Переменная облачность: что такое облака и как они влияют на климат

Мечтать, глядя на проплывающие в небе облака, — естественное человеческое занятие. Но мечтать — еще не значит задумываться. Поэтому немногие задумываются о том…

• … что мечтать получается только глядя на кучевые облака, а другие виды облаков с мечтами не ассоциируются;

• … что большинство из нас трогало облако руками или стояло в облаке;

• … что существуют экзотические очень необычные облака, которые дано увидеть не каждому, и что увидеть такое облако — большая удача;

• … и что облака вполне способны влиять на климат, хотя пока что не совсем понятно, каков будет результат этого влияния в сухом остатке.

Что такое облако?

Почти каждый из нас трогал облако рукой или стоял в облаке, даже те, кто не забирался на большую высоту — не летал на воздушном шаре и не был высоко в горах. Облаком является обычный туман.

Однако побывать в грозовом облаке — совсем не то же самое, что постоять в тумане. Американский летчик Уильям Рэнкин пережил такой опыт, когда летел над Северной Каролиной и едва остался жив. Ему пришлось катапультироваться из самолета на высоте 14,3 км, находясь над грозовым облаком, из-за отказа двигателя.

В момент, когда летчик покинул кабину, он сильно обморозился, пережил стремительное падение давления и недостаток кислорода. Его спасло лишь то, что он сумел надеть кислородную маску. Но после этого он провалился в грозовое облако.

Вокруг него гремел гром, сверкали молнии, а затем к этому добавился и град. Рэнкину казалось, что по его телу барабанят тысячи молотков. Его спуск продолжался 40 минут, и все это время он был на грани жизни и смерти.

В конце концов летчик приземлился в лесу и сумел выбраться на дорогу, где его подобрали и отвезли в больницу. Об этих уникальных сорока минутах своей жизни Уильям Рэнкин написал книгу «Человек, оседлавший гром».

В более высоких слоях атмосферы капельки замерзают, становясь кристалликами льда. Так что любое облако — это скопление частиц воды в разном состоянии — газообразном (водяной пар), жидком (капельки) и кристаллическом (лед). Точный состав каждого конкретного облака зависит от температуры и других условий.

С поверхности Земли облака часто видятся кусочками ваты или нежными перьями, но метеорологи их сравнивают с генерирующей и преобразующей машиной, переводящей воду из одного состояние в другое.

И вот что удивительно. Если в обычных условиях вода замерзает при 0°C или чуть ниже, то на высоте пар может существовать и при –30°С, если не встретит частичку твердого вещества и не кристаллизуется. В воздухе, даже в очень высоких слоях, присутствуют морская соль, частички пыли и сажи, пыльца растений.

Кроме того, там встречаются аэрозоли кислот, выбрасываемые вулканами, а также аэрозоли технического происхождения. Эти частицы и служат затравкой для образования капелек жидкости и кристалликов льда из водяного пара.

Облачный атлас

Все виды облаков ученые уже разобрали по форме и содержанию и составили свой «облачный атлас», в котором насчитывается более 150 видов разных облаков. В 2017 году после ревизии атласа появилась и его оцифрованная версия. Так что каждый желающий может углубиться в тему классификации облаков.

Помимо экзотических видов, которые стоят особняком, все остальные облака грубо можно поделить на три большие группы: слоистые, перистые и кучевые. Разумеется, существуют также их комбинированные и переходные формы.

Кроме того, облака различаются по высоте, или, как говорят метеорологи, по ярусам: облака нижнего, среднего и верхнего ярусов. При этом, согласно законам физики, самые плотные облака находятся в нижних слоях атмосферы, а чем выше забирается водяной пар, тем он становится разряженнее.

Наше воображение будят в основном кучевые облака — они вне ярусов и могут «прорастать» с высоты сотни метров до стратосферы (15-18 км). Именно они сбиваются в различные «ватные» фигуры, напоминающие экзотических животных.

Слоистые облака на фигуры не похожи: они надвигаются стеной, как цепь пехотинцев, плечом к плечу. И тогда все вокруг быстро затягивается серым покрывалом, через которое порой не проглядывает даже солнце. А перистые облака — легкие, прозрачные, высокие, растянутые стремительными потоками воздуха.

Если мы научимся разбираться в облаках, то, глядя в небо, сможем сказать, как движутся воздушные массы и какую погоду они нам несут. Воздух никогда не стоит на месте, как не стоит на месте вода в океане. А облака делают это видимым глазу.

В океане течения видны далеко не всегда, но если бросить поплавок (а лучше не один), то увидим, как движется поток. Так же дела обстоят и с облаками.

Воздушные потоки перемещают эти частицы, и мы можем наблюдать движение атмосферы, а следовательно — предсказывать погоду. Сейчас мы попытаемся овладеть азами этой науки.

