Облака и их классификация

Первым вопросом, неизбежно возникающим при наблюдении О., является вопрос о приведении в известную систему чрезвычайно разнообразных и причудливых форм О. Попытка классификации О. принадлежит Л. Говарду, который в начале текущего столетия признал четыре их формы за основные и три за промежуточные. За основные он считал О. перистые (Cirrus по-латыни), кучевые (Cumulus), слоистые (Stratus) и дождевые, т. е. непосредственно изливающие дождь (Nimbu s); переходные - перисто-кучевые (Cirro-Cumulus), перисто-слоистые (Cirro-Stratus) и слоисто-кучевые (Cumulo-Stratus). Классификация Говарда быстро приобрела право гражданства в науке и практике наблюдений. Но наблюдения же показали и ее главнейший недостаток - широкую растяжимость некоторых типов Говарда и их недостаточную определенность: так одно и то же О., по Говарду, может быть отмечено и как слоистое (Stratus), и как дождевое (Nimbus), смотря по тому, шел ли из него дождь во время записи, или нет; затем переходные формы между основными наблюдаются в таком разнообразии и настолько отклоняются от определений Говарда, что наблюдатель часто крайне затруднен, к какому типу отнести О. Трудами многих ученых, из которых особенно в этом отношении выдаются Поэ, Кл. Лей, Эберкромби и Гильдебрандсон, - задавшихся целью изучить формы облаков в связи с их высотой в атмосфере и погодой, удалось подготовить достаточно надежный материал для новой лучшей классификации О. Большое количество фотографических снимков с О., собранное Гильдебрандсоном и вместе с Кеппеном и Неймайером систематизированное, послужило основанием новой классификации. Одобренная международным метеорологическим конгрессом в Париже в 1889 г., эта классификация, исходя из предложенных Говардом типов, остановилась на 10 подразделениях для различных форм О., которые и были воспроизведены в атласе, изданном в 1890 г. тремя названными учеными. В настоящее время эта классификация вошла уже в употребление в центральных метеорологических учреждениях Европы и распространяется все более и более и на обыкновенных метеорологических станциях. По классификации Гильдебрандсона, Кеппена и Неймайера все наблюдаемые формы облаков разделяются на две обширные категории: а) формы, состоящие из отдельных частей или округленных образований, более частые в сухое время; б) формы растянутые, имеющие вид пелены, преобладающие в дождливое время.

А. Высокие О. (в среднем около 9000 м. над. поверхностью Земли), а-1. Перистые (Cirrus). б-2. Перисто-слоистые (Cirro-Stratus).

В. О. средней высоты (между 3000 и 7000 м.). а-3. Перисто-кучевые (Cirro-Cumulus). а-4. Высокие кучевые (Alto-Cumulus). б-5. Высокие слоистые (Alto-Stratus).

С. Низкие О. (ниже 2000 м.). а-6. Слоисто-кучевые (Strato-Cumulus). б-7. Дождевые (Nimbus).

D. О. дневных восходящих потоков. а -8. Кучевые (Cumulus, вершина около 1800, основание - около 1400 м.). б-9. Грозовые (Cumulo-Nimbus, вершина 3000-8000, основание - 1400 м.).

Е. Поднявшийся туман (ниже 1000 м.).

10. Слоистые (Stratus).

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_514-4.jpg

ОБЛАКА I.

1. Перистые. 2. Перисто-кучевые. 3. Перисто-слоистые. 4. Высокие кучевые.

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_514-5.jpg

ОБЛАКА II.

5. Высокие слоистые. 6. То же. Слоисто-кучевые. 8. То же.

ОБЛАКА III.

