Осадки, выпадающие из облаков (классификация осадков)
При определенных условиях из облаков выпадают осадки, т.е. капли или кристаллы достаточно крупных размеров, которые не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее типичны и важны дождь и снег. Однако имеется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.
В зависимости от физических условий образования (по генетическому признаку) осадки подразделяют на три вида.
Из облаков упорядоченного восходящего движения (слоисто-дождевых и высокослоистых), связанных с фронтами, выпадаютобложные осадки. Это осадки средней интенсивности.
Они выпадают сразу на больших площадях (порядка сотен тысяч квадратных километров), распространяются сравнительно равномерно и продолжаются достаточно длительное время (порядка десятков часов). В области, захваченной фронтальной облачной системой, осадки отмечаются на всех или на большинстве станций и суммы осадков на отдельных станциях не слишком сильно различаются. Наибольший процент в общем количестве осадков в умеренных широтах составляют именно обложные осадки.
Из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией, выпадают интенсивные, но малопро-должительные ливневые осадки. Сразу же после начала они могут иметь большую интенсивность, но вскоре резко обрываются. Их сравнительно небольшая продолжительность объясняется тем, что они связаны с отдельными облаками или с узкими зонами облаков. В холодной воздушной массе, движущейся над теплой земной поверхностью, ливневый дождь в каждом конкретном пункте иногда продолжается всего несколько минут. При местной конвекции летом над сушей, когда неустойчивость атмосферы существует в течение всего дня и кучево-дождевые облака образуются непрерывно, или при прохождении фронтов ливни иногда продолжаются часами.
По наблюдениям в США, средняя площадь, одновременно захватываемая одним и тем же ливневым дождем, составляет около 20 км3.
Интенсивность ливневых осадков сильно колеблется. Даже во время одного дождя количество осадков, выпавшее на расстоянии всего 1–2 км, может различаться на 50 мм. Ливневые осадки являются основным видом осадков в низких тропических и экваториальных широтах.
Кроме обложных и ливневых осадков различают еще осадки моросящие. Это внутримассовые осадки, выпадающие из слоистых и слоисто-кучевых облаков, типичных для теплых или местных устойчивых воздушных масс. Вертикальная протяженность этих облаков невелика, поэтому в теплое время года осадки могут выпадать из них только в результате взаимного слияния капель. Выпадающие жидкие осадки – морось – состоят из очень мелких капелек. Зимой при низких температурах такие облака могут содержать кристаллы. Тогда вместо мороси из них выпадают мелкие снежинки и так называемые снежные зерна.
Как правило, моросящие осадки не дают существенных суточных количеств влаги. Зимой они не увеличивают заметно снежного покрова. Только в особых условиях, например в горах, морось может быть более интенсивной и обильной.
По форме различают следующие виды осадков.
Дождь – жидкие осадки, состоящие из капель диаметром 0,5–6 мм. Капли более значительных размеров при падении разбиваются на части. В ливневых дождях размер капель больше, чем в обложных. При отрицательных температурах иногда могут выпадать переохлажденные капли. Соприкасаясь с земной поверхностью, они замерзают и покрывают ее ледяной коркой.
Морось – жидкие осадки, состоящие из капель диаметром 0,5–0,05 мм с очень малой скоростью падения. Они легко переносятся ветром в горизонтальном направлении.
Снег – твердые осадки, состоящие из сложных ледяных кристаллов (снежинок). Формы их очень разнообразны и зависят от условий образования. Основная форма снежных кристаллов – шестилучевая звезда. Звезды получаются из шестиугольных пластинок, потому что сублимация водяного пара наиболее быстро происходит на углах пластинок, где и нарастают лучи. На этих лучах в свою очередь создаются разветвления. Диаметры выпадающих снежинок могут быть очень различными (в среднем порядка нескольких миллиметров). Снежинки при падении часто сливаются в крупные хлопья. При температурах, близких к нулю и выше нуля, выпадает мокрый снег или снег с дождем. Для него характерны крупные хлопья.
Из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков при отрицательных температурах выпадает еще крупа, снежная и ледяная, – осадки, состоящие из ледяных и сильно озерненных снежинок диаметром более 1 мм. Чаще всего крупа наблюдается при температурах, близких к нулю, особенно осенью и весной. Снежная крупа имеет снегоподобное строение: крупинки легко сжимаются пальцами. Ядрышки ледяной крупы имеют оледеневшую поверхность. Раздавить их трудно, при падении на землю они подскакивают.