Летом схема смены погоды выглядит так: если теплый воздух наступает на холодный, то ясное небо сначала покрывается пеленой перистых и перисто-слоистых облаков. Часто видны характерные запятые, или «коготки» — «перистые-когтевидные облака».

Затем они уплотняются до высоко-слоистых, а затем уже и до слоисто-дождевых — они несут затяжные моросящие осадки. Иногда в процессе сгущения облаков возникает такое оптическое явление, как «гало» — радужный нимб вокруг солнца: оно может указывать на грядущее потепление.

Если же, напротив, холодный воздух наступает на теплый, то все становится мрачнее и опаснее — по небу гуляют кучево-дождевые облака, которые несут с собой громы, молнии, ливни, не исключен и град. Эти облака могут быть опасны для авиации. В пустынных районах они предвещают пыльные бури. При этом ливни и грозы скорее всего будут кратковременными, зато относительный холод может установиться надолго.

И наконец, для идеальной ситуации, когда и тепло, и солнечно, характерны «облака хорошей погоды» — так их называют метеорологи. Это кучевые плоские облака нижнего яруса — те самые легкие забавные ватные фигурки, в которых можно увидеть всё, что заблагорассудится.

Звезды соцсетей

Если метеорологи, глядя на облака, могут предсказывать перемены погоды, то публика, не сведущая в физике атмосферы, порой готова увидеть в облачных фигурах куда более зловещие знаки. А увидев, немедленно фотографирует их и публикует в социальных сетях. С точки зрения науки, в таких картинках нет ничего экстраординарного или пугающего, что не мешает им собирать миллионы просмотров.

К примеру, «вирусными» часто становятся фото так называемых «облачных цунами». Надвигающуюся зловещую облачную стену легко принять за признак то ли конца света, то ли нашествия инопланетян.

В мае 2021 года звездой интернета стало «цунами», наблюдавшееся в Чили, а в 2018 фотография аналогичного явления в штате Иллинойс собрала за сутки 50 000 комментариев.

На самом деле облачное цунами — банальный холодный фронт, насыщенный водяными парами. Чаще всего он наблюдается над океанским берегом. Такое облако, разумеется, может предвещать грозу, шторм, но мистических ужасов уж точно не несет.

Другой популярный объект — линзовидные, или лентикулярные, облака. Именно они лежат в основе некоторых сообщений о НЛО: такие облака похожи на огромные белые тарелки, неподвижно висящие на высоте 2-7 км, часто над вершинами гор.

Они формируются там, где есть большой перепад высот: воздух на высоте быстро движется и, встречая препятствие в виде горы, начинает подниматься вверх. А куда ему еще деваться? Миновав вершину, он снова опускается вниз.

Содержащийся в воздухе пар конденсируется и образует такое стоячее облако. Иногда линзовидные облака образуются между двумя движущимися слоями воздуха для образования таких облаков необходимо интенсивное движение воздушных масс и высокое содержание влаги в воздухе. Часто эти облака свидетельствуют о приближении атмосферного фронта.

И, конечно, огромное внимание публики привлекают фотографии торнадо. Это грозное явление природы, в сущности, тоже облако, состоящее в основном из капелек воды: оно образуется, когда наступающий холод со всех сторон охватывает небольшой клочок теплого воздуха. Этот теплый воздух, стремясь подняться вверх, сильно закручивается, вовлекая в движение окружающие массы.

В отличие от облачных цунами и линзовидных облаков, торнадо имеют все основания вызывать не мистический, а вполне прагматичный ужас: они способны причинить страшные разрушения.

Серебряный свет

Серебристые облака — явление редкое. Первое упоминание о них появилось после извержения вулкана Кракатау в 1885 году. Их заметили сразу несколько ученых в разных местах северного полушария.

Один их них — российский астроном польского происхождения Витольд Цесарский — занимался изучением звезд и обратил внимание на неожиданную помеху: облачные волокна, затемнявшие звезды в сумеречном небе. Будучи вдумчивым исследователем, Витольд Карлович тщательно описал облака, выделив их в отдельную категорию.

Позже серебристые облака наблюдали во многих местах северного полушария в день падения Тунгусского метеорита, 30 июня 1908 года.

Серебристые облака можно наблюдать только в сумерках. Дело в том, что они образуются в высоких слоях атмосферы, и в момент смены дня и ночи они становятся заметны, когда нижняя часть атмосферы уже погрузилась во тьму, а верхняя все еще подсвечена солнцем.

Это очень красивое явление. В сумеречном небе от серебристых облаков исходит свет, за что их называют «светящимися облаками».

Для их образования нужны специальные условия. Во-первых, они возникают только на большой высоте, около 80 км, где атмосфера сильно разрежена. Во-вторых, это летнее явление, когда температура в высоких слоях атмосферы достигает -180°C.