9. Кучевые. 10. Грозовые. 11. Дождевые. 12. Слоистые

Отдельные формы облаков классификация определяет следующим образом. 1. Перистые (табл. I, фиг. 1) - раздельные, тонкие, нитеобразные О., часто имеющие вид бородки пера, обыкновенно белого цвета; иногда располагаются полосами, пересекающими небесный свод подобно меридианам и, благодаря перспективе, кажутся тогда сходящимися в одной или двух диаметрально противоположных точках горизонта (всего чаще юго-запад и северо-восток).

2. Перисто-слоистые (табл. I, фиг. 3) - тонкий, белесоватый покров, иногда почти незаметный и только придающий небу беловатый оттенок, иногда же ясно обнаруживающий нитевидное строение (как на фиг. 3). Эти О. обыкновенно служат причиной образования ярких белых кругов около солнца и луны. 3. Перисто-кучевые (табл. I, фиг. 2) - общеизвестные под названием "барашков". Это - небольшие комочки или лоскуточки О. белого цвета, почти без теней, располагающиеся обыкновенно полосами или группами. 4. Высокие кучевые (табл. I, фиг. 4) - крупные барашки. Это - комки или лоскутки О. больших размеров, белые или сероватые, с оттененными краями, располагающиеся большими группами. Отдельные лоскутки О. в середине группы имеют большую величину и более компактны, к краям же группы образуют более тонкие лоскутки. Часто они оказываются вытянутыми в ряды по одному или двум направлениям, а отдельные комки иногда представляются столь скученными, что края их накладываются друг на друга. 5. Высокие слоистые (табл. II, фиг. 5, 6) - плотный покров серого или беловатого цвета, вблизи солнца или луны образующий более светлую часть, сквозь которую виднеется бледный, слабосветящийся диск светила ("водянистое солнце"). Эти облака служат вместе с предыдущей формой причиной образования радужных венцов около солнца и луны. Фиг. 5 представляет форму переходную от высоких слоистых к следующей форме - слоисто-кучевым. 6) Слоисто-кучевые (табл. II, фиг. 7, 8) - большие валообразные массы темных О., часто, особенно зимой, покрывающих все небо и придающих ему вид поверхности, покрытой рядами крупных волн. Слой этих облаков не особенно толст и в промежутки между отдельными валами просвечивает иногда чистое небо. 7. Дождевые (табл. III, фиг. 11) - темные массы бесформенных облаков с разорванными, бахромчатыми краями, сопровождаемые обыкновенно продолжительными, обложными дождями или снегопадом. В промежутках между этими темными массами виднеется нередко слой лежащих над ними перисто-слоистых или высоких слоистых О. Иногда слой дождевых О. разрывается на отдельные небольшие хлопья, иногда же эти хлопья или обрывки плывут весьма низко внизу большого О.; в этом случае их принято называть разорванными дождевыми (Fracto-Nimbus). 8. Кучевые (табл. III, фиг. 9) - мощные массы О. с куполообразной вершиной, горизонтальным основанием и причудливыми боковыми контурами. Это - О., обязанные своим происхождением дневному восходящему потоку воздуха. Они представляются ярко-белыми, когда наблюдаются на стороне неба, противоположной солнцу, - с сильными тенями при боковом освещении, и темными, с ярко блестящими контурами, когда закрывают солнце. Разорванные сильным ветром ярко-белые клочья кучевых О. носят название Fracto-Cumulus. 9. Грозовые (таб. III, фиг. 10) - огромные груды О., нагроможденных в виде гор, башен и т. п., окруженные обыкновенно в верхней части ореолом нитеобразного строения (ложные перистые), а снизу массами темных О., напоминающих дождевые. Эти О. обыкновенно сопровождаются кратковременными, но сильными дождями (ливнями) и нередко грозами. 10. Слоистые (табл. III, фиг. 12) - поднявшийся ровным горизонтальным слоем туман, покрывающий небо однообразной серой пеленой.

