Облака и туманы образуются в результате конденсации водяного пара в жидкое и твёрдое состояния. Конденсация происходит либо из-за увеличения абсолютной влажности воздуха, либо из-за понижения температуры воздуха. На практике в образовании облаков участвуют оба фактора.
Понижение температуры воздуха может быть вызвано подъёмом воздушных масс (восходящим движением) или адвекцией — перемещением воздушных масс в горизонтальном направлении. В результате тёплый воздух может оказаться над холодной поверхностью земли.
Рассмотрим образование облаков, вызванное понижением температуры воздуха при восходящем движении. Такой процесс отличается от образования тумана, который остаётся у поверхности земли.
Что заставляет воздух подниматься вверх? Можно выделить четыре причины восходящего движения воздушных масс:
- Конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи нагревают поверхность земли, которая передаёт тепло приземным слоям воздуха. Начинается их подъём.
- Кучевые и кучево-дождевые облака чаще всего имеют конвективное происхождение.
Процесс образования облака начинается с подъёма некоторой воздушной массы. По мере подъёма происходит расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается быстро, и теплообмен между поднимающимся воздухом и окружающей средой не успевает произойти за время подъёма. При адиабатном расширении воздух охлаждается за счёт собственной внутренней энергии.
Таким образом, поднимающийся вверх воздух охлаждается.
При снижении начальной температуры поднимающегося воздуха до точки росы, соответствующей упругости пара, содержащегося в воздухе, начинается процесс конденсации этого пара. При наличии в атмосфере ядер конденсации, которые практически всегда присутствуют, этот процесс действительно начинается.
Высота, на которой начинается конденсация пара, определяет нижнюю границу формирующегося облака. Эту высоту называют уровнем конденсации.
В процессе конденсации пара происходит образование облаков, которые могут развиваться в высоту. Вертикальное развитие облака прекращается, когда воздух, охладившись, перестаёт подниматься. В этом случае формируется нечётко выраженная верхняя граница облака, которая называется уровнем свободной конвекции. Он располагается выше уровня, на котором температура поднимающегося воздуха становится равна температуре окружающего воздуха.
Вторая причина подъёма воздушных масс связана с рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своём пути горы или другие природные возвышения. Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. Образующиеся в этом случае облака называют облаками орографического происхождения. Такие облака не получают существенного развития в высоту, так как она ограничена высотой преодолеваемого воздухом возвышения. В этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.
Третья причина подъёма воздушных масс — возникновение тёплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над тёплым фронтом, когда тёплая воздушная масса надвигается на холодную массу воздуха и вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Фронтальная поверхность, то есть поверхность холодного клина, очень пологая. Тангенс угла её наклона к горизонтальной поверхности составляет всего 0,005–0,01. Поэтому восходящее движение тёплого воздуха мало отличается от горизонтального движения. Облачность, возникающая над холодным клином, имеет значительную горизонтальную протяжённость, но слабо развивается в высоту. Такие облака называют облаками восходящего скольжения. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высокослоистые облака, а в верхнем ярусе — перистые и перисто-слоистые облака. Горизонтальная протяжённость облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.
Облака появляются и над холодным воздухом, который движется под тёплым. Тогда тёплый воздух поднимается вверх, и в небе появляются облака. Они называются восходящими. А ещё могут появиться кучевые облака.
Четвёртая причина, почему воздух поднимается вверх, — это циклоны. Когда воздушные массы движутся вдоль земли, они закручиваются к центру циклона. Там они накапливаются и создают перепад давления. Из-за этого воздух поднимается вверх. Он поднимается так сильно, что доходит до границы тропосферы. Там он превращается в облака. Они могут быть разных видов: слоисто-дождевые, высокослоистые, кучево-дождевые. Из таких облаков выпадают осадки. Поэтому в циклоне часто идёт дождь.