх.

Если воздушные массы тропосферы находятся в спокойном состоянии, образуются перистые, слоистые облака (перисто-слоистые, высокослоистые и слоисто-дождевые) и если воздух в тропосфере движется волнообразно, появляются кучевые облака (перисто-кучевые, высококучевые и слоисто-кучевые).

Облака верхнего яруса

Речь идёт о перистых, перисто-кучевых и перисто-слоистых облаках. Небо облака внешне напоминает перья, волны или вуаль. Все они полупрозрачные и более-менее свободно пропускают солнечные лучи. Они могут быть как чрезвычайно тонкими, так и довольно плотными (перисто-слоистые), значит, свету пробиваться через них тяжелее. Погода облаков сигнализирует о приближении теплового фронта.

Перистые облака также могут возникать выше облаков. Они располагаются полосами, которые пересекают небесный свод. В атмосфере они располагаются выше облаков. Как правило, осадкой из них не выпадает.

В средних широтах расположены белые облака верхнего яруса обычно на высоте от 6 до 13 км, в тропических – значительно выше (18 км). При этом толщина облаков может составлять от несколько сотен метров до сотен километров, которые могут располагаться выше облаков.

Движение облаков верхнего яруса по небосводу прежде всего зависит от скорости ветра, поэтому может варьироваться от 10 до 200 км/ч. Небо облака состоит из мелких ледяных кристалликов, но погода облаков осадков практических не дает (а если и дает, то измерить их на данный момент нет никакой возможности).

Облака среднего яруса (от 2 до 6 км)

Это кучевые облака и слоистые облака. В умеренных и полярных широтах они находятся на расстоянии от 2 до 7 км над Землёй, в тропических могут подниматься немного выше – до 8 км. Все они имеют смешанную структуру и состоят из водяных капелек, смешанных с ледяными кристаллами. Поскольку высота небольшая, в тёплое время года в основном состоят из водяных, в холодное – из ледяных капелек. Правда, осадки из них до поверхности нашей планеты не доходят – испаряются в дороге.

Кучевые облака немного прозрачные и располагаются выше облаков. Цвет облаков белого или серого оттенков, местами затемнённые, имеющие вид слоёв или параллельных рядов из округлых масс, валов или огромных хлопьев. Туманные или волнистые слоистые облака представляют собой пелену, которая постепенно закрывает небеса.

Образуются в основном тогда, когда холодный фронт вытесняет наверх тёплый. И, хотя осадки до земли не долетают, появление облаков среднего яруса почти всегда (кроме, может, башенковидных) сигнализирует о перемене погоды в худшую сторону (например, к грозе или к снегопадам). Происходит это из-за того, что сам по себе холодный воздух намного тяжелее тёплого и двигаясь вдоль поверхности нашей планеты, он очень быстро вытесняет нагретые воздушные массы наверх – поэтому из-за этого при резком вертикальном подъёме тёплого воздуха образуются сначала белые облака среднего яруса, а затем и дождевые облака, небо облака которого несет громы и молнии.

Облака нижнего яруса (до 2 км)

Слоистые облака, дождевые облака и кучевые облака содержат капельки воды, которые в холодное время года замерзают и превращаются в частицы снега и льда. Расположены они довольно невысоко – на расстоянии от 0,05 до 2 км и являют собой плотный, однородный низко нависающий покров, редко размещаются выше облаков (других видов). Цвет облаков серый. Слоистые облака похожи на большие валы. Погода облаков часто сопровождается осадками (мелкий дождь, снег, туман).

Облака вертикального развития (конвенции)

Кучевые облака сами по себе довольно плотные. По форме немного напоминают купола или башни с округлыми очертаниями. Кучевые облака при порывистом ветре могут становиться разорванными. Находятся они на расстоянии 800 метров от земной поверхности и выше, толщина составляет от 1 до 5 км. Некоторые из них способны преобразоваться в кучево-дождевые облака и располагаться выше облаков.

Кучево-дождевые облака могут находиться на довольно большой высоте (до 14 км). Нижние их уровни содержат воду, верхние – ледяные кристаллики. Их появление всегда сопровождается ливнями, грозами, в отдельных случаях – градом.

Кучевые и кучево-дождевые, в отличии от других облаков образуются только при очень быстром вертикальном подъеме влажного воздуха:

1. Влажный тёплый воздух чрезвычайно интенсивно поднимается вверх.
2. Наверху капельки воды замерзают, верхняя часть облака тяжелеет, опускается и вытягивается по направлению к ветру.
3. Через четверть часа начинается гроза.