Строение облаков

Между процессами, которым обязаны своим происхождением О., первенствующую роль, по Бецольду, играет процесс охлаждения влажных масс воздуха вследствие отдачи своего тепла более холодным: поверхности почвы или морской поверхности. Когда поверхность почвы или воды, благодаря лучеиспусканию, охладится в достаточной мере, то нередко приходится наблюдать, как она покрывается низким слоем легкого тумана (поземного на почве), держащегося непосредственно над ней. С образованием слоя тумана начинается лучеиспускание на его собственной поверхности; этим самым создаются условия, вызывающие дальнейшее нарастание тумана вверх. Таким образом, возникают вытянутые в горизонтальном направлении слои тумана от нескольких сантиметров до 1000 м. в толщину. При повышении температуры, благодаря солнечному нагреванию, слабые лучи солнца, проникая сквозь толщу тумана и, нагревая почву, могут заставить нижние его слои исчезнуть; в холодное время года, при свободной от снега поверхности почвы, ее собственная теплота может сделать то же. В таком случае туман отделяется от поверхности земли и дает начало образованию типичного слоистого О. (Stratu s). При смешении двух неодинаково нагретых масс воздуха, на поверхности соприкосновения которых, - т. е. именно в том слое, где образуются О., - могут возникнуть вихреобразные движения, длинные языки, вторгающиеся из одного слоя в другой, и т. п.; таким именно образом возникают самые разнообразные формы О. от тонких, нитевидных Cirrus'oв до таких плотных и однородных покровов как Stratus. Нередко образование О. происходит на границе двух горизонтальных воздушных потоков различных температур, движущихся или в неодинаковом направлении, или с неодинаковыми скоростями; в таком случае, как показал это Гельмгольц теоретически и как подтвердили наблюдения воздухоплавателей, на поверхности соприкосновения таких потоков должны возникнуть воздушные волны и образующиеся массы О. принимают вид покрытой волнами водной поверхности, причем размеры волн вполне зависят от скоростей смешивающихся потоков. Этим путем образуются формы О., имеющие правильное полосатое строение или правильную гребнеобразную форму, как то Cirrus (расположенные наподобие бородки пера), Cirro-Stratus, Cirro-Cumulus, Alto-Cumulus, Strato-Cumulus. Третий процесс, сопровождаемый образованием О. - это сильные восходящие потоки, вызываемые сильными местными нагреваниями различных точек земной поверхности. В этом случае, подымаясь вверх, теплый и плотный вблизи земной поверхности воздух начинает быстро расширяться; работа, затрачиваемая на расширение, совершается за счет теплоты подымающихся масс, которые вследствие этого быстро охлаждаются, заставляя при известной степени охлаждения содержимые ими водяные пары конденсироваться до образования О. Соответственно этим условиям возникновения все О. восходящих потоков имеют типичную куполообразную вершину при плоском горизонтальном основании - как Cumulus и Cumulo - Nimbus относится по преимуществу ''' ''' к О., образующимся на суше. Различные частные детали в наблюдаемых формах обыкновенно обусловлены побочными процессами, всегда сопровождающими образование О. Между О. восходящих потоков заслуживают внимания облачные массы, покрывающие нередко склоны высоких гор или окутывающие их вершины, часто в течение очень продолжительного времени оставаясь без всякой перемены. Этот тип О. представляет интерес в том отношении, что здесь идет обыкновенно непрерывный процесс образования на одной и непрерывный процесс распадения О. на другой его стороне. Таковы О. на южных склонах Альп во время фена. В этом случае теплый, влажный воздух, поднимаясь вверх по склонам гор, охлаждается и на некоторой высоте образуется О., которое быстро вырастает до вершины горы; здесь та часть его, которая начинает выдаваться над вершиной, подхватывается общим течением воздуха и быстро рассеивается, так что О. подняться выше вершины горы не может; на место же увлеченных ветром частей О., снизу быстро образуются все новые и новые массы тумана. При этих условиях О. имеет продолжительно сохраняющиеся размеры, хотя на самом деле здесь идет непрерывный процесс его образования. Условия возникновения перистых и перисто-слоистых О. еще недостаточно выяснены. Некоторые подробности о дождевых О. - см. Дождь.