В-третьих, нужны мелкие частички, — например, такие, какие возникают при извержении вулканов или при падении метеоритов. На эти частички и «налипают» молекулы пара, мгновенно превращаясь в лед, который покрывает твердые частички «глазурью». Поэтому серебристые облака не поглощают свет, а полностью отражают его и сами становятся похожими на источник света.

Существует мнение, что серебристые облака образуются не из водяного пара, а из метана, который поднимается вверх за счет конвективных потоков и кристаллизуется на метеорной пыли. Эта гипотеза объясняет, почему нет более ранних свидетельств их наблюдения. Возможно, они и появились недавно, когда началось существенное увеличение концентрации метана в атмосфере.

Следует сказать, что из-за глобального потепления начало сезона серебристых облаков уже сместилось на более ранние сроки — на конец весны. Увеличились их площадь и объем. Теперь они опускаются ниже, чем раньше, потому что из-за потепления нижняя часть атмосферы, тропосфера, сжимается, а верхняя часть атмосферы, стратосфера, наоборот, расширяется за счет тропосферы.

После наступления ракетной эры стали образовываться и антропогенные серебристые облака, которые не привязаны к сезону. Они возникают на частицах сажи от выбросов жидкостных ракет.

Волны и перламутр

Перламутровые облака переливаются самыми разными оттенками всех цветов радуги. Лучше всего они видны в сумерки, когда солнце опускается за линию горизонта.

Это редкое явление, потому что для их образования нужно сочетание различных факторов. Перламутровые облака возникают зимой и весной в низких слоях стратосферы, преимущественно в приполярных областях в окрестностях озоновых дыр. В полярных и приполярных широтах граница стратосферы опускается намного ниже обычного, и высота перламутровых облаков составляет от 15 до 27 км.

Температура в стратосфере с высотой не падает, а растет из-за того, что озон поглощает ультрафиолет. Это экзотермическая реакция, сопровождающаяся выделением энергии, а для перламутровых облаков это губительно: им важно, чтобы температура была очень низкой. Именно поэтому любимое место этих облаков — области озоновых дыр при температуре -85 °C и ниже.

Кроме того, их образованию способствуют горные хребты, они препятствуют движению атмосферных масс и порождают волны в стратосфере. Во впадинах этих волн и формируются перламутровые облака. В их состав входят кислоты, которые образуются при извержении вулканов или имеют антропогенное происхождение. Как видим, факторов много, поэтому тот, кто когда-либо видел перламутровые облака, может считать себя очень везучим.

Сравнительно недавно был открыт совершенно новый вид облаков. Они называются «асператус», то есть «шероховатые». Эти облака выглядят зловеще. Они похожи на опрокинутую волнистую поверхность океана, на которую мы смотрим снизу.

Вообще говоря, асператус нельзя назвать новым явлением — это, скорее, новая форма слоисто-кучевых или высококучевых облаков, возникающая достаточно редко. На эту форму впервые обратили внимание в 2006 году благодаря фотографии, загруженной на сайт Общества любителей облаков. В атлас облаков форма асператус была включена в 2017 году, когда вышла новая редакция.

Это впечатляющее явление вызвано очень интенсивной динамикой воздушных потоков. Несмотря на свой устрашающий вид, облака асператус могут быстро рассосаться и не пролить ни капли воды. Однако порой случаются и тяжелые последствия в виде сильнейших штормов, ливней и града.

Облака и климат

Облака — важнейший фактор, влияющий на процессы переноса тепла в атмосфере и тем самым определяющий климат. При составлении моделей, описывающих изменения климата, более известные под именем «глобального потепления», жизненно важно учитывать вклад облаков. Как ни удивительно, до сих пор не существует точного математического описания этого вклада.

Облака влияют на климат неоднозначно. С одной стороны, они отражают солнечную радиацию, так как обычно они светлее, чем земная поверхность. Под набежавшим облаком, как все мы знаем, летом становится прохладнее. Отраженная радиация отправляется назад в космос, что сдерживает нагревание земной поверхности.

С другой стороны, точно так же облака отражают и волны тепла, идущие от земли в космос, и направляют их назад к поверхности, способствуя нагреванию. Поэтому при ясном небе разброс температур между дневным и ночным временем часто значительно больше, чем в облачные периоды.

Однако этот эффект сильно меняется в зависимости от отражательной способности облаков, от их высоты, времени суток и еще от большого количества факторов.

Даже при современном уровне компьютерного моделирования сложно определить итоговый эффект. А он может оказаться таким же серьезным, как, например, эффект поведения океанических течений, поскольку в любой момент времени облака покрывают около двух третей нашей планеты. Как мы убедились, даже сегодня, когда, казалось бы, все уже так хорошо изучено, они таят в себе много удивительного и непредсказуемого.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 3, апрель-май 2022}