Из слоистых облаков зимой вместо мороси выпадают снежные зерна – маленькие крупинки диаметром менее 1 мм, напоминающие манную крупу.
Зимой при низких температурах из облаков нижнего или среднего яруса иногда выпадают ледяные иглы – осадки, состоящие из ледяных кристаллов в виде шестиугольных призм и пластин без разветвлений. При значительных морозах такие кристаллы могут возникать в воздухе вблизи земной поверхности. Они особенно хорошо видны в солнечный день, когда сверкают своими гранями, отражая солнечные лучи. Из подобных ледяных игл состоят и облака верхнего яруса.
Особый характер имеет ледяной дождь – осадки, состоящие из прозрачных ледяных шариков (замерзших в воздухе капель дождя) диаметром 1–3 мм. Их выпадение ясно говорит о наличии инверсии температуры. Где-то в атмосфере есть слой воздуха с положительной температурой, в котором выпадающие сверху кристаллы растаяли и превратились в капли, а под ним – слой с отрицательной температурой, где капли замерзли.
Летом в достаточно жаркую погоду из кучево-дождевых облаков иногда выпадает град – осадки в виде кусочков льда шарообразной или неправильной формы (градин) диаметром от нескольких миллиметров и более. Масса градин в отдельных случаях превышает 300 г. Градины состоят из белого матового ядра и далее из последовательных прозрачных и мутных слоев льда. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах и, как правило, вместе с ливневым дождем.
Вид и размеры градин говорят о том, что они в течение своей «жизни» многократно увлекаются то вверх, то вниз сильными токами конвекции. В результате столкновения с переохлажденными каплями градины наращивают свои размеры. В нисходящих токах градины опускаются в слои с положительными температурами, где обтаивают сверху, затем в восходящих потоках они снова поднимаются вверх и замерзают с поверхности и т.д.
Для образования градин необходима большая водность облаков, поэтому град выпадает только в теплое время года при высоких температурах у земной поверхности. Наиболее часто град выпадает в умеренных широтах, а с наибольшей интенсивностью – в тропиках. В полярных широтах град не наблюдается. Отмечены случаи, когда град долго лежал на земле слоем в несколько десятков сантиметров. Град часто вредит посевам и уничтожает их (градобитие).
В отдельных случаях от него могут пострадать животные и даже люди.
Осадки выпадают в том случае, если хотя бы часть элементов, составляющих облако (капель или кристаллов), по каким-то причинам укрупняется. Когда облачные элементы становятся настолько тяжелыми, что сопротивление и восходящие движения воздуха больше не могут удерживать их во взвешенном состоянии, они выпадают из облака в виде осадков.
Укрупнение капель до нужных размеров не может происходить путем конденсации.
При конденсации образуются только очень мелкие капли. Для возникновения более крупных капель процесс конденсации должен был бы продолжаться чрезмерно долго. Более крупные капли, выпадающие из облаков в виде дождя или мороси, могут возникнуть другими путями.
Капли могут укрупняться в результате взаимного их слияния, Если капли заряжены разно-именными электрическими зарядами, то это благоприятствует слиянию. Большое значение имеет также различие размеров капелек. При разных размерах они падают с разной скоростью и поэтому легче сталкиваются между собой. Столкновениям капель способствует также турбулентность.
В результате такого укрупнения капель из слоистых облаков иногда выпадает морось, а из мощных кучевых облаков – мелкий и малоинтенсивный дождь, особенно в тропиках, где содержание жидкой воды в облаках велико.
Однако обильные осадки не могут возникнуть лишь при укрупнении капель путем их слияния. Для выпадения обильных осадков необходимо, чтобы облака были смешанными, т.е. чтобы в них находились переохлажденные капли и кристаллы. Именно такими являются высокослоистые, слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака. Для соседствующих переохлажденных капель и кристаллов в смешанных облаках условия влажности разные: для капель имеет место насыщение, а для кристаллов – пересыщение. В этом случае кристаллы будут быстро расти путем сублимации, количество водяного пара в воздухе облака уменьшится, и для капель водяной пар в облаке станет ненасыщенным. Поэтому одновременно с ростом кристаллов будет происходить испарение капель, т.е. перегонка водяного пара с капель на кристаллы.
Укрупнившиеся кристаллы начинают выпадать из верхней части облака, где они преимущест-венно находятся. По пути они продолжают укрупняться путем сублимации. Кроме того, они могут сталкиваться с переохлажденными каплями и примораживать их к себе и еще более увеличиваться в размерах. Капли, замерзшие при соприкосновении с кристаллами, и обломки кристаллов во много раз увеличивают число частиц, на которых происходит кристаллизация.
