Облако (естественное и техногенное)

Облака – взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые на небе с поверхности земли. Они состоят из мельчайших капель воды и/или кристаллов льда (называемых облачными элементами).

• капельные облачные элементы наблюдаются при температуре воздуха в облаке выше -10 °C
• смешанный состав (капли и кристаллы) – от -10 до -15 °C 
• кристаллические – при температуре в облаке ниже -15 °C

При укрупнении облачных элементов и возрастании их скорости падения, они выпадают из облаков в виде осадков. Как правило, осадки выпадают из облаков, которые хотя бы в некотором слое имеют смешанный состав (кучево-дождевые, слоисто-дождевые, высоко-слоистые). Слабые моросящие осадки (в виде мороси, снежных зёрен или слабого мелкого снега) могут выпадать из однородных по составу облаков (капельных или кристаллических) – слоистых, слоисто-кучевых.

Для каждого рода облаков можно указать, в каком ярусе или ярусах эти облака встречаются. В зависимости от температурных условий и от высоты тропопаузы границы ярусов в разных широтах несколько различаются. 

Основание облаков:

• верхнего яруса находится в полярных широтах на высотах от 3 до 8 км, в умеренных широтах - от 6 до 13 и в тропических широтах - от 6 до 18 км;
• среднего яруса – соответственно от 2 до 4, от 2 до 7 и от 2 до 8 км;
• нижнего яруса на всех широтах - от земной поверхности до 2 км. 

Облака перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые встречаются в верхнем ярусе

Высококучевые и высокослоистые - в среднем ярусе

Слоисто-кучевые, слоистые и слоисто-дождевые - в нижнем

Высокослоистые облака часто проникают и в верхний ярус,слоисто-дождевые обычно проникают и в вышележащие ярусы.

Основания кучевых и кучево-дождевых облаков почти всегда находятся в нижнем ярусе, но их вершины часто проникают в средний, а у кучево-дождевых облаков и в верхний ярус. Поэтому эти облака называют облаками вертикального развития, а также конвективными.

Форм облаков достаточно много, но в современном варианте международной классификации облака делятся на десять основных форм (родов) по внешнему виду. В основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей,различаются также промежуточные формы.

Отдельно стоит выделить такой вид облаков как техногенные, или искусственные облака — Ci trac. (Cirrus tractus, cirrus — перистый, tractus —след).

Конденсационный след (ошибочные названия: устаревшее - инверсионный след, жаргонное - реактивный след) - это видимый след из сконденсированного водяного пара, возникающий в атмосфере за движущимися летательными аппаратами при определённых состояниях атмосферы. Явление наблюдается наиболее часто в верхних слоях тропосферы, значительно реже- в тропопаузе и стратосфере. В отдельных случаях может наблюдаться и на небольших высотах.

Своё название след получил от процесса конденсации, который приводит к его появлению. Она происходит только при таких условиях, когда количество водяного пара превышает то количество, которое необходимо для насыщения. Эти условия определяются точкой росы – температурой, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, достигает насыщения при данной удельной влажности и постоянном давлении. Степень насыщения характеризуется относительной влажностью – процентным отношением количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к количеству, которое требуется для насыщения (при одной и той же температуре).

Кроме этих условий, необходимо еще и наличие центров конденсации. При температуре до −30... −40 °C водяной пар при конденсации переходит в жидкую фазу, при температуре ниже−30... −40 °C водяной пар превращается сразу в ледяные кристаллы, минуя жидкую фазу.

Также важную роль в формировании следа играет процесс испарения, приводящий к его исчезновению.

Существуют две основные причины возникновения условий для конденсации и появления следа:

1. Повышение влажности воздуха, когда к атмосферному водяному пару добавляется водяной пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя в результате сгорания топлива. Это повышает точку росы в ограниченном объеме воздуха (за двигателями). Если точка росы становится выше температуры окружающего воздуха, то по мере остывания отработанных газов избыточный водяной пар конденсируется. Количество водяного пара, выбрасываемого двигателем, зависит от его мощности и режима работы, то есть от расхода топлива.

2. Понижение давления и температуры воздуха над крылом и внутри вихрей, возникающих при обтекании различных частей самолета. Наиболее интенсивные вихри образуются на законцовках крыла и выпущенных закрылков, а также на концах лопастей воздушных винтов. Если при этом температура опускается ниже точки росы — избыток атмосферного водяного пара конденсируется в области над крылом и внутри вихрей. Степень понижения давления и температуры зависят от таких параметров, как масса летательного аппарата, коэффициент подъемной силы, величина индуктивного сопротивления и др. Часто наблюдаются следы, образованные в результате комбинации этих двух причин. Образованию конденсационного следа также способствуют центры к конденсации в виде частиц не сгоревшего или не полностью сгоревшего (сажа) топлива.

