Прежде чем мы углубимся в то, почему облака не падают, давайте сначала подробнее рассмотрим, как они формируются. Облака рождаются, когда молекулы воды в воздухе собираются вместе, образуя крошечные капельки или кристаллы льда. Этот процесс называется конденсацией, и он происходит, когда теплый влажный воздух поднимается вверх и охлаждается, в результате чего водяной пар конденсируется в видимые капли воды. Для этого порция воздуха должна быть насыщенной, то есть неспособной удерживать всю содержащуюся в ней воду в форме пара, поэтому она начинает конденсироваться в жидкую или твердую форму.

Температура, при которой происходит конденсация, зависит от количества влаги в воздухе. Если воздух очень влажный, конденсация может произойти при более высокой температуре, чем если воздух сухой. Вот почему в жаркие и влажные дни вы часто видите, как образуются облака.

Конденсация происходит с помощью мельчайших частиц, плавающих в воздухе, таких как пыль, кристаллы соли из морских брызг, бактерии или даже вулканический пепел.

Сформировавшись, капли воды или кристаллы льда начинают увеличиваться в размерах, сталкиваясь друг с другом. В конце концов они становятся достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, и рождается облако.

Почему облака остаются на плаву

Облака состоят как из воздуха, так и из кристаллов воды, которые вместе должны быть плотнее воздуха. Тем не менее, кажется, что облака плывут, бросая вызов гравитации, хотя более плотные объекты должны тонуть. Более того, некоторые облака могут стать очень, очень тяжелыми. Облако скромных размеров, скажем, около одного километра в диаметре, имеет такую ​​же массу, как реактивный самолет B-747.

Но если это так, то почему не падают облака? Это потому, что технически они тонут в окружающем воздухе — просто они делают это с такой малой скоростью, что для всех практических намерений и целей они плавают.

Еще в 16 веке Галилео Галилей показал, что все объекты свободно падают с одинаковой скоростью независимо от их массы — но только в вакууме. В то время как сила тяжести давит на объект, заставляя его падать на свою поверхность, частицы воздуха, с которыми он сталкивается на пути вниз, также оказывают силу в противоположном направлении. Это известно как сопротивление воздуха или «лобовое сопротивление».

Сопротивление воздуха сильно зависит от формы объекта. Чем более обтекаемый объект, тем меньше сопротивление воздуха. Вот почему истребители максимально узкие. И наоборот, те же принципы объясняют, почему парашютист может безопасно приземлиться с помощью парашюта, который распределяет массу по большой площади поверхности. Поскольку облако раскинулось на большой площади, его сопротивление воздуха огромно.

Помимо сопротивления воздуха, существует еще одна сила, поддерживающая облака: конвекция воздуха, создающая восходящую силу.

Эта направленная вверх сила создается градиентами температуры и давления в атмосфере. Когда воздух поднимается вверх, он охлаждается, в результате чего водяной пар конденсируется в видимые капли или кристаллы льда. Это высвобождает тепло в окружающий воздух, из-за чего он становится теплее и менее плотным, чем воздух вокруг него. Этот теплый, менее плотный воздух поднимается вверх, создавая восходящую силу, которая помогает удерживать облако в воздухе, сводя на нет небольшую скорость падения облака. Более того, конденсация восходящего воздуха способствует выживанию и росту облака, добавляя новый водяной пар.

Таким образом, несмотря на то, что облака содержат много кристаллов и капель воды, технически более плотных, чем окружающий воздух, эта вода распространяется на многие мили так тонко, что эффект гравитации становится незначительным. Кроме того, при наличии мощного восходящего потока облако может сохранять высоту практически бесконечно, пока оно не рассеется из-за повышения температуры, смешивания облака с более сухим воздухом или когда весь воздушный фронт опустится вместе с облаком.

Теги: кучевые облакафизика

как облака остаются на небе?

Это статья из серии «Любопытные дети» для детей всех возрастов. The Conversation просит молодых людей присылать вопросы, на которые они хотели бы получить ответ от эксперта. Все вопросы приветствуются. Прокрутите вниз, чтобы увидеть, как войти.

