Как образуется дождь

Дождь идёт, когда капли вырастают в облаке и долетают до земли.

Выгляните в окно после ливня: на подоконнике и дороге вода, хотя утром небо могло быть ясным. Она не появилась в облаке из ничего. Вода испарялась с моря, почвы и листьев, невидимым паром перемещалась с воздухом, а затем снова стала жидкой. Но между облаком и лужей есть важный шаг: крошечные облачные капли должны вырасти. Разберём эту историю так, чтобы по пути стало понятно, почему облако может пройти над домом и не пролиться.

В статье вы узнаете:

• Пять шагов от воды на земле до дождя
• Где появляется водяной пар
• Почему при подъёме воздуха появляется облако
• Почему из облака не сыплются все капельки сразу
• Как капли становятся дождевыми
• Почему туча бывает тёмной, но не даёт дождя
• Почему бывает морось, а бывает ливень
• Что можно проверить самому, глядя на небо
• Частые вопросы

Пять шагов от воды на земле до дождя

Первый шаг: испарение. Молекулы воды покидают поверхность океана, реки, мокрого асфальта или листа растения. Получается невидимый водяной пар. Вода испаряется не только при кипении: лужа постепенно высохнет и в прохладный день. Солнце обычно даёт энергию этому движению, а ветер уносит влажный воздух от поверхности.

Второй шаг: подъём влажного воздуха. Солнечный прогрев может сделать слой воздуха у земли легче окружающего. Воздух также поднимается, когда ветер упирается в склон или более холодный воздух подталкивает тёплый вверх. Пар сам по себе не «летит к облаку»: его переносит движение воздуха.

Третий шаг: охлаждение и облако. Поднимающийся воздух попадает в область меньшего давления, расширяется и обычно охлаждается. При достаточном охлаждении пар конденсируется на мельчайших частицах пыли, соли и других аэрозолях: появляются жидкие капельки. В холодной части облака капли могут замерзать, а кристаллы льда способны расти также непосредственно из пара. Видимое облако состоит из таких капелек, кристаллов или их смеси.

Четвёртый шаг: рост частиц. Большинство облачных капелек слишком малы, чтобы дать дождь у земли. Одни сталкиваются и сливаются в более крупные. В холодной части других облаков вырастают ледяные кристаллы; падая через тёплый слой, они могут растаять. Это два разных пути к жидкой капле, а не обязательные стадии одного и того же облака.

Пятый шаг: путь до земли. Когда капля становится достаточно крупной, она выпадает из облака. Ей ещё нужно пройти воздух под облаком. Иногда часть воды испаряется по дороге; иногда осадки полностью исчезают до поверхности. Если капли долетели до нас жидкими, мы видим дождь.

Здесь на схеме важно следить именно за превращениями воды: невидимый пар, видимые частицы облака, выросшая дождевая капля. Само облако не похоже на ведро, которое постепенно наполнилось и опрокинулось. В нём одновременно возникают, движутся, растут и испаряются бесчисленные частицы.

Где появляется водяной пар

Главный источник влаги для атмосферы находится на поверхности Земли. Испарение идёт с океанов и морей, озёр, рек и влажной почвы. Растения тоже выпускают водяной пар через листья. Воздушные потоки могут переносить эту влагу на большие расстояния, поэтому дождь над вашим городом не обязательно «собран» из луж рядом с домом. Сами молекулы воды постоянно участвуют в круговороте: после осадков часть воды течёт по земле, часть проникает в почву, часть снова испаряется.

Важно различать пар и белое «облачко» над горячим чайником. Водяной пар как газ прозрачен. Белое облачко видно потому, что часть пара уже охладилась и превратилась в микроскопические жидкие капли. По той же причине мы видим туман и облака, но не видим весь водяной пар в воздухе вокруг нас. NASA объясняет образование облаков через конденсацию на мельчайших частицах воздуха.

Влажный воздух у поверхности не гарантирует дождь. Он может оставаться на месте, перемещаться горизонтально или подняться слишком мало. Для облака нужно сочетание влаги, охлаждения и условий, которые поддерживают образование капель. Для дождя потребуется ещё и их рост.

Почему при подъёме воздуха появляется облако

Подумайте о прогулке в горы. Давление воздуха с высотой уменьшается. Когда порция воздуха поднимается, она расширяется и обычно охлаждается. После охлаждения прежняя порция водяного пара может привести воздух к насыщению. Тогда часть пара начнёт переходить в жидкость на подходящих частицах. Нижняя граница нового кучевого облака часто располагается примерно там, где поднимающийся воздух впервые достигает такого состояния.

Точка росы помогает назвать этот момент числом. Это температура, до которой нужно охладить имеющийся воздух при заданном содержании водяного пара, чтобы он стал насыщенным. Она отличается от относительной влажности: 60% показывают относительную влажность в текущих условиях, а 12 °C обозначают температуру. Процент нельзя подставлять вместо градусов.