Наряду с конденсацией происходит и обратный процесс - испарение: частицы сконденсированного водяного пара испаряются, и след со временем исчезает. На скорость испарения влияют влажность окружающего след воздуха и агрегатное состояние частиц следа. Чем суше воздух, тем быстрее происходит испарение. Напротив - испарение не происходит в случае, когда водяной пар находится в состоянии насыщения. Сконденсированный водяной пар при температуре воздуха−30... −40 °C частично, а при температуре ниже −40 °C полностью превращается в кристаллы, испарение ледяных кристаллов происходит значительно медленнее, чем капель воды.

Таким образом, возможность появления и время существования конденсационного следа, равно как и его вид, зависят от влажности и температуры атмосферного воздуха (при прочих равных условиях). При низкой влажности и относительно высокой температуре след может отсутствовать вовсе, так как при таких условиях водяной пар не достигает состояния перенасыщения. Чем выше влажность и ниже температура, тем больше водяного пара конденсируется, тем хуже происходит испарение, следовательно — след насыщеннее и длиннее. А при относительной влажности близкой к 100 % и низкой температуре конденсируется наибольшее количество водяного пара, высокая влажность препятствует испарению частиц следа, что и влечёт образование конденсационных следов, которые могут существовать достаточно долго, нередко превращаясь в перистые или перисто-кучевые облака. Поскольку водяной пар в атмосфере распределен не равномерно, это является причиной такого же «неравномерного» следа.

Конденсационные следы образуются не только на больших высотах полёта. На ледовом аэродроме Полярной Станции «Скотт Амундсен» (высота 2830 м над уровнем моря), при определённых условиях (температура воздуха минус 50 градусов и ниже), этот след образуется уже на взлёте или при посадке, причём за турбовинтовыми самолётами (С-130 «Геркулес» из состава «Снежного Крыла» ВВС США).

На появление так называемой «медузы» от ракеты-носителя происходит в тропопаузе. На это влияют пары воды, которые подвергаются усиленной конденсации. Таким образом, это тоже конденсационные следы, но несколько иного вида.

Причины появления неравномерных конденсационных следов

Неравномерное распределение водяного пара в атмосфере является причиной такого же «неравномерного» следа. Можно привести несколько примеров причин неравномерности следов:

Концевой вихрь крыла

Летящий самолет оставляет за собой возмущенную область атмосферы, называемую спутным следом. Этот след образуется в основном реактивными струями двигателей и концевыми вихрями от крыла. Скручивание объясняется разницей давлений на нижней и верхней поверхностях крыла. В результате перетекания воздуха из области повышенного давления на нижней поверхности крыла в область пониженного давления на верхней поверхности через его конец образуются мощные вихри. Чем больше перепад давления и, следовательно, подъемная сила, с которой поток действует на крыло, тем больше интенсивность концевых вихрей. Окружные скорости в вихревом следе диаметром 8-15 м могут достигать 150 км/ч.

Визуализация концевого вихря осуществлялась с помощью трассера-генератора дымного следа. Возмущения атмосферы, вызванные воздействием вихревого следа, существуют длительное время, постепенно затухая, снижая окружную скорость движения.

В результате взаимодействия между собой вихри постепенно опускаются и расходятся.

Наблюдая за конденсационным следом пролетевшего самолета, мы обнаруживаем, что примерно через 30-40 секунд после пролета самолета он начинает изменять свой вид под действием развивающегося вихревого следа. При пересечении конденсационного и вихревого следов возникают весьма замысловатые формы, имеющие вполне определенные закономерности.

Количество двигателей самолета

В зависимости от количества двигателей и их расположения на самолете конденсационный след может быть одно-или двухполосный. Конденсационный след и его трансформация фиксируют аэродинамические процессы, сопровождающие полет самолета.

Отрывно-вихревые течения

При выполнении маневров на больших углах атаки (20° и более) резко меняется характер обтекания поверхностей самолета. На верхней поверхности крыла и фюзеляжа образуются отрывные области, в которых, вследствие понижения давления, возникают условия для конденсации атмосферной влаги. Благодаря этому можно наблюдать за полетом самолета и без трассеров.