Для образования О. необходим переход пара в капельножидкое состояние. Однако, теоретические изыскания Бецольда, основанные на опытах Айткена, показали, что этот переход есть явление весьма сложное. Весьма остроумными опытами Айткен констатировал, что одного охлаждения воздушных масс ниже температуры их насыщения водяными парами еще недостаточно, чтобы пар перешел в капельножидкое состояние: для этого необходимо присутствие хотя бы мельчайших твердых частиц, на которых и начинает собираться в капли конденсирующийся в жидкость пар. Когда воздух, переполненный водяными парами, совершенно чист, пары, даже перейдя через температуру насыщения, не обращаются, однако, в жидкость, оставаясь пересыщенными. Некоторые газообразные тела, как, например озон и азотистые соединения, также могут содействовать образованию водяных капелек. Что твердые тела действительно играют роль при образовании О., это можно видеть уже из наблюдений, установивших существование грязных дождей. Сухие туманы также показывают, что мелкие частицы пыли могут быть подымаемы достаточно высоко и переносятся на весьма большие расстояния. Наконец, известные зори, наблюдавшиеся вслед за извержением вулкана Кракатоа в 1883 г., показали присутствие мельчайших частиц выброшенной извержением пыли на весьма больших высотах. Все это объясняет возможность поднятия сильными ветрами микроскопически мелких частиц пыли весьма высоко в атмосферу и заставляет признать верность мнения Айткена и Бецольда о необходимости присутствия твердых частиц для образования О.

Высота облаков

По наблюдениям профессора Риггенбаха, высоты некоторых типов, например грозовых, меняются в еще большей степени; подобные О. наблюдались на высоте 8000 м., тогда как некоторые из них имели высоту всего 30 м. Толщина О. также чрезвычайно различна: в некоторых случаях она может достигать огромных размеров. Так, в одном случае грозовое О., наблюдаемое професором Риггенбахом с вершины Зёнтиса, имело основание на высоте 2800 м. над уровнем моря, а вершина его достигала 13000 м. Измерения Н. Экгольма показали также, что высота О. обнаруживает суточные колебания. Так, для высоты кучевых О. в Упсале были получены следующие средние цифры:

Подобные же наблюдения Феттина в Берлине показали изменения средней высоты О. в течение года.

Серебристые облака

Способы измерения высоты и скорости движения

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_513-1.jpg

Фиг. 1.

На боковой поверхности зеркальной крышки нанесены, соответственно радиусам, деления, а на самой коробке имеется индекс для правильного ориентирования прибора. В черной краске, покрывающей нижнюю сторону зеркала, сделано, по направлению радиуса, отмеченного буквой N, круглое отверстие А позволяющее при поворачивании зеркала видеть северный конец магнитной стрелки. Наконец, сбоку коробки прикреплен подвижной стержень с острием наверху, разделенный на миллиметры, который, посредством головки D и прикрепленной к ней шестерни, зубчаткой может быть установлен на любой высоте относительно зеркала. При наблюдении О., установив горизонтально нефоскоп по уровню и поставив радиус с отметкой N против индекса, поворачивают весь прибор около вертикальной оси, пока не увидят в отверстие А северный конец магнитной стрелки совпадающим с этим же радиусом. Отыскав затем изображение наблюдаемого О. в зеркале, вращают одну только зеркальную крышку прибора, подбирая при этом и соответственную высоту для острия С, пока не увидят, держа глаз возле С, изображение наблюдаемого О. в центре прибора: угол, на который придется повернуть при этом зеркало, даст азимут самого наблюдаемого О. Измеряя теперь время, в течение которого изображение О. переместится от центра зеркала до одного из начерченных на нем кругов, и отмечая радиус, по которому это перемещение происходит, получают