Проверим на одном примере. У земли температура 20 °C, относительная влажность 60%. В калькуляторе точки росы эти значения дают примерно 12 °C. Для оценки основания нового кучевого облака берём разницу 20 − 12 = 8 °C. В калькуляторе высоты основания облаков получаем около 1000 м над местом измерения. Это иллюстрирует, где поднимающийся воздух мог бы начать конденсацию. Число не сообщает, поднимается ли воздух сейчас, появится ли облако и выпадет ли из него дождь.

В жизни температура и влажность меняются с высотой, воздух перемешивается с соседними слоями, облако может прийти уже готовым из другого места. Поэтому эта оценка полезна для понимания начала облака, но не заменяет наблюдение неба и прогноз осадков. Если утром разница между температурой и точкой росы меньше, основание такого облака может оказаться ниже; однако это всё равно не ответ на вопрос, будет ли ливень днём.

Почему из облака не сыплются все капельки сразу

Типичная облачная капелька имеет диаметр около 0,02 мм, а дождевая достигает порядка 2 мм. Это примерные величины, а не строгая граница между «облаком» и «дождём». Диаметр отличается примерно в сто раз. Объём шара зависит от куба диаметра: одна капля диаметром 2 мм содержит примерно столько воды, сколько миллион капелек диаметром 0,02 мм. Это расчёт масштаба, а не утверждение, что ровно миллион конкретных капель слились в одну.

Гравитация действует и на микрокапельки. Но их падение сквозь воздух очень медленное, а движение и перемешивание воздуха могут удерживать их рядом с облаком или снова поднимать. Они способны испариться до того, как окажутся далеко внизу. Поэтому видимое облако не означает немедленный дождь. Чтобы у земли появились капли, нужно сначала накопить воду в гораздо более крупных частицах.

Представьте две прозрачные ёмкости с одинаковым количеством воды. В одной вода распределена по огромному числу почти невидимых точек, в другой собрана в несколько крупных капель. Общее количество воды одинаково, но поведение разное. Воздушное сопротивление по отношению к весу каждой крохотной капли заметнее, а крупная капля быстрее движется вниз и по дороге встречает новые капельки. Это сравнение объясняет, почему дождь зависит не только от количества водяного пара, но и от того, как внутри облака растут частицы.

Как капли становятся дождевыми

В тёплом облаке капли могут расти за счёт столкновений и слияния. Сначала они неодинакового размера. Более крупные движутся относительно мелких, встречают их и иногда соединяются. Новая капля собирает следующие. Восходящие и турбулентные потоки дают больше времени и встреч. Не каждая встреча заканчивается слиянием, но цепочка таких столкновений может сделать каплю достаточно большой для выпадения. Простой рост только за счёт конденсации пара часто слишком медленен, чтобы быстро получить дождевую каплю из микрокапли. NOAA подробно разбирает оба пути роста осадков.

В холодной части облака возможен другой путь. Там могут одновременно находиться переохлаждённые жидкие капли и кристаллы льда. На кристаллах оседает водяной пар, а отдельные переохлаждённые капли могут к ним примерзать. Частицы растут и соединяются. Если выпавший кристалл проходит через достаточно тёплый слой воздуха, он тает и долетает до земли дождём. Если нижний слой остаётся холодным, результатом могут быть снежинки или другие твёрдые осадки. Поэтому дождь в тёплый день иногда начинался высоко в облаке как лёд, но не всякий дождь обязательно начинался снегом: тёплые облака тоже дают дождевые капли.

В обоих случаях решает не один «вес облака». Облако не висит на крюке, который обрывается при известном количестве воды. В разных его частях продолжаются подъём воздуха, охлаждение, конденсация, испарение и движение частиц. Дождь начинается, когда выросшие капли или растаявший лёд выпадают из облака и достигают земли. Путь через тёплую и холодную части показан на второй схеме. Для конкретной тучи пропорции и высоты будут другими.

Почему туча бывает тёмной, но не даёт дождя

Тёмный цвет обычно означает, что через облако к наблюдателю проходит меньше солнечного света. Например, оно может быть толстым или плотным, а Солнце находиться за ним. Цвет помогает заметить изменение неба, но не измеряет размер капель и не показывает, сколько осадков долетит до земли. Бывает тёмное облако без дождя у вас над головой и светлый край дождевого облака, из которого осадки идут в стороне.

Иногда частицы в облаке просто не успевают вырасти до размеров осадков. Иногда они растут и выпадают, но слой воздуха снизу оказывается очень сухим. Капли испаряются, а кристаллы льда сублимируют, то есть переходят прямо в пар. Осадки могут исчезнуть до поверхности. Свисающие из облака полосы осадков, которые обрываются в воздухе, метеорологи называют виргой. В такой ситуации наблюдатель видит «дождь из облака», но земля под ним может остаться сухой.

