Облако не начинает дождь просто потому, что «набрало слишком много воды». В обычном облаке уже есть миллионы микроскопических капель и кристаллов льда, но они настолько малы, что воздушные потоки легко удерживают их. Чтобы начались осадки, частицы должны вырасти на порядки — и атмосфера использует для этого разные механизмы в тёплых и холодных облаках.
Поэтому дождь, снег, мокрый снег, ледяной дождь и град — не просто одна и та же вода при разной температуре у земли. Их история начинается внутри облака, а окончательная форма зависит ещё и от слоёв воздуха, через которые частица проходит по пути вниз.
Сначала нужен подъём и охлаждение воздуха
Воздух содержит водяной пар, который невидим. Когда влажный воздух поднимается, давление уменьшается, он расширяется и охлаждается. При достаточном охлаждении пар начинает конденсироваться на аэрозольных частицах — микроскопической пыли, солях и других ядрах конденсации. Так образуются облачные капли.
Подъём может возникать по разным причинам. Тёплый воздух всплывает конвективно, воздушная масса поднимается по склону гор, а в атмосферных фронтах более тёплый и лёгкий воздух вынужден скользить над холодным. Поэтому один и тот же цикл воды проявляется совершенно разными типами облаков и осадков.
Но появление облака ещё не означает дождь. Типичная облачная капля имеет размер в десятки микрометров и падает очень медленно. Ей нужно стать намного крупнее.
Тёплый дождь: капли сталкиваются и сливаются
В облаках, где значительная часть объёма остаётся жидкой, важен процесс collision–coalescence — столкновение и коалесценция. Капли имеют немного разные размеры и поэтому падают с разными скоростями. Более крупная догоняет мелкие, сталкивается с ними и иногда сливается.
По мере роста скорость падения увеличивается, столкновений становится больше, и процесс ускоряется. Когда капля уже не удерживается восходящими потоками, она покидает облако. По дороге крупные капли могут дробиться, поэтому дождевые капли не растут бесконечно до размеров шариков.
Такой механизм особенно важен в тёплых облаках тропиков, но жидкая вода участвует в образовании осадков и при отрицательных температурах: переохлаждённые капли способны оставаться жидкими ниже 0 °C.
Холодные облака: почему лёд растёт быстрее капель
В смешанном облаке одновременно существуют ледяные кристаллы и переохлаждённые капли. Давление насыщенного пара над льдом и жидкой водой различается, поэтому водяной пар может преимущественно осаждаться на кристаллах. Лёд растёт за счёт окружающей влаги, кристаллы сталкиваются, объединяются в снежинки и захватывают переохлаждённые капли.
Если весь столб воздуха до поверхности достаточно холодный, эти частицы достигают земли как снег. Если ниже находится тёплый слой, снежинка тает и превращается в дождевую каплю. Поэтому значительная часть обычного дождя в умеренных широтах фактически начинает путь как лёд или снег высоко в облаке.
Почему бывают мокрый снег, ледяной дождь и крупа
Ключ здесь — вертикальный профиль температуры. Снег может попасть в слой воздуха теплее нуля и растаять. Если затем у поверхности снова есть достаточно толстый морозный слой, капля успевает замёрзнуть до земли и превращается в ледяную крупу или sleet в американской терминологии.
Если холодный приземный слой тонкий, капля остаётся переохлаждённой жидкостью и замерзает уже при ударе о дорогу, дерево или провод. Это ледяной дождь, один из самых опасных типов осадков из-за быстрого образования гололёда.
Граупель, или снежная крупа, возникает иначе: снежные кристаллы сталкиваются с переохлаждёнными каплями, которые намерзают на них рыхлой белой оболочкой. Внешне это похоже на маленькие мягкие шарики и не равно настоящему граду.
Как формируется град
Град связан с мощными грозовыми облаками. Сильные восходящие потоки поднимают частицы льда в области с большим количеством переохлаждённой воды. Капли намерзают на ледяное ядро, оно растёт, может многократно попадать в разные зоны облака и наращивать новые слои.
Когда восходящий поток уже не способен удерживать камень, тот падает. Размер града поэтому связан не просто с температурой, а с силой и глубиной грозовой циркуляции, запасом переохлаждённой воды и временем роста.
Почему не всё, что падает из облака, достигает земли
Осадки могут испариться или сублимировать в сухом воздухе ниже основания облака. Полосы, которые видны под облаком и исчезают до поверхности, называют virga. Иногда испарение охлаждает воздух и влияет на нисходящие потоки, что важно для погоды у земли.
Поэтому метеорологу недостаточно знать температуру поверхности. Чтобы понять тип осадков, нужен профиль температуры и влажности по высоте, структура облака и динамика воздушных потоков.
В этом и состоит физика осадков: облачная вода должна вырасти из микроскопических капель или кристаллов до частиц, способных преодолеть сопротивление воздуха, а атмосфера по пути может несколько раз изменить их фазу. Дождь и снег — финальные формы длинного микрофизического процесса, а не просто «вода, выпавшая из облака».
