О механизме зарождении дождя стало известно всего несколько лет назад – Наука – Коммерсантъ

Аристофан, трактат «Облака» (перевод А. Пиотровского)

Сегодня никому не нужно доказывать, что пар поднимается наверх, что влажный воздух легче сухого и что наверху холодно. Зато мало кому известно, что, если охлаждать идеально чистый влажный воздух, то в нем влага очень долго не оседает. В природе, где идеальной чистоты нет, пересыщенность воздуха влагой не превышает 102%, а в камере Вильсона с тщательно профильтрованным воздухом можно достичь пересыщенности в 800%, прежде чем влага все-таки начнет оседать. Разгадка в том, что для конденсации каплям нужна какая-то твердая частица, например пылинка. Над большими городами это обычно крошечные частицы автомобильных шин, летающие на высоте несколько километров над землей. Чем больше город, тем больше над ним летает частиц резины, тем больше влаги на них может осесть и тем обильнее там будет дождь. Когда автомобилей не было, дожди все равно шли — но не в таких количествах и не в тех местах.

До появления шестиполосного хайвея от Голливуда до Лос-Анджелеса большая часть дождей выпадала у берега, поскольку туча от теплого моря подплывала к холодной суше и на границе температур проливалась. С появлением мегаполисов в Южной Калифорнии облака над городами стали засеваться резиновой пылью и проливаться дальше, чем раньше. В отличие от чистых облаков, в которых капель мало, но зато они большие и проливаются быстро, засеянные пылью облака содержат очень много мелких капель, и, чтобы вырасти и пролиться, им нужно время покрутиться в «центрифугах» облака и посталкиваться между собой. За это время они проплывают несколько километров. Проследить направление ветра и поставить мощную дымовую шашку неподалеку от полей и садов — это самый простой способ заставить дождь работать в странах, где вода на вес золота.

Дождь из центрифуги

Низкие облака (их еще называют теплыми) состоят из капель размером до 10 микрон. Под своим весом они медленно опускаются в нижнюю часть облака, но, не долетая до самого низа, испаряются из-за трения о воздух, и пар снова поднимается наверх.

Этот круговорот капель в облаке создает динамическое равновесие, поэтому облако не падает. Чтобы пролиться вниз дождем, этим капелькам нужно весить в сто раз больше. Но парадокс в том, что чем капля больше, тем медленнее она растет. Выросши до 10 микрон (сотая доля миллиметра), капли практически перестают расти. Если бы дождь шел оттого, что капли сами выросли за счет конденсации и под своей тяжестью стали падать, то облака терпеливо висели бы над землей целую неделю. В реальности от появления облака до дождя проходит час-полтора, а в тропиках и вовсе минут двадцать. В школе нас учили, что капли в облаке сливаются вместе и проливаются дождем. Но эксперименты европейских физиков показали, что слить вместе капли размером от 1 до 10 микрон практически невозможно. Потоки одинаковых по размеру капель плывут с одной и той же скоростью в одних направлениях и потому не смешиваются. Но даже если капли разного размера движутся навстречу друг другу, маленькая всегда обтекает большую. Ученые всего мира многие века не знали механизма зарождения дождя. Правда открылась всего несколько лет назад.

Ветер всегда дует вихрем, а не в каком-то направлении. Вихри создают в облаке центрифуги, которые крутят капли рывками в разных направлениях. Это называется турбулентностью. Турбулентность может быть опасна для самолетов, зато она совершенно необходима для дождей. Раскрученные до большой скорости капли вырываются из орбит своих центрифуг и сталкиваются, образуя крупные дождевые капли. К такому выводу пришли мы вместе с физиками-теоретиками Александром Фуксоном и Михаилом Степановым и опубликовали об этом статью в Nature. А в 2014 году небольшое, но полностью «идентичное натуральному» облако создали в физическом Институте Макса Планка, где наша теория подтвердилась экспериментально.

