Облако появляется, когда влажный воздух охлаждается до насыщения и водяной пар конденсируется на микроскопических частицах. Оно состоит не из водяного пара — тот невидим, — а из множества жидких капель, кристаллов льда или их смеси.
Подъём, расширение, охлаждение
Самый частый путь начинается с подъёма воздуха. Давление с высотой уменьшается, воздушный объём расширяется и охлаждается без заметного обмена теплом с окружающей средой. Когда температура достигает точки росы, относительная влажность приближается к насыщению и начинается конденсация.
Воздух поднимается по разным причинам: нагретый участок поверхности создаёт конвекцию; ветер наталкивается на гору; тёплая воздушная масса скользит над холодной на фронте; потоки сходятся у поверхности. Механизм подъёма влияет на форму и протяжённость облака.
Зачем нужны ядра конденсации
В чистом воздухе капле трудно возникнуть только из молекул воды. Пар оседает на аэрозольных частицах — морской соли, пыли, продуктах горения и других ядрах конденсации. NOAA отмечает два обязательных компонента: воду и ядра, но добавляет условие температуры ниже точки насыщения. Наличие пыли само по себе облако не создаёт.
На высоте капли могут оставаться переохлаждёнными при температуре ниже нуля. Ледяные кристаллы растут за счёт пара и столкновений. Когда капли или кристаллы становятся достаточно крупными, они выпадают как дождь, снег или другие осадки; значительная часть может испариться до земли.
Почему облако не является неподвижным предметом
Капли постоянно образуются и испаряются. Видимая граница отмечает область, где конденсация сейчас преобладает. Воздух проходит через неё, смешивается с более сухим окружением, меняет температуру. Поэтому облако меняет форму, даже если его основание кажется неподвижным.
Подробную последовательность, включая роль адиабатического охлаждения и аэрозолей, показывает материал NOAA «How Clouds Form». Эта физика объясняет образование облака; для прогноза осадков дополнительно нужны вертикальная структура атмосферы, движение потоков и микрофизика частиц.