Таким образом, в нижней части облака или облачного слоя появляются крупные кристаллы. Если в нижней части облака температура выше нуля, кристаллы тают и превращаются в капли, которые выпадают из облака в виде дождя. Образующиеся капли имеют разную скорость падения и при столкновениях могут коагулировать (сливаться) между собой. Если положительная температура наблюдается в подоблачном слое, кристаллы тают уже под основанием облака. Растаявшие кристаллы также выпадают в виде капель дождя. Наконец, если температура под облаками отрицательная до самой земной поверхности, осадки выпадают в виде снега или крупы. Более сложные условия имеют место, если осадки выпадают в виде града или ледяного дождя, но существо явления такое же.
Годовой ход осадков
Годовой ход осадков зависит как от общей циркуляции атмосферы, так и от местных физико-географических условий. С.П. Хромов и М.А. Петросянц (2004) выделяют несколько основных типов годового хода осадков:
Экваториальный тип. Вблизи экватора (примерно до 10° широты в каждом полушарии) в году имеются два дождливых сезона, разделенных сравнительно сухими сезонами. Дождливые сезоны приходятся на время после равноденствий, когда внутритропическая зона конвергенции близка к экватору и конвекция получает наибольшее развитие. Главный минимум приходится на лето Северного полушария, когда внутритропическая зона конвергенции наиболее удалена от экватора.
Тропический тип. По мере приближения к внешним границам тропического пояса два максимума в годовом ходе температуры сливаются в один – летний. Вместе с этим и два дождливых периода объединяются в один летний дождливый период при наивысшем стоянии Солнца. Вблизи тропика примерно четыре месяца в году характеризуются обильными дождями, а восемь месяцев – сухие.
Тип тропических муссонов. В тех районах тропиков, где хорошо выражена муссонная циркуляция (например, в Индии, юго-восточном Китае, районе Гвинейского залива, Северной Австралии), годовой ход осадков такой же, как в типе 2, с максимумом летом и минимумом зимой, но с большей амплитудой.
Средиземноморский тип. В субтропических широтах на островах и в западных частях материков также наблюдается различие (иногда очень резкое) между влажным и сухим сезонами, Максимум осадков приходится, однако, не на лето, а на зиму или осень. Сухое лето связано с влиянием субтропических антициклонов, создающих малооблачную погоду. Зимой антициклоны смещаются в более низкие широты и циклоническая деятельность умеренных широт захватывает субтропики. Влажный и сухой сезоны длятся примерно по полгода. Особенно резко этот тип годового хода осадков выражен в средиземноморских странах, а также в Калифорнии, на юге Африки, на юге Австралии, где имеются сходные условия атмосферной циркуляции. К этому типу относятся и осадки Южного берега Крыма, наиболее северной окраины средиземноморского климата. Годовой ход осадков в пустынях Средней Азии можно отнести к этому же типу.
Внутриматериковый тип умеренных широт. Внутри материков в умеренных широтах максимум осадков приходится на лето, минимум – на зиму при преобладании антициклонов. В Азии этот годовой ход выражен особенно резко, так как зимой здесь господствуют очень мощные антици-клоны с сухой погодой. Такой тип годового хода осадков существует также в Европе и Северной Америке.
Морской тип умеренных широт. В умеренных широтах западных частях материков циклоны чаще бывают зимой, чем летом. Поэтому там преобладают зимние осадки или распределение осадков в течение года достаточно равномерное. Так, в прибрежных районах Западной Европы максимум осадков приходится на осень и зиму, минимум – на весну и раннее лето. Такой же годовой ход в этих широтах наблюдается и над океанами.
Муссонный тип умеренных широт. В муссонных районах умеренных широт, преимущественно на востоке материка Азии, максимум осадков приходится на лето, как и внутри материка, а минимум – на зиму. Но годовой ход в муссонных районах еще более резкий: амплитуда больше, чем во внутри материковых районах, особенно за счет обильных летних осадков.
Полярный тип. Годовой ход осадков полярного типа над материками характеризуется летним максимумом, так как летом влажность воздуха, выше, чем зимой, а интенсивность циклонической деятельности не очень сильно меняется в течение года.
Однако в прибрежных районах Арктики и Антарктики максимум может приходиться на зиму вследствие более сильной циклонической деятельности.
