Конденсация и образование облаков

При подъёме на 1 км воздух остывает на 9.8 °C до насыщения, поэтому у облаков плоские основания.

Холодный стакан в жаркий день

Достань банку холодного напитка из холодильника во влажный день, и через минуту она снаружи намокнет. Вода не просочилась сквозь банку. Она пришла из воздуха. Воздух у холодного металла остывает, а холодный воздух не может содержать столько пара, сколько тёплый, поэтому лишний пар конденсируется в жидкость. Это конденсация, обратный испарению процесс; именно так образуются облака.

NOAA описывает это двумя температурами: температурой воздуха и точкой росы. Точка росы — температура, при которой воздух насыщается. Охлади воздух ниже точки росы, и пар начнёт конденсироваться. Когда у земли температура воздуха равна точке росы, часто возникает туман.

Поднимающийся воздух охлаждает себя

Самый распространённый способ охладить воздух до точки росы — поднять его. Давление с высотой падает, поэтому поднимающийся объём воздуха расширяется. На расширение уходит энергия самого объёма, и он остывает, хотя тепло его не покидало. Метеорологи называют это адиабатическим охлаждением. Для сухого воздуха скорость составляет 9.8 °C на каждый километр подъёма, сухоадиабатический градиент температуры.

Например, у поверхности температура воздуха равна 30 °C, а точка росы составляет 18 °C. При подъёме температура снижается примерно на 9.8 °C на км, а точка росы примерно на 1.8 °C на км. Разница в 12 °C сокращается на 8 °C на км, поэтому уровень конденсации при подъёме находится примерно на 12 ÷ 8 = 1.5 км выше исходной высоты. Здесь появляются первые капли. Поскольку у всего воздуха в этой местности примерно одинаковые температура и влажность, насыщение достигается примерно на одной высоте. Эта общая высота и есть плоское основание ряда кучевых облаков летним днём.

В центре каждой капли есть крупинка

Облачные капли обычно образуются, когда водяной пар конденсируется на аэрозольных частицах, называемых ядрами конденсации. Их источниками могут быть морская соль, пыль, дым и вулканический пепел. Активация зависит от размера и состава частицы и от степени пересыщения воздуха, а не от универсального минимального радиуса. Растущая капля становится намного крупнее ядра и по-прежнему почти целиком состоит из чистой воды.

Конденсация также возвращает энергию, затраченную на испарение. При переходе пара в жидкость тепло выделяется в окружающий воздух. Это тепло делает облачный воздух более плавучим: он поднимается выше, в нём конденсируется больше пара и выделяется ещё больше тепла. NOAA отмечает, что это выделение помогает формировать ураганы. Облако никогда не бывает законченным: по краям капли продолжают испаряться, внутри появляются новые, поэтому облака меняют форму прямо на глазах.