Облака верхних слоёв атмосферы

Иногда в небе можно наблюдать за облаками, которые находятся в верхних слоях атмосферы. Например, на высоте от 20 до 30 км образуются перламутровые небесные облака, которые состоят в основном из ледяных кристаллов. А перед заходом или восходом Солнца нередко можно увидеть серебристые тучки, которые находятся в верхних слоях атмосферы, на расстоянии около 80 км (интересно, что эти небесные облака открыли только в 19 веке).

Облака этой категории могут размещаться выше облаков. Например, облако-шапка — это небольшое, горизонтальное и высоко-слоистое облако, которое зачастую располагается выше облаков, а именно выше кучево-дождевых и кучевых. Данный вид облака может образовываться выше облака из пепла или огненного облака в период извержения вулканов.

Сколько живут облака

Жизнь облаков напрямую зависит от влажности воздуха в атмосфере. Если её мало, они довольно быстро испаряются (например, есть белые облака, которые живут не более 10-15 минут). Если много – могут продержаться довольно длительное время, дождаться образования определённых условий, и выпасть на Землю в виде осадков.

Сколько бы не жило облако, оно никогда не находится в неизменном состоянии. Частицы, из которых оно состоит, постоянно испаряются и появляются снова. Если даже внешне облако не изменяет своей высоты, на самом деле оно находится в постоянном движении, поскольку находящиеся в нём капли опускаются, переходят в воздух под облаком и испаряются.

Облако в домашних условиях

Белые облака довольно нетрудно сделать в домашних условиях. Например, один нидерландский художник научился создавать его в квартире. Для этого он при определённой температуре, уровне влажности и освещения из дымовой машины выпустил немного пара. Облако, которое получается в состоянии продержаться несколько минут, чего будет вполне достаточно, чтобы сфотографировать удивительное явление.

Почему облака не падают на землю?

Все знают, что облака состоят из мелких капелек воды или кристалликов льда. Водяные капли в облаке имеют различный диаметр - от долей микрометра до нескольких миллиметров. Как бы ни была мала ледяная капля, она все же тяжелее воздуха. Поэтому возникает естественный вопрос: каким образом водяные капли (а вместе с тем и облако в целом) удерживаются в воздухе и не падают на землю? Одновременно возникает и другой вопрос: при каких условиях водяные капли перестают удерживаться в воздухе и падают на землю в виде дождя?

Начнем с наиболее мелких капелек, радиус которых составляет доли микрометра. Таким капелькам не дают падать вниз беспорядочные удары со стороны молекул воздуха, находящихся в хаотичном тепловом движении. Такое движение называют броуновским - по имени английского ботаника Р. Броуна, открывшего его в 1828 г. Удары молекул воздуха вынуждают капельку отскакивать в самых различных направлениях; в итоге она движется по причудливо изломанной траектории.

Чем тяжелее капля, тем труднее молекулам воздуха сдвинуть ее с места, и, следовательно, тем меньше роль броуновского движения. Но при этом возрастает влияние земного притяжения. Когда радиус капли становится больше микрометра, ее движение перестает быть броуновским. Капля начинает падать под действием силы тяжести, постепенно ускоряясь. И тогда начинает играть большую роль новый фактор, препятствующий падению капли вниз, - сопротивление воздушной среды. Одновременно с ускорением капли возникает и начинает расти действующая на каплю сила сопротивления воздуха. Она направлена противоположно силе тяжести и пропорциональна скорости капли.

По мере возрастания силы сопротивления скорость падающей капли нарастает все медленнее. Когда сила сопротивления воздуха выравнивается по модулю с силой тяжести, дальнейшее увеличение скорости капли прекращается, и далее капля падает равномерно. Такую равномерно движущуюся капельку может затормозить и даже подбросить вверх восходящий поток теплого воздуха. А земля, которую нагревает солнце, является постоянным источником таких восходящих воздушных потоков.

Кроме того, в процессе падения капля может просто-напросто испариться. Или раздробиться на более мелкие капельки.

Но капля может и, наоборот, укрупниться: слиться с другими или сконденсировать на своей поверхности дополнительный пар и тогда она все-таки упадет на землю. Так и выпадают осадки. В каком-то смысле можно даже сказать, что осадки (дождь или снег) - это падение облаков на землю, только на самом деле капельки дождя или снежинки слишком велики и тяжелы, чтобы они могли быть составляющими облаков.