Яркий след форсажа

Двигатели современных самолетов-истребителей оснащены сверхзвуковыми регулируемыми соплами. Как правило, на форсажном режиме работы двигателя давление на срезе сопла превышает давление окружающего воздуха. На значительном удалении от среза сопла давление в струе и в атмосфере должны уравняться. По мере удаления от среза сопла давление в струе уменьшается, а скорость газа возрастает. Поперечное сечение струи увеличивается, что схематически показано на рисунке ниже.

Газ по инерции продолжает расширяться, и в наиболее широком сечении струи давление становится ниже атмосферного. После этого струя начинает сужаться, давление в ней приближается к атмосферному, а скорость соответственно уменьшается. Торможение сверхзвукового потока приводит к возникновению прямого скачка уплотнения. В результате в некоторой части струи скорости становятся дозвуковыми, а давление соответственно выше атмосферного. Как видно, форма струи становится бочкообразной. Затем процесс повторяется.

Газовая струя имеет температуру более 2000 °К, поэтому ее свечение делает видимыми процессы, происходящие при ее истечении. Видны области яркого свечения в тех местах струи, где образуются прямые скачки уплотнения.

При работе двигателя на форсаже за реактивным соплом возникает видимая струя раскалённых газов, имеющая характерную «полосатую» структуру, так называемые диски Маха).

При неполном сгорании керосина (из-за недостатка кислорода) струя будет иметь красный цвет с жёлтыми вертикальными кольцами. Если горение хорошо оптимизировано, то цвет пламени будет синий. Из-за несовершенства топливной аппаратуры некоторых двигателей иногда наблюдается интересный эффект — на одном и том же самолёте у одного двигателя на форсаже выхлоп синий, у второго — красный или жёлтый.

Для пролета над городом существуют ограничения по минимальной высоте, чтобы не мешать жителям шумом двигателей, поэтому самолет над городом увеличивает высоту, что может стать причиной образования следа на этом участке траектории.

Постепенно равновесие между окружающим воздухом и водой в следе начнет восстанавливаться, и след будет таять. Длительность этого процесса зависит от многих факторов. Например, от содержания воды и частиц сгоревшего топлива в струе выхлопа, которые помогают формированию тумана, задерживая влагу на себе. Поэтому следы от разных самолетов могут таять по разному – из за различия в составе топлива, конструкции и настройке двигателей, разницы в мощности и режимах их работы.

Ночью следы толще и держатся дольше - потому что ночью и атмосфера стабильнее и облако конденсата не нагревается солнцем. Что удерживает его температуру в пределах точки росы. 

Причудливые формы техногенных облаков

В зависимости от условий окружающей среды (например, воздушных потоков) и характеристик летательного аппарата они могут принимать причудливые формы.

Иногда с помощью таких следов можно создавать рисунки или даже писать буквы, символы, слова и целые предложения. Такой тип письма называется Skywriting. Первые надписи в небе были сделаны в Англии в 1919 году, в Америке - в 1920. Сейчас надписи могут быть различных цветов и размеров и наносятся, в основном, в целях рекламы.

Обычно он белый, однако он может быть и темного цвета. Темный след за обычным самолетом образуется от не полностью сгоревшего топлива. Обычно это происходит на переходных режимах, т.е. при разгоне или маневре.

Кондансецационный след в виде петли (круга, резкого разворота) часто оставляет самолет, который производит визуальный контроль за состоянием погоды. В этом случае самолет поднимается на 10 000 м, встаёт в круг для связи с запасными аэродромами и после этого короткой спиралью снижается.

Иногда конденсационные (инверсионные) следы от самолётов могут принимать причудливые формы и очертания: в них появляются различные завихрения, кольца, вырисовываются округлые структуры, башенки, нити. Такие образования вызваны действием неустойчивости Кроу (Crow Instability) по фамилии её первооткрывателя. Чаще всего это явление наблюдается за огромными лайнерами, когда воздушные вихри позади крыльев взаимодействуют с инверсионным следом и создают синусоидальные колебания, искажая его первоначальную структуру.

Ветер

Движение облаков в разных направлениях можно наблюдать в тех случаях, когда они не сплошные, располагаются на разных уровнях, а ветер на разной высоте имеет различное направление.

