Посмотрите в окно. Если повезёт с погодой, вы увидите их: белые пухлые громадины, медленно плывущие по небу с видом существ, которым совершенно не нужно беспокоиться о гравитации. Облака кажутся воплощением лёгкости. Их сравнивают с ватой, с пухом, с мечтами. На них хочется лечь и заснуть.
Могут ли эти пушистики весить сотни тонн?
Правда оказывается куда более ошеломительной. Типичное кучевое облако — то самое, белое и пышное, которое вы видите в солнечный день — весит около 500 000 тонн. Не тонну. Полмиллиона тонн. Это примерно как 2500 гружёных товарных поездов, зависших у вас над головой.
И при этом оно не падает. Почему? Но давайте по порядку.
Из чего вообще сделано облако?
Чтобы понять, откуда берётся такой вес, нужно сначала разобраться с тем, что облако представляет собой физически.
Облако — это не пар. Это принципиально важная оговорка. Водяной пар невидим: именно он поднимается над кипящим чайником в первые сантиметры, прежде чем белое «облачко» становится заметным. Само облако состоит из капелек жидкой воды (или кристаллов льда в высоких облаках) — настолько крошечных, что они буквально парят в воздухе.
Типичная капелька в облаке имеет диаметр около 10 микрометров — это в 7 раз тоньше человеческого волоса. Из-за своих микроскопических размеров каждая такая капля падает ничтожно медленно: со скоростью около 1–2 сантиметров в секунду. Восходящие потоки тёплого воздуха, которые пронизывают любое облако, легко удерживают их на высоте. Облако — это динамическое равновесие между гравитацией и конвекцией.
Но капелек в облаке — миллиарды миллиардов. И в сумме они дают очень солидную массу.
Как это считают?
Расчёт веса облака — задача не такая уж фантастическая, хотя на первый взгляд кажется невозможной. Учёные используют понятие водности облака — количество жидкой воды, содержащейся в одном кубическом метре облачного воздуха.
Для типичного кучевого облака водность составляет около 0,3 грамма на кубический метр. Но кучевые облака бывают куда крупнее — и для облака с объёмом в 1,5–2 кубических километра цифра вырастает до 500 000 тонн и выше. Именно это число чаще всего фигурирует в научно-популярных источниках и принадлежит расчётам метеоролога Маргарет ЛеМоне из Национального центра атмосферных исследований США.
Парадокс: полмиллиона тонн над головой — и ничего
Здесь и возникает главный вопрос, который не даёт покоя: как это вообще держится в воздухе?
Ответ — в масштабе и распределении.
Во-первых, те самые крошечные капли. Их размер настолько мал, что сила сопротивления воздуха при падении почти равна силе тяжести. Скорость оседания — несколько миллиметров в секунду — немедленно компенсируется восходящими потоками, которые возникают из-за разницы температур между нагретой поверхностью земли и холодными слоями атмосферы. Облако не «висит» статично — оно непрерывно обновляется: капли снизу выпадают или испаряются, новые образуются сверху.
Во-вторых, воздух тоже весит. И весит значительно больше, чем мы интуитивно чувствуем. Один кубический метр воздуха у поверхности земли весит около 1,2 кг. Кубический километр воздуха — это уже 1,2 миллиарда килограммов, то есть 1,2 миллиона тонн. Облако весом 500 000 тонн — это лишь примерно 0,04% от массы воздуха, который его окружает. Относительная плотность облачного воздуха чуть выше, чем у сухого, — и именно эта микроскопическая разница в плотности заставляет его постепенно оседать. Но «постепенно» здесь — ключевое слово.
Представьте, что вы растворили чайную ложку соли в ведре воды. Раствор немного плотнее чистой воды — но он не падает на дно как камень. Облако — это нечто похожее: чуть более плотный «раствор» в огромном резервуаре атмосферы.
Разные облака — разные весовые категории
Кучевые облака — лишь один тип. Атмосфера разнообразна, и разные облачные формации существенно отличаются по весу.
Кучево-дождевые облака (cumulonimbus) — гигантские грозовые башни, которые могут достигать высоты 12–18 километров. Их объём и водность значительно выше. Вес такого облака может составлять несколько миллионов тонн. Именно внутри них рождаются молнии, ливни и град.
Перистые облака — тонкие ледяные вуали на высоте 8–12 километров. Их водность в тысячи раз меньше, чем у кучевых. Вес одного перистого облака может не достигать и нескольких сотен килограммов на квадратный километр площади. Это действительно почти невесомые образования.
Слоистые облака — серые одеяла, затягивающие небо в пасмурные дни. Они могут покрывать тысячи квадратных километров при относительно небольшой толщине, и их суммарная масса над крупным городом — астрономическая цифра.
Зачем ученым знать вес облаков?
Казалось бы — ну и что? Ну, весят облака много. Какое практическое значение это имеет?
На самом деле — прямое. Понимание массы воды, сосредоточенной в облаках, критически важно для метеорологического прогнозирования. Количество жидкой воды в облаке определяет, выпадет ли осадок, какой мощности будет ливень и как долго он продлится. Спутниковые и радарные системы непрерывно измеряют водность облаков — именно эти данные лежат в основе современных прогнозов погоды.
Кроме того, облака играют ключевую роль в глобальном климате. Они отражают солнечный свет обратно в космос (охлаждающий эффект) и одновременно удерживают тепловое излучение земли (согревающий эффект). Соотношение этих двух процессов — одна из главных неопределённостей в моделях климатических изменений. И масса водяных капель в облаках — один из ключевых параметров этого уравнения.
Лёгкость — это иллюзия
Белое пышное облако, которое кажется воплощением воздушности — это сотни тысяч тонн воды, удерживаемых в воздухе сочетанием микроскопических размеров капель, восходящих потоков и огромной массы окружающей атмосферы.
Облака — прекрасный пример того, как наша интуиция систематически нас обманывает. Мы видим белое, пушистое и лёгкое. Физика видит гигантский резервуар воды, который медленно движется над нами, подчиняясь законам термодинамики и гидродинамики.