Наблюдения, произведенные на 6-километровой высоте над Москвой, показали, что переохлаждение бывает часто и при температурах ниже —25° — его вызывают чисто кристаллические облака. Исследованиями облаков с самолетов удалось установить, что водяные капли в них различны по размерам. Замечены так называемые крупные, переходные к каплям осадки, имеющие уже определенную скорость падения. Водяные облака в 1 см3 содержат до 100–800 капель, а в слоистых облаках их может быть больше 400 и только в крупнокапельных вершинах кучевых облаков всего 40–50 капель в 1 см3.
Для изучения процесса образования осадков важно знать содержание воды и льда в облаке — его водозапас. Такие исследования ведутся различными способами. В частности, данные искусственных спутников Земли показали, что водозапас в тропических облаках очень велик. С этой целью на спутниках устанавливаются телевизионные камеры, которые используют видимые инфракрасные лучи. Спутники дают возможность наблюдать облачность в масштабе Земного шара, о чем более подробно будет рассказано ниже.
По своему химическому составу водяные капли облаков различны, над промышленными районами резко увеличивается количество примесей. Чем крупнее капли, тем заметнее убывание примесей, пар как бы распресняет их. В то же время крупные капли, падая, захватывают из атмосферы ядра конденсации.
Облака из мелких кристаллов появляются при низких температурах, из них позднее образуются крупные снежинки. Такие облака находятся не на очень большой высоте; в Восточной Сибири и на Аляске их можно обнаружить у самой поверхности Земли при температуре ниже —40°. Малые облачные кристаллы имеют форму столбиков длиной 0,1–0,3 мм и мелких шестиугольных пластинок до 0,4 мм, в которых бывает заметна внутренняя лучевая структура.
В течение почти двух веков исследователи стремятся ввести единую систему классификации облаков. Первая из них (международная) классификация была предложена в Англии Говардом. Благодаря систематическим наблюдениям она непрерывно дополнялась и уточнялась и в 1929–1932 гг. на заседании специальной международной комиссии, в которой участвовали и советские метеорологи, была капитально переработана. Основой новой классификации послужил внешний вид облаков. По высоте облака делятся на четыре семейства (яруса): верхнего, среднего, нижнего и вертикального развития. Первые находятся на высоте более 6 км, средние — 2–6, нижние — до 2 км. В отличие от этих «закрепленных» границ, основания облаков вертикального развития лежат на высоте нижнего яруса, а вершины — на высоте среднего и верхнего.
К облакам семейства верхнего яруса относятся перистые (в их числе нитевидные, когтевидные, хребтовидные) и плотные перистые (грозовидные, хлопьевидные и перепутанные). Сами названия дают ясное представление о внешнем виде облаков. Например, перистые хребтовидные сходятся вдоль утолщенной их части и похожи на горный хребет или скелет рыбы. К облакам верхнего яруса относятся также чисто-белые тонкие перисто-кучевые — они мелковолнисты, напоминают хлопья и рябь. Эти облака в свою очередь подразделяются на перистокучевые, волнистые и кучевые. Последней группой семейства являются перисто-слоистые облака, имеющие вид тонкой пелены белого или голубоватого, цвета, сквозь которую видны Солнце и Луна. Пелена однородна, она постепенно затягивает все небо и почти не ослабляет тени от наземных предметов.
Облака среднего яруса — высококучевые (гряды или отдельные «глыбы») и высокослоистые (тонкая сероватая или синеватая плотная вуаль, сквозь которую тускло просвечивает Солнце).
Облака нижнего яруса состоят из трех разновидностей: слоисто-кучевых (гряды и валы, серые, плотные, иногда очень темные), слоистых (однородные, низкие, серые) и слоисто-дождевых (в виде бесформенной темно-серой массы).
В группу облаков вертикального развития (ливневых или грозовых) входят плотные быстрорастущие кучевые облака и кучево-дождевые. Из них часто выпадает дождь, снег и град. Они мощные, высокие, с верхней частью, напоминающей наковальню.
Лишь один этот краткий перечень даст представление о том, сколь разнообразны по своей структуре, высоте и внешнему виду облака.
Вряд ли существуют два одинаковых облака, к тому же они постоянно меняются, растут и разрушаются, переходят из одних форм в другие, стоят неподвижно и плывут в небе. Имеют свои особенности облака в некоторых районах, например горных.
