С давних времен облака привлекали к себе внимание людей. Еще первые исследователи окружающей природной среды пришли к пониманию, что разнообразие облачных форм связано с характером погоды, то есть с постоянно изменяющимся состоянием атмосферы.
Облака образуются в результате перехода воды из газообразного состояний (водяной пар) в жидкое (капли воды) и твердое (кристаллы льда). Изменение свойств этой совокупности частиц (пар, капли, кристаллы) происходит под влиянием температуры, влажности и вертикальных движений воздуха как внутри, так и вне облака. В свою очередь, выделение и поглощение тепла в результате фазовых переходов воды и наличия самих частиц в потоке воздуха также оказывают влияние на параметры облачной среды.
Отдельные облака существуют достаточно короткое время. Например, время существования кучевого облака может составлять всего 10-15 минут. Это происходит потому, что капли, из которых состоит облако, быстро испаряются. Даже если мы наблюдаем облако очень долго, это не означает, что оно состоят из одних и тех же частиц. В действительности облако постоянно находится в процессе образования и распада. Немецкий климатолог Дове в 1817 году первый дал определение, что «облако – не предмет, а процесс».
По определению, облако – это видимая совокупность взвешенных в атмосфере и находящихся в процессе непрерывной эволюции капель воды и (или) ледяных кристаллов.
Облака и выпадающие из них осадки принадлежат к числу важнейших метеорологических (атмосферных) явлений и играют важнейшую роль в формировании различных типов погоды и климата. Поэтому перед метеорологической наукой еще на первых этапах ее становления возникла задача классификации облаков. Решение этой задачи представляет специалистам возможность отслеживать пространственно-временную изменчивость облачных образований, что является мощным инструментом исследования и прогнозирования процессов, протекающих в атмосфере.
По фазовому строению облака делятся на три группы:
- Водяные, состоящие только из капель воды радиусом 1-5 мкм и более. При этом капли могут существовать не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае капли будут находиться в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно.
- Смешанные, состоящие из смеси переохлажденных капель воды и ледяных кристаллов.
- Ледяные, состоящие только из ледяных кристаллов.
При этом ледяные кристаллы могут иметь самые разнообразные формы от игл до сложных пластин и снежинок.
В соответствии с генетической классификацией, основанной на выявлении причин (условий) возникновения облаков, облака в зависимости от вида вертикальных движений, приводящих к их возникновению, делятся на три группы: слоистообразные, волнистообразные и кучевообразные (конвективные).
По условиям образования различают облака фронтальные и внутримассовые. Происхождение фронтальных облаков объясняется процессами, происходящими на границах раздела между различными воздушными массами, а внутримассовых облаков – процессами внутри однородных воздушных масс: термической и динамической конвекцией, турбулентным перемешиванием и волновыми движениями (или адвекцией облачных систем).
Процессы образования отдельного облака и систем облаков протекают под воздействием многих факторов, каждый из которых накладывает свой специфический, отпечаток на «внешний вид» возникающих облачных образований.
Первая вошедшая в науку морфологическая (то есть основанная на внешнем виде) классификация облаков была разработана английским метеорологом-любителем Люком Ховардом (Говардом) в 1803 году. Данной классификацией с некоторыми изменениями метеорологи всего мира пользуются до сих пор, вот уже более 200 лет.
Регулярные и достоверные наблюдения за формами облаков и их изменениями способствуют своевременному обнаружению опасных и неблагоприятных гидрометеорологических явления, сопутствующих тому или иному виду облаков.
На метеорологических станциях, как правило, наблюдают за следующими характеристиками облачности:
— общее количество облаков (в баллах),
— количество облаков нижнего яруса (в баллах),
— форма облаков,
— высота нижней границы облаков нижнего или среднего яруса (при отсутствии облаков нижнего яруса).
С помощью визуальных наблюдений можно не только определять количество и форму облаков, но и делать некоторые заключения об их микроструктуре (например, о наличии в них ледяных частиц).
Многолетние наблюдения за облаками показали, что они могут располагаться на различных высотах, как в тропосфере, так и в стратосфере и даже в мезосфере.
Тропосферные облака в соответствие с действующей международной морфологической классификацией делятся на 10 основных форм.
В зависимости от высоты расположения основания облаков их относят к одному из ярусов. В особую группу выделяют облака вертикального развития, нижняя граница которых в большинстве случае находится в нижнем ярусе, а верхняя – в нижнем, среднем или верхнем ярусе.