Разберём знакомую сцену. На горизонте висят серые полосы, а во дворе сухо. Сначала проверьте, доходят ли полосы до земли визуально. Если они исчезают выше, возможна вирга; если достигают поверхности вдали, дождь может просто проходить стороной. По одному виду полос нельзя уверенно назвать точную причину: ветер, расстояние и освещение меняют картину. Зато после этого наблюдения уже ясно, что осадки в облаке и дождь у вашего дома могут быть разными событиями.

Почему бывает морось, а бывает ливень

Морось состоит из очень мелких капель, ливень приносит много воды за короткое время. Разницу создают размер и количество выпадающих капель, скорость их образования, движение воздуха и свойства облака. Сильные восходящие потоки могут долго удерживать частицы и давать им возможность расти; обширный влажный слой поддерживает образование новых. Но нельзя по одной капле или одному цвету тучи вычислить интенсивность дождя.

В метеосводке количество осадков обычно записывают в миллиметрах. 1 мм означает слой воды толщиной 1 мм на ровной поверхности без стока и испарения. На 1 м² это 1 литр воды. Например, 10 мм осадков на площадке 10 м² соответствуют 100 литрам выпавшей воды. На практике с крыши соберётся меньше: часть уйдёт мимо водостока, останется на поверхности или потеряется в системе. Если такая задача вам нужна, это уже отдельный расчёт для сбора дождевой воды, а не способ предсказать погоду по облаку.

Не путайте количество за сутки с силой дождя в конкретную минуту. Одинаковые 10 мм могут выпасть за долгую морось или за короткий сильный ливень. Для луж, стока воды и прогулки разница огромна. Поэтому полезно смотреть в прогнозе и на ожидаемую сумму осадков, и на то, когда она выпадет.

Что можно проверить самому, глядя на небо

Возьмите один летний день и наблюдайте облака в безопасном месте, не выходя на открытое пространство во время грозы. Отмечайте не только цвет, но и форму, высоту нижней границы, рост облака вверх и то, доходят ли видимые полосы осадков до земли. Небольшое белое кучевое облако может остаться без дождя. Облако, которое быстро развивается вверх, показывает движение воздуха, но точное место и время ливня по взгляду снизу всё равно не вычислить.

Запишите температуру и влажность у земли и сравните температуру с точкой росы. Если разница мала, воздух близок к насыщению; если велика, для образования нового кучевого облака поднимающемуся воздуху потребуется больше охлаждения. Так вы проверите условия для начала облака. Для ответа «идёт ли дождь через час» нужны наблюдения и прогноз, которые учитывают атмосферу выше и движение погодной системы.

Можно провести безопасный домашний опыт с прохладным стаканом воды: на его внешней поверхности со временем появляются капли. Они пришли из водяного пара комнатного воздуха, который охладился возле стекла. Это показывает конденсацию, одну стадию будущего дождя. Стакан не воспроизводит подъём воздуха, столкновения капель в облаке и выпадение осадков. Хороший опыт полезен именно тогда, когда вы знаете, какую часть явления он показывает.

Частые вопросы

Может ли дождь идти без видимого облака? Осадки образуются в облаках, но облако может находиться за домом, быть далеко или плохо различаться на фоне неба. Иногда дождь приносит ветер из соседней части облака. Солнечный свет над вами сам по себе не доказывает, что поблизости нет дождевого облака.

Почему после дождя остаются лужи, если вода испаряется? Испарение продолжается и после ливня, но не мгновенно. Скорость зависит от температуры, влажности, ветра, солнечного прогрева и площади воды. Часть воды при этом впитывается в грунт или уходит в сток.

Все ли капли дождя имеют форму слезы? Нет. Маленькая падающая капля близка к шару; более крупную сопротивление воздуха снизу может сплющить. Знакомый рисунок «слезой» удобен как символ дождя, но не как точный портрет летящей капли.

Правда ли, что дождь начинается, когда облако становится слишком тяжёлым? В облаке вода распределена по множеству капель и кристаллов, которые постоянно взаимодействуют с движущимся воздухом. Осадки возникают, когда отдельные частицы вырастают и начинают выпадать. Общий «предел веса тучи» для этого не нужен.

Может ли дождь испариться в воздухе? Да. Если под облаком сухо, падающие капли могут частично или полностью испариться. Полосы осадков, которые не доходят до земли, называют виргой.

Дождь не начинается одним щелчком. Вода сначала становится невидимым паром, затем частицами облака, потом крупными каплями или льдом, который может растаять. Последний шаг состоит в том, чтобы долететь до поверхности. Если хотя бы один из этих шагов не сложился, облако останется без дождя у вашего окна.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.