Как облака держатся в небе? – Самсон, четыре года, Лондон, Великобритания.

Спасибо за вопрос, Самсон. Хотите верьте, хотите нет, но однажды я взвесил облако, и мало кто может сказать, что они это делали! Мои друзья-ученые и я взлетели в небо на гигантском дирижабле и прошли весь путь через пушистое белое облако. На самом деле там было очень влажно, потому что облака состоят из миллиардов мельчайших капелек воды.

Пролетая сквозь облако, мы использовали лазеры и другие специальные научные приборы, чтобы измерить размер облака и подсчитать, сколько в нем мельчайших капелек воды. Затем мы провели некоторые математические расчеты и обнаружили, что это облако, которое на самом деле было довольно маленьким для облака, весило четыре тонны. Это то же самое, что два слона! Итак, вы правы, удивляясь, как такая тяжелая вещь может оставаться в небе.

Эта головоломка состоит из трех частей, и первая из них — гравитация. Как и все на этой планете, крошечные капли, из которых состоит облако, притягиваются к Земле под действием силы тяжести. Но эти капельки настолько малы, что им трудно протолкнуться сквозь весь воздух под ними. Это означает, что они совсем не падают очень быстро — на самом деле всего около одного сантиметра в секунду. И любой ветер, дующий вверх, может унести капли обратно вверх.

Чтобы собрать вторую часть головоломки, нам нужно изучить химию; не слишком много, однако, как раз достаточно для нашей истории. Позвольте мне представить периодическую таблицу: карту всех элементов, о которых мы, люди, знаем. Элементы — это строительные блоки всех вещей — точно так же, как мельчайшие детали Lego, которые вы используете для создания более крупных и сложных объектов.

Таблица Менделеева организована таким образом, что самый легкий элемент каждой строки всегда находится слева. Водород — самый легкий из всех элементов, поэтому вы найдете его в левом верхнем углу. По мере продвижения по каждому ряду слева направо элементы становятся все тяжелее и тяжелее.

Щелкните здесь для увеличения интерактивной версии.

Сухой воздух в основном состоит из двух газов, азота и кислорода, а также небольшого количества аргона и небольших количеств других газов. Сейчас мы можем просто сосредоточиться на азоте и кислороде. Как видно из таблицы Менделеева, вес одного атома азота равен 14, а кислорода — почти 16.

Но ни атомы азота, ни кислорода не любят одиночества, поэтому они почти всегда идут парами — два атома в молекуле, как две горошины в стручке. Из-за этого молекула азота обычно весит 28, а молекула кислорода — 32.

Как только мы добавляем в воздух воду (H₂O), все становится интереснее. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Помните, что водород — самый легкий элемент? Ну, одна молекула воды весит всего 18. Так что на самом деле она легче, чем молекула азота или кислорода. Вот почему влажный воздух легче сухого.

Следующая часть головоломки — температура. Как правило, теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Когда вода в воздухе теплее, это, скорее всего, газ. Когда прохладнее, он предпочитает принимать жидкую форму, такую ​​как облачные капельки, дождь, град или снег.

По мере того, как теплый влажный воздух поднимается вверх, он становится все холоднее и холоднее. И по мере остывания образуется больше мельчайших капелек воды. Вы можете ожидать, что капли воды просто упадут в виде дождя, но вместо этого происходит что-то забавное. Вы знаете, как пот охлаждает нашу кожу, когда высыхает и превращается из жидкости в газ? Ну, а когда газ превращается в жидкость, происходит прямо противоположное: он фактически выделяет тепло.

Это означает, что облачные капельки теперь окружены тонким слоем теплого воздуха. А что делает теплый воздух? Он поднимается! Впрочем, не очень далеко, потому что по мере подъема воздух снова охлаждается.

Теперь наша головоломка решена: облака состоят из мельчайших капелек воды, на которые почти не действует гравитация, погруженные во влажный воздух, который легче сухого воздуха. И они окружены крошечными теплыми воздушными одеялами, которые поднимают их к небу. Вот как облака весом в миллиарды тонн могут держаться в небе.