Бывает, все небо затянуто тучами, а дождя нет, или наоборот – из небольшого облака на землю обрушивается ливень. Почему?
Почти каждый день ты видишь над головой облака. Разнообразие их форм и цветов поражает. То они похожи огромные комья белой ваты, летящие куда-то по небу, то застилают весь небосвод монотонной серой пеленой, то громоздятся грозными черными кучами. И конечно, людей с давних пор интересовало, откуда они берутся, из чего состоят и почему бывают такие разные… И главное – почему из них иногда идет дождь, а иногда – нет. Ты скорее всего знаешь, что облака состоят из мельчайших капелек воды, висящих в воздухе.
В школе тебе наверняка рассказывали о круговороте воды в природе: облака образуются в результате испарения воды с поверхности земли или какого-нибудь водоема, а потом эта испарившаяся вода в конце концов возвращается обратно на землю в виде дождя. Казалось бы, всё просто и понятно. Но если задуматься, то сразу возникнут вопросы. Например, почему водяной пар вдруг начинает конденсироваться, то есть переходить в жидкое состояние, на определенной высоте? Почему капельки воды, образующие облако, висят в воздухе, а не падают? И почему в какой-то момент они всё-таки начинают падать?

Показатели влажности

Начнем с того, что в воздухе всегда содержится некое количество водяного пара. Эта величина называется абсолютной влажностью воздуха и измеряется в граммах водяного пара на кубический метр воздуха (г/м³). Понятно, что ее значение зависит от наличия источника влаги – это может быть, например водоем
или влажная почва. Но даже если вокруг океан, содержание водяного пара в воздухе не повышается до бесконечности.
Воздух поглощает вполне конкретное количество пара – эта величина называется влагоемкостью воздуха. Она зависит от температуры воздуха, и чем теплее, тем больше влаги он удерживает. Например, при 0 °С в кубометре воздуха помещается только 5 граммов водяного пара, а при +20° – уже целых 17 граммов.
Однако нам в быту важнее другой показатель – относительная влажность воздуха, и именно о нем сообщают в сводках погоды.
Чтобы узнать величину относительной влажности, нужно разделить абсолютную влажность воздуха на его влагоемкость при данной температуре. Например, относительная влажность 50% (такая ее величина наиболее комфортна для человека) означает, что в этот воздух поместится еще столько же водяного пара, сколько в нем уже есть. А относительная влажность 100% достигается, когда абсолютная влажность воздуха становится равна его влагоемкости при данной температуре. То есть, независимо от того, какая температура на улице, 0 °С или 40-градусная жара, если ты промокнешь под дождем при относительной влажности 100%, твоя одежда никогда не высохнет.

Вода в небе

Но вернемся к облакам. Как только Солнце начинает нагревать воздух вблизи земной поверхности, он становится легче и поднимается. А поскольку чем выше от земли, тем ниже окружающая температура, воздух при подъеме остывает. При этом влагоемкость его уменьшается, а абсолютная влажность остается такой же, как была. В результате относительная влажность растет и на определенной высоте достигает 100%.
С этого момента водяной пар вроде бы должен начать конденсироваться, образуя облака. Однако это происходит лишь тогда, когда в воздухе имеются твердые частицы, хотя бы очень мелкие – так называемые ядра конденсации.
Как показали опыты, если воздух абсолютно чист, то водяной пар не превращается в жидкость, даже когда относительная влажность превышает 100%. Впрочем, в природе ядра конденсации присутствуют в воздухе почти всегда.
Но, казалось бы, как только вода перешла из газообразного состояния в жидкое, образовавшиеся капельки сразу же должны начать падать. Почему же тогда облака не проливаются дождем, едва образовавшись? Дело в том, что капельки воды, из которых состоят облака, очень мелкие – их диаметр составляет сотые и тысячные доли миллиметра. Такие маленькие капельки удерживаются в воздухе даже слабым ветром, а ветер на высоте дует почти постоянно. Но если ветра вдруг не будет и эти капельки начнут падать, до земли они всё равно не долетят: как только они опустятся немного пониже, температура увеличится, а относительная влажность, соответственно, уменьшится, и капельки просто испарятся.

Лёд-провокатор

Для настоящего дождя, при котором капельки стали бы долетать до земли, необходимо, чтобы в облаке содержались не только вода в жидком состоянии, но и ледяные кристаллы. Что интересно, такая картина наблюдается отнюдь не при температуре 0°, как можно было бы подумать. При понижении температуры облака ниже нуля капельки остаются жидкими, и только когда температура опускается до минус 10°, часть капелек замерзает, превращаясь в ледяные кристаллы. Образовавшись, эти кристаллы начинают быстро расти за счет конденсации водяного пара из воздуха. Укрупняясь и утяжеляясь, кристаллы падают, примораживая к себе попадающиеся по дороге капли. Попадая в слои с температурой выше 0°, они тают, превращаясь в дождевые капли. Эти капли гораздо крупнее, чем те, из которых состоят облака, их диаметр составляет от 0,1 до 7 мм. Поэтому они не успевают испариться по дороге к земле, да и ветер их в воздухе удержать не может. В итоге они падают на землю – идет дождь.
Нетрудно догадаться, что если температура воздуха отрицательная вплоть до земли, ледяные кристаллы не тают, и вместо дождя идет снег. Ну а если в облаке имеются сильные восходящие воздушные потоки, кристаллы надолго задерживаются в нем и смерзаются друг с другом, образуя ледяные шарики диаметром несколько миллиметров или даже сантиметров. Когда они, наконец, вываливаются из облака вниз, идет град.

Цвет и свет

Еще один интересный вопрос касается цвета облаков. Действительно, иногда они белые, иногда серые, а иногда почти черные (мы называем их тучами, но метеорологи этого слова никогда не используют). Дело в том, что капельки, из которых состоят облака, как и любые другие предметы, частично отражают солнечный свет, а частично поглощают его. Если облака неплотные, то значительная часть света, отразившись от нескольких капелек, в итоге выходит из облака в разных направлениях – и мы видим белый цвет. (Кстати, именно поэтому прозрачное стекло, разбиваясь на мелкие осколки, выглядит белым). Если же капельки в облаке расположены близко друг к другу, то почти весь свет, попавший внутрь облака, в итоге оказывается поглощенным капельками воды, и мы видим отсутствие света, то есть черный цвет.
Обычно от черной тучи мы ждем дождя, а от белого облака – нет, но на самом деле прямой зависимости тут не существует. Как ты уже знаешь, выпадение дождя определяется не плотностью капелек в облаке, а наличием в нем ледяных кристаллов, которые образуются как в плотном облаке, так и в разреженном – главное, чтобы температура была подходящей. Поэтому дождь может пойти и из неплотного белого облака. Другое дело, что такое разреженное облако содержит в себе не очень много воды, поэтому сильного ливня из него ожидать не стоит.