Облака верхнего яруса
- Перистые (Cirrus)
- Перисто-кучевые (Cirrocumulus)
- Перисто-слоистые (Cirrostratus)
Облака среднего яруса
- Высококучевые (Altocumulus)
- Высокослоистые (Altostratus)
Облака нижнего яруса
- Слоисто-кучевые (Stratocumulus)
- Слоистые (Stratus)
- Слоисто-дождевые (Nimbostratus)
Облака вертикального развития
- Кучевые (Cumulus)
- Кучево-дождевые (Cumulonimbus)
Как правило, из облаков определенных форм выпадают следующие виды осадков:
- ливневые – из кучево-дождевых облаков;
- обложные – из слоисто-дождевых во все сезоны, из высокослоистых – зимой и иногда слабые – из слоисто-кучевых;
- моросящие – из слоистых облаков.
В процессе развития и распада óблака меняется его внешний вид, структура и оно может трансформироваться из одной формы в другую.
Облака верхнего яруса
Облака верхнего яруса характеризуются наиболее низкими температурами и состоят из кристаллов льда в форме игл, шестигранных столбиков или пластинок. Поэтому облака имеют ярко-белый цвет без темных и серых оттенков.
Перистые облака – наиболее высокие облака верхнего яруса, обычно наблюдаются в небольших количествах, но иногда могут занимать и значительную часть неба.
Высота нижней границы облаков в умеренных широтах составляет 7-10 км. Они состоят главным образом из ледяных кристаллов в виде столбиков высотой до 0,1 мм.
Толщина слоя облаков колеблется в широких пределах – от сотен метров до нескольких километров.
В перистых облаках выделяют два вида: перистые волокнистые и перистые плотные, каждый из которых имеет в свою очередь несколько разновидностей
Перисто-кучевые облака. Высота нижней границы этих облаков в умеренных широтах колеблется в пределах от 6 до 8 км, толщина слоя не превышает 200-400 м.
Перисто-кучевые облака состоят из мелких кристаллов, имеющих форму столбиков или пустотельных призм.
В перисто-кучевых облаках также выделяют два вида: перисто-кучевые волнистообразные и перисто-кучевые кучевообразные.
Перисто-слоистые облака. Высота их нижней границы в умеренных широтах также 6-8 км, толщина слоя колеблется от 100 м до нескольких километров.
Перисто-слоистые облака состоят из ледяных кристаллов в форме игл или шестигранных столбиков.
Здесь также выделяются два вида: перисто-слоистые волокнистые и перисто-слоистые туманнообразные.
В облаках верхнего яруса может образовываться такое красивое атмосферное явление как гало.
Осадки из облаков верхнего яруса не выпадают.
Облака среднего яруса
Облака среднего яруса состоят из переохлажденных капель воды или переохлажденных капель в смеси с ледяными кристаллами и снежинками. При этом кристаллы в облаках среднего яруса значительно более развиты, чем в облаках верхнего яруса: в облаках среднего яруса содержатся в основном развитые снежинки полной шестилучевой формы. Ледяные иглы, пластинки и столбики содержатся на краях облачных элементов, что вызывает особый вид свечения – появление радужной окраски на краях капельных облаков.
При наличии в облачных элементах снежинок и капель переохлажденной воды происходит быстрый рост снежинок и выпадение их в виде осадков.
Наличие переохлажденных капель воды в облачных элементах придает им серый цвет.
Сквозь облака среднего яруса солнце просвечивает слабо или вообще не просвечивает.
Высококучевые облака. Высота их нижней границы может меняться в пределах от 2 до 6 км, а толщина слоя не превышает 200-700 м.
Облака состоят преимущественной из переохлажденных капель воды радиусом 3-6 мкм, а также из ледяных кристаллов. Иногда размер капель может доходить до 10-25 мкм.
Высококучевые облака не образуют однородного серого покрова и не имеют волокнистого строения.
В высококучевых облаках выделяют два вида: волнистообразные и кучевообразные.
Высокослоистые облака. Высота нижней границы таких облаков также находится в пределах от 2 до 6 км, но толщина слоя составляет 1-2 км, иногда и более.
Тонкие высокослоистые облака и верхние части более плотных высокослоистых облаков состоят преимущественно из ледяных кристаллов (пластинок), низкие высокослоистые облака – из ледяных кристаллов (столбиков) в смеси с переохлажденными каплями воды. Нижние части этих облаков состоят из более крупных снежинок или мелких капель дождя.
Различают два вида высокослоистых облаков: туманообразные и волнистообразные.
Из облаков среднего яруса выпадают моросящий дождь или снег. При этом осадки из высокослоистых облаков не всегда могут достигать поверхности земли, особенно летом.
Облака нижнего яруса
К облакам нижнего яруса относятся все формы и виды облаков, которые образуются, развиваются и существуют в нижнем слое атмосферы (от 30 м до 2 км).
Слоисто-кучевые облака. Высота их нижней границы отмечается чаще всего в пределах от 500 м до 1,5 км, толщина слоя от 200 до 800 м.
Состоят слоисто-кучевые облака в основном из мелких капель воды (радиусом преимущественно 5-7 мкм), зимой переохлажденных. В отдельных случаях среди капель присутствует некоторое количество ледяных кристаллов (пластинок) и снежинок.
