Сколько весит облако?

Ошибочное предположение, что облака состоят из водяного пара. Водяной пар всегда находится вокруг нас, тем не менее мы его не видим. В газообразном состоянии вода всегда присутствует в воздухе вокруг нас, но далеко не всегда этот газ переходит в капельки. Когда капельки скапливаются, мы можем их увидеть. Непосредственно у поверхности земли мы видим туман или дымку, на поверхности — росу или иней. А вот если это происходит где-то в атмосфере, на высоте, то мы видим облако.

Процесс образования облака можно свести к четырем основным моментам. Сначала происходит испарение влаги с поверхности земли, растений или водоемов. Влага поступает в воздух в виде водяного пара. Дальше этот воздух поднимается вверх. Поднимаясь, он расширяется и при этом охлаждается. Когда достигается определенная температура, начинается обратный процесс конденсации. Образуются капельки воды, и формируется облако. Температура, при которой происходит конденсация, зависит от двух причин: сколько влаги изначально содержится в воздухе и какова начальная температура воздуха, до того как он начал подниматься.

Испарение и конденсация везде одинаковы. Это физические процессы, изменение фазового состояния. А вот подъем воздуха в атмосфере может происходить совершенно по-разному, поэтому образуются облака разных видов и размеров.

Подъем может быть очень быстрый. Поверхность Земли неоднородная, какие-то участки нагреты больше, какие-то — меньше. Над более нагретыми участками воздух больше прогревается и быстро поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Такой процесс называется конвекцией. При ней возникают кучевые облака. Если попросить ребенка нарисовать облако, он, скорее всего, нарисует именно такое облако: белую башню на фоне синего неба. Но конвекция — это далеко не единственный процесс, приводящий к образованию облака.

Если осенью или зимой посмотреть на небо, оно будет затянуто сплошным слоем темно-серых облаков. Дети, наверное, даже не воспринимают, что это облако, они просто покрасят небо в серый цвет и нарисуют, что идет дождик. Но на самом деле это слоистообразные облака. Они представляют собой очень протяженный, мощный слой. Возникают такие облака, когда теплый воздух поднимается по клину холодного там, где граничат теплые и холодные воздушные слои. Эта зона раздела называется атмосферным фронтом и простирается на тысячи километров. Тогда подъем воздуха возникает не в небольшом районе площадью от одного до десяти квадратных километров, а на площади в тысячи километров. Другое отличие в том, что этот подъем происходит очень-очень медленно, поэтому получается не отдельная башенка, а слой облаков.

Третий из наиболее известных типов облаков — волнообразные облака, которые наблюдаются при волновых движениях в атмосфере. Волны хорошо видны на поверхности воды из-за большого скачка плотности: плотность воды и плотность воздуха сильно различаются. Конечно, в атмосфере нет таких сильных различий плотности воздуха, тем не менее теплый и холодный воздух имеют разную плотность, и на границе раздела возникают волновые движения. Воздух движется не прямо, а вверх и вниз, как волна в море или океане. При подъеме вверх возникают облака, а при опускании вниз они исчезают. Получаются небольшие волнообразные облачка. В зависимости от того, на какой высоте они образуются, они могут быть крупнее или меньше и содержать в себе больше или меньше влаги.

Помимо того что облака различаются по механизму образования, они еще состоят из разных частиц. Есть облака, которые состоят из капель воды, называются они водяными облаками. А есть облака, которые состоят из кристалликов льда, называются они ледяные или кристаллические. Бывают еще смешанные облака, которые содержат и капли, и кристаллы. Именно из них идут снег и дождь. Водность облака, то есть сколько капельно-жидкой влаги содержит один кубический метр облака, сильно различается. В водяных облаках в одном кубическом метре содержится от 0,3 до 4 грамм воды. А в ледяных облаках практически на порядок меньше: от 0,1 до 0,5. Ледяные облака возникают при более низких температурах: чем холоднее воздух, тем меньше он может содержать водяного пара, тем меньше его влагосодержание, поэтому и водность ледяных облаков будет намного меньше.

Если мы хотим оценить вес облака, в первую очередь надо понять, какое облако нас интересует. Возьмем самые маленькие перисто-кучевые облака, которые мы можем наблюдать высоко в небе в виде маленьких барашков. Длина и ширина одного такого облачка составляет от 100 до 200 метров, а высота — от 20 до 50 метров. Поскольку эти облака расположены очень высоко, то они состоят из ледяных кристаллов. Их водность, то есть количество влаги в одном кубическом метре, меняется от 0,1 до 0,5 граммов. Если это все перемножить, то у нас получится не очень большое значение — десятки килограммов. Таким образом, маленькое кучевое облачко может весить от 20 до 100 килограммов, в зависимости от влаги, которая в нем содержится, и от его размера.

Самое маленькое кучево-дождевое облако имеет площадь порядка 2 км². У более мощных облаков — от 10 до 20 км². Если они образуют скопления, ячейки, то это могут быть и сотни километров. Но мы возьмем самое маленькое — 2×2 километра. Поскольку подъем происходит очень быстро и распространяется на большую высоту, то высота такого облака составляет порядка 10 километров. Состоит оно уже не из ледяных кристаллов, а из водяных капель. Если водность облака 4 грамма на кубический метр, то вес его будет от 40 тысяч до 80 тысяч тонн. Такие большие различия в весе могут наблюдаться в зависимости от вида и размера облака.

Сложно оценить вес облачных массивов, которые возникают на атмосферных фронтах, потому что мы сейчас говорили про километры или даже про метры, а размер облачного массива, из которого идет длительный обложной дождь, — тысячи километров по горизонтали и порядка 10 километров в высоту. Это даже не поднимается язык назвать облаком, потому что это огромная облачная масса. Вес такой облачной массы будет уже не тысячи, а миллиарды тонн.