Отдельно нужно сказать о перламутровых и серебристых облаках. Первые очень тонкие, просвечивают, образуются в стратосфере на высоте, от 17 до 32 км. В сумерки вблизи Солнца они ярко окрашены в радужный цвет: красный, золотистый, зеленый, лиловато-розовый. Днем полосы и пятна перламутровых облаков бледнеют. Эти облака чаще всего наблюдаются зимой в горных странах, при очень низких температурах стратосферы (ниже —80°). Случалось видеть эти облака и над океаном.
Серебристые облака светятся ночью. В иные годы их много (например, в 1932–1934 гг.), а иногда нет совсем. Они образуются на высотах в среднем 82 км (в пределах 67–97 км). Днем их не видно, так как они слишком тонки. Цвет облаков соответствует названию — они серебристы, с голубоватым оттенком и светятся рассеянным светом Солнца. Серебристые облака приурочены к определенным широтным поясам — между 46°—71° с. ш. и 40°—60° ю. ш. и очень редко бывают вне этих границ. Максимум их приходится на лето.
Количество облаков выражают в баллах: ясному небу соответствует 0, а пасмурному, полностью покрытому облаками — 10 баллов. В умеренном и полярном климате чаще всего бывают именно эти две крайние градации: 0 и 10. В зимнее время в Москве 10-балльная облачность бывает в среднем в 62 % случаев, нулевая — в 25 %, а все промежуточные градации гораздо реже.
В тропической зоне преобладают средние значения облачности. Самые облачные места на нашей планете — это северные части Атлантического и Тихого океанов, а также южные (40°—50°) широты южного полушария. Значительная облачность в Белом море, в ноябре-декабре — более 9 баллов. Над областями пустынь летом облачность очень мала — меньше 1 балла.
Для деятельности авиации большое значение имеет высота нижней границы облаков. Так, при высоте до 600 м затрудняется взлет, пилотирование и, в особенности, посадка как самолетов, так и вертолетов. Дополнительную опасность представляет ухудшение видимости над облаками. В нашей стране разрабатываются и применяются на практике методы рассеивания низких слоистых и слоистокучевых облаков, когда затруднены взлет и посадка самолетов. Эксперименты показали, что при рассеянии облаков в несколько тысяч квадратных километров температура воздуха повышается на 7–8°. В принципе решена проблема рассеяния облаков на площади до 10 тыс. км2 и сохранения безоблачного неба на длительное время.
Дождь и снег
Большие капли или кристаллы, имеющие заметную скорость падения и поэтому в значительном количестве выпадающие из облаков, в метеорологии называют осадками. Большие капли формируются при слиянии более мелких и при конденсации водяного пара. Они образуются также во время таяния крупных снежинок. На землю падают твердые, жидкие и смешанные осадки. К первым относятся снег (ледяные кристаллы в виде хлопьев и звездочек), снежная крупа (крупники диаметром 2–5 мм), ледяная крупа (прозрачные крупинки с непрозрачным ядром диаметром до 3 мм), ледяной дождь (прозрачные шарики диаметром 1–3 мм) и град, представляющий собой кусочки льда. Градины имеют различные размеры, обычно около 5 мм, редко их диаметр достигает нескольких сантиметров. Последние случаи всегда фиксируются и о них сообщается: в таком-то пункте выпал град величиной с голубиное или даже куриное яйцо.
Жидкие осадки менее разнообразны — это дождь и морось. Диаметр капелек дождя 0,5–7 мм. Выпадение мороси не так заметно, она как бы взвешена в воздухе, ее капельки значительно меньше и имеют диаметр от 0,05 до 0,5 мм. Смешанные осадки — это мокрый тающий снег или смесь дождя и снега. Они характеризуются интенсивностью (количество осадков, выпадающих в единицу времени).
Метеорологические станции определяют количество лишь жидких осадков. Визуально принято качественное деление на слабые, умеренные и сильные осадки. Различают также обложные, ливневые и моросящие осадки. Это зависит от характера их выпадения, от того, из каких облаков они выпадают, и продолжительности. Обложные осадки могут длиться несколько часов и даже суток. Ливневые — наиболее интенсивны. Продолжительность ливня обратно пропорциональна его интенсивности. Довольно часто наблюдаются дожди интенсивностью 1–2 мм/с. Наиболее интенсивны дожди в тропиках и субтропиках. Так, на Гавайских островах интенсивность ливня однажды составила 21,5 мм/с.
Осадки начинают выпадать лишь тогда, когда их вес настолько велик, что они могут преодолеть сопротивление воздуха. Скорость падения при этом должна превысить скорость восходящих потоков воздуха, чтобы они не испарились по пути от облака до поверхности Земли. Снежинки падают медленнее, чем капельки дождя той же массы.