Облака в воздухе перемещаются по воздушному потоку, а он с высотой изменяется иногда не очень заметно, а иной раз - на очень значительный угол, легко фиксируемый зрительно, без всяких приборов. Причин изменения направления и скорости ветра с высотой несколько: в нижнем полуторакилометровом слое - это уменьшение трения воздушного потока о земную поверхность (ветер с высотой по мере ослабления трения усиливается и постепенно поворачивает вправо на несколько десятков градусов, обычно не более чем на 30-40°); на более высоких уровнях он под влиянием горизонтального распределения температуры испытывает левое или правое вращение, усиливается или ослабевает, может даже изменить направление на противоположное. Метеорологи знают, что с высотой при переносе тепла ветер постепенно поворачивает вправо, при переносе холода - влево. В целом же он всегда подчиняется простому закону: дует вдоль линий равного давления - изобар, оставляя область низкого давления слева. Положение изобар с высотой изменяется в соответствии с горизонтальным распределением температуры воздуха.

Из-за трения с земной поверхностью скорость ветра у земли меньше, чем на высотах. Слой воздуха, в котором происходит замедление скорости, называется слоем торможения. На равнинной местности высота слоя торможения составляет 1-2 км. Чем больше скорость, тем сильнее сказывается влияние силы Кориолиса, следовательно, по мере увеличения высоты в слое торможения происходит поворот направо в Северном полушарии и налево Южном.

В слое торможения с ростом высоты увеличивается скорость ветра, а его направление в Северном полушарии поворачивает вправо.

Ветер только при небольших скоростях (до 4 м/с) спокойный — частицы воздуха перемещаются по параллельным траекториям. При скорости свыше 4 м/с воздушный поток приобретает завихренный (турбулентный) характер, при котором пути отдельных струй воздуха пересекаются и становятся весьма сложными.

Существует устойчивая закономерность убывания скорости ветра с высотой и изменения направления ветра на противоположное в стратосфере в теплое время года. Такое обращение ветра происходит на высоте около 20 км. Фактически переход ветра с западного направления на восточное, то есть противоположное, происходит в слое толщиной в несколько сот метров. Слой этот получил название велопаузы. Изменение направления ветра связано с формированием летом в стратосфере высотного антициклона, приходящего в период полярного дня на смену зимнему холодному околополюсному циклону. Как только на высотах направление, в котором убывает давление, меняется по горизонту на противоположное, — таким же образом изменяется и направление ветра.

Метеорологические данные ветра, указанные в прогнозе погоды на тематических сайтах или в СМИ определяется осреднением за 10-минутный отрезок времени показаний анемометра, находящегося на 10-метровой высоте. Эти измерения могут повторяться каждый час.

Таким образом, сами облака из-за разнообразия форм, могут быть приняты за НЛО, но и они могут послужить помощниками для вычисления примерной высоты полета НЛО. Для этого необходимо знать классификацию облаков и процессы, происходящие в тропосфере.

Благодаря этим данным можно не только рассчитать (или просто оценить) высоту движения объекта, летящего в небе, и его скорость, но и различать объекты, движущиеся благодаря ветру и независимо от него.

В первую очередь, заметив объект, летящий в небе, нужно обратить внимание на наличие облаков. По их внешнему виду можно определить тип. Это позволит оценить примерную высоту полета облака. Выяснив, скрывается ли объект за облаком, или же находится ниже его, можно отметить приблизительную высоту полета объекта.

Кроме этого, приведенные выше данные позволяют приблизительно оценить скорость объекта.

Объект может двигаться в сторону движения облаков, против, и иметь независимую траекторию полета. Оценить тип такого движения объекта можно путем сопоставления траектории и скорости движения объекта и облаков на высоте движения объекта (поскольку на разных высотах скорость и направление ветра могут различаться).

Рассчитать относительную скорость движения объекта можно, замерив время движения облака или его части относительно стационарных объектов (например, между двумя ветками дерева) и время, за которое это же расстояние пролетает наблюдаемый объект.

Если удалось определить, что объект летит на низкой высоте (менее 1 км), то стоит обратить внимание на дым, если в зоне видимости располагаются трубы (например, заводские). Та высота, на которой дым перестает подниматься, свидетельствует о температурной инверсии и возможном сдвиге ветра. Горизонтальный дым из трубы свидетельствует о скорости ветра, превышающей 6...8м/с. Угол отклонения дыма от вертикали говорит о его силе – чем больше угол, тем больше сила ветра.

Паннус, скад, scud clouds или скадовые облака, представляет собой тип раздробленного облака на небольшой высоте над землей, обособленного и неправильной формы, встречающегося под слоисто-дождевыми, кучево-дождевыми, высокослоистыми и кучевыми облаками. Эти облака часто имеют рваный или тонкий вид.