В слоисто-кучевых облаках выделяют два вида: волнистообразные и кучевообразные.
Из слоисто-кучевых облаков иногда выпадают слабые осадки.
Слоистые облака – это наиболее низкие облака, высота их нижней границы обычно колеблется в пределах от 30 до 400 м, толщина слоя 100-600 м.
Слоистые облака состоят из мельчайших капель воды радиусом 2-5 мкм, размер капель может колебаться от 1 до 20 мкм.
Осадки из слоистых облаков бывают только моросящие. Слоистые облака никогда не дают обложных осадков.
В слоистых облаках выделяют три вида: туманообразные, волнистообразные и разорвано-слоистые.
Слоисто-дождевые облака. Высота их нижней границы отмечается в пределах от 500 м до 1,9 км. Толщина слоя облаков обычно достигает 2-3 км, а иногда 5 км и более. Однако нередки случаи, года толщина слоя не превышает 1-2 км.
Слоисто-дождевые облака состоят из переохлажденных капель и ледяных кристаллов. В верхней части óблака кристаллы имеют преимущественно форму столбиков. В нижней – форму пластинок. В нижней части óблака преобладают мелкие капли воды с примесью снежинок или сравнительно крупных капель. Большинство капель воды имеют радиус 8-12 мкм.
Слоисто-дождевые облака более темные по цвету, непрозрачные, основания облаков размытое.
Осадки, выпадающие из слоисто-дождевых облаков, носят обложной характер.
Облака вертикального развития
К облакам вертикального развития относятся две основные формы: кучевые и кучево-дождевые.
Кучевые облака. Высота нижней границы кучевых облаков в значительной мере зависит от влажности воздуха. В умеренных широтах это обычно от 600 м до 1,2 км. Вертикальная протяженность от сотни метров до нескольких километров.
Кучевые облака состоят из капель воды, более крупных в верхней части облака (преобладающий радиус капель около 20 мкм) и более мелких у его основания (преобладаю капли радиусом около 10 мкм). При отрицательных температурах капли находятся в переохлажденном состоянии.
Кучевые облака не образуют непрерывного слоя, всегда разделяются на отдельные облака. Центральные части облаков могут быть темными, а освещенные края – ярко-белыми, в виде светлой или блестящей каймы в зависимости от расположения облаков относительно солнца.
Из многообразия кучевых облаков выделяют три вида: кучевые плоские, кучевые средние и мощные кучевые.
Осадков из кучевых облаков не выпадает.
Кучево-дождевые облака. Высота их нижней границы также находится в пределах от 600 м до 1,2 км. Вертикальная граница достигает 4-5 км, в отдельных случаях – высоты тропопаузы (8-9 км и более).
Облака состоят из капель разного размера радиусом от нескольких мкм до 1 см, а также ледяных кристаллов, снежных зерен и града (до нескольких см).
Кучево-дождевые облака образуются в результате дальнейшего развития кучевых облаков.
Вершина кучево-дождевых облаков, как правило, приобретает отчетливое волокнистое строение («обледеневает»). Облака имеют свинцово-темную окраску и дают ливневые осадки. Если осадки не достигают поверхности земли, то они (в удаленных облаках) заметны в виде полос падения.
В кучево-дождевых облаках выделяют два вида: кучево-дождевые лысые и кучево-дождевые волосатые.
По облакам во многих случаях можно судить не только об общем состоянии погоды в данный момент, но и о возможных ее изменениях в ближайшем будущем.
Например, перистые когтевидные облака с прямолинейными нитями, чаще всего служат признаком приближения теплого фронта и быстрого ухудшение погоды, дальнейшего натекания облачности и приближения осадков. Быстрое движение облаков указывает на большую скорость перемещения фронта.
Важным признаком будущих изменений погоды являются высокослоистые облака, которые обычно связаны с фронтами.
Малоподвижные высококучевые башенковидные облака обычно являются предвестниками линии шквала и наблюдаются в утренние часы. «Башенки» (наковальни) на кучевых облаках говорят о то, что будет гроза.
Сплошной равномерный и низкий покров слоистых облаков при слабом ветре всегда является признаком установившейся на длительное время тихой, сравнительно теплой, влажной и пасмурной погоды.
Полное отсутствие кучевых облаков является признаком или очень слабого развития конвекции, или большой сухости воздуха.
Кучевые плоские облака, если принимают резкие очертания, являются признаком хорошей погоды. Наблюдаются преимущественно в теплое время года. Обычно возникают утром, достигают наибольшего развития в околополуденные часы и к вечеру растекаются, переходя в слоисто-кучевые вечерние облака. Наличие плоских кучевых облаков говорит об установившейся хорошей погоде и облака называются «облаками хорошей погоды».