Пока в Германии проверяли наши расчеты, мы вместе с аспирантом МФТИ Сергеем Беланом предсказали возможность отрицательного турбофореза — явления, при котором частицы в турбулентном потоке движутся в невозможном с общепринятой точки зрения направлении. Другими словами, мы поправили самого Джеймса Максвелла, который утверждал, что движущиеся частицы всегда собираются в самом холодном месте, как, например, частички копоти на внутренней поверхности керосиновой лампы. Логика Максвелла была проста: чем выше температура, тем быстрее движутся частицы среды и быстрее толкают попавшую в них чужеродную частицу. Так, случайным образом они выталкивают ее туда, где скорость частиц среды меньше, то есть их температура ниже. В турбулентной среде это правило работает и без учета разности температур по тому же принципу, то есть частицы вылетают из турбины к ее краям. Но более крупные из них обладают своей инерцией и, оказалось, могут двигаться в центр турбины с ее краев. Это открытие хоть и усложнило микрофизические расчеты эволюции облака от его появления до наступления дождя, зато еще больше сблизило теорию и практику.

Девять уравнений на сантиметр

Метеорологи и сегодня считают физиков чудаками, а каких-то десять-двадцать лет назад они вообще не воспринимали их всерьез. Поэтому когда похожие идеи высказывал в 80-е годы ХХ века один американский физик-теоретик, метеорологи махнули на него рукой. А на рубеже столетий, спустя всего лишь 20 лет, эту идею и наши расчеты скопления дождевых капель в облаке на стыке вихрей уже не отбраковали так безоговорочно. Теперь метеорологи пытаются превратить их в свой рабочий инструмент. Физики смеются: «У них же на десятки километров облаков всего три численных параметра, а у нас на один кубический сантиметр девять уравнений в частных производных! Как эти данные вообще возможно совместить?»

Меня часто спрашивают, когда будет практическое применение моих расчетов. Использоваться в метеорологии они будут лет через 30-40. Уже появилось первое поколение метеорологов, которые понимают микрофизику. Еще несколько поколений, и они научатся ее использовать.

текст Григорий Фалькович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда No14-22-00259

Почему облака не падают на землю? Как вода может быть легче воздуха?

Это чужой компьютер Забыли пароль?

Главная
1. Наука и Техника
2. Естественные науки
3. Закрытый вопрос

1. Естественные науки
2. Закрытый вопрос

• Бизнес, Финансы
• Города и Страны
• Досуг, Развлечения
• Животные, Растения
• Здоровье, Красота, Медицина
• Знакомства, Любовь, Отношения
• Искусство и Культура
• Компьютеры, Интернет, Связь
• Кулинария, Рецепты
• Лингвистика
• Наука и Техника
• Гуманитарные науки
• Естественные науки
• Техника
• Образование
• Общество, Политика, СМИ
• Отдельная Категория
• Прочее
• Путешествия, Туризм
• Работа, Карьера
• Семья, Дом, Дети
• Спорт
• Стиль, Мода, Звезды
• Товары и Услуги
• Транспорт
• Философия, Психология
• Фотография, Видеосъемка
• Юридическая консультация

Юмор

Закрыт 5 лет

ХомяКотик

Хранитель Истины (451041)

Мы платим до 300 руб за каждую тысячу уникальных поисковых переходов на Ваш вопрос или ответ Подробнее

ЛУЧШИЙ ОТВЕТ ИЗ 2

abandoned

Мудрец (23238)

Вода — это жидкое состояние. Пар — газообразное. Пар восходящими потоками воздуха (при нагреве поверхности Земли) поднимается вверх. На вверху при при низких температурах он конденсируется в мельчайшие капли воды. Размеры их настолько малы, что они воспреимчивы даже к ударам молекул газов воздуха. Мельчайшая пыль в воздухе также долго не оседает, а приобретает хаотичное движение (Броуновское движение). Чтобы капли начали падать, они должны соединиться в более крупные (тяжелые капли), чтобы не быть уже воспреимчивыми ударам молекул и восходящему потоку воздуха. Соединившись они начинают падать вниз, что мы и называем дождем. Данное явление можно сравнить с образованием конденсата на потолке. Количество воды на потолке увеличивается, но сила притяжения воды к потолку пока больше, чем сила тяжести капель и капли продолжают расти. Как только сила тяжести стпнет больше, то капля отрывается от потолка и падает. В атмосфере удерживающими силами являются хаотичное движенин молекул и восходящие потоки воздуха.

ЕЩЕ ОТВЕТЫ

Седой

Наставник (73612)

Почему ПАР поднимается ВЕРХ из кастрюли ???

ПОХОЖИЕ ВОПРОСЫ

Почему в российских фильмах плачущей женщине всегда предлагают стакан с обычной водой.

И вот она делает глоток, и печаль как рукой снимает. Может, в стакане и не вода была, или не совсем простая вода?

Обычно чищенная картошка чернеет на воздухе, но не чернеет в воде. А теперь такая картошка продаётся, что чернеет даже в воде. Почему она чернеет? Может её есть нельзя?

Может все проще..Может всем на руку когда вода мутная ..в мутной то воде рыбу ловить легче ..?

Уважаемые знатоки. А вы не допускаете мысли, что и воздух может закончиться (ну, по вашей аналогии с водой)? Почему бы и нет? Или станет совершенно непригодным для жизни на Земле? Вам такое на рен-то ещё не показывали? Не пропустите, скоро покажут.

А есть ли еще форма воды? Может быть в глубинах земли?

Бог может освятить сразу всю воду на планете Земля что бы батюшкам было меньше работы?

Как правильно проращивать зёрнышки пшеницы в марле? Они что-то все завонялись и не растут. Может быть слишком много воды?

Почему плавать в солёной воде легче, чем в дистиллированной? и ещё… (+)

почему Бензин легче воды?

Как думаете, отключение горячей воды легче пережить в холодную или жаркую погоду?

гравитация — Почему водяные облака не падают при сильном ветре и отсутствии восходящего потока?

спросил 5 лет, 9 месяцев назад

Изменено 5 лет, 9 месяцев назад

Просмотрено 140 раз

$\begingroup$

Я вижу облака, движущиеся со скоростью, где нет восходящего потока, сохраняющие ту же высоту, в ветреную погоду… почему они не падают? Также я наблюдал облака, парящие в долинах, и стационарные облака над районами без восходящих потоков в ветреную погоду. Почему эти не двигаются? Большое спасибо

• сила тяжести
• вода
• плотность

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Во-первых, облако — это не такой объект, как снежок или капля дождя. Это группа микрокапель, которые образовались в области воздуха, где температура находится на уровне точки росы (температура, при которой воздух больше не может удерживать водяной пар) или ниже точки замерзания, и образовались микрокристаллы льда. Капли и кристаллы имеют такой размер, что отношение массы к площади настолько мало, что очень малые потоки воздуха будут удерживать их во взвешенном состоянии, как мелкую пыль. Там, где вы считаете, что нет восходящих потоков, на самом деле могут быть умеренные восходящие потоки влажного воздуха, постоянно освежающие облако.

Вам следует исследовать идеи аэрозолей и коллоидных суспензий, если вы хотите узнать больше о поведении очень маленьких частиц.

Большие кучевые облака, которые кажутся парящими и устойчивыми, на самом деле постоянно теряют и приобретают капли. Области вокруг облаков, которые «пусты», на самом деле могут иметь такое же присутствие водяного пара (или нет), но локальная температура выше точки росы, поэтому ни один из них не конденсируется. Если вы внимательно посмотрите на кучевые облака, то заметите, что их нижняя часть плоская. Это граница, когда температура падает до местной точки росы.

Когда дует ветер, но облака кажутся неподвижными, опять же это происходит потому, что облака образуются там, где локальная температура достаточно низкая. Вы не видите образования или испарения капель, потому что границы температурного диапазона не двигаются.

Движущиеся облака — это просто перенос капель или кристаллов льда вместе с холодным воздухом и окружающим водяным паром, что в первую очередь привело к их образованию, но опять же, облако постоянно меняется. Это не статическая сущность.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Из-за гравитации воздух сильнее сжимается на более низких высотах (поскольку воздух над ним находится поверх него). Это приводит к тому, что воздух у земли имеет трение движения, чем воздух над землей. Этот эффект называется градиентом ветра, и скорее всего вы видите то, что видите. Поскольку трение различно, воздух вверху будет замедляться меньше, чем воздух внизу. Так что, если вы наблюдаете почти полное отсутствие ветра рядом с собой, это не гарантирует, что воздух над вами движется с той же скоростью.

Если вы когда-нибудь пробовали запускать воздушного змея, то знаете об этом эффекте. Поднять змея в воздух сложно, но как только вы поднимете его достаточно высоко, он останется там навсегда!

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Почему облака плывут, а не падают на землю под действием силы тяжести?

Почему облака плывут? Этот вопрос когда-нибудь приходил вам в голову? Вы идете на прогулку и видите эти большие пушистые облака, парящие прямо над вашей головой. Несмотря на то, что среднее кучевое облако весит 1,1 миллиона фунтов, способны ли они бросить вызов законам гравитации?

Как именно им это удается? Итак, давайте узнаем кое-что об облаках и о том, как они работают.

Изображение: Zbynek Burival

Во-первых, облака полны воды, и на самом деле миллионы фунтов воды плавают над вашей головой. Но ждать…! Воздух легче воды, а вода не плавает. Чтобы понять, как это работает, нам нужно сначала понять, как образуются облака.

Облака состоят в основном из мелких капель воды, и когда становится достаточно холодно, они превращаются в кристаллы льда. Итак, подавляющее большинство облаков, которые мы видим каждый день, состоят из капель воды и/или кристаллов, которые слишком малы, чтобы гравитация могла на них повлиять. Из-за этого частицы продолжают плавать.

Чтобы лучше понять это, давайте рассмотрим пример. Попробуйте уронить перо и бейсбольный мяч. Все мы знаем, что бейсбольный мяч быстро упадет на землю, а перо будет постепенно всплывать на поверхность.

Изображение: Томаш Срока

Теперь сравните перо с пылинкой. Частице пыли потребуется гораздо больше времени, чем перу, чтобы достичь поверхности, поскольку даже малейшего движения воздуха достаточно, чтобы удержать частицу пыли во взвешенном состоянии.

Молекулы воды, образующие облака, имеют ту же тенденцию. По мере того, как они становятся тяжелее, они начинают опускаться. Однако, поскольку Земля постоянно нагревается Солнцем, теплый воздух поднимается вверх, потому что он расширяется и становится менее плотным.

Изображение: Джон Фаулер

Итак, столб теплого восходящего воздуха, который толкает вверх, соприкасается с мельчайшими частичками воды, которые под собственным весом пытаются упасть вниз и удержать их там.

Вот почему облака имеют плоское дно, так как это точка, где теплый воздух, поднимающийся вверх, и молекулы воды, движущиеся вниз, уравновешивают друг друга.

Когда насыщенный объем воздуха охлаждается или когда атмосферное давление падает, воздух больше не может удерживать молекулы воды. Таким образом, избыточное количество водяного пара переходит из газообразного состояния в жидкий или твердый лед.

Процесс перехода воды из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Когда вода меняет свое состояние на твердое, этот процесс называется отложением. Эти два процесса формируют облака.

Теперь, когда вы знаете, как образуются облака, мы подошли к следующему вопросу. Как идет дождь?

Изображение: NOAA

Дождь является важной частью круговорота воды. Дождь бывает и на других планетах нашей Солнечной системы, но он отличается от дождя, который мы наблюдаем здесь, на Земле.

Например, дождь на Венере состоит из серной кислоты, и из-за сильной жары он испаряется еще до того, как достигает поверхности! Дождь также позволяет нам производить электроэнергию с помощью гидроэнергетики.

Итак, как и почему идет дождь?

Дождь выпадает из облаков в небе в виде капель воды, это называется осадками. В облаке капли воды конденсируются друг на друге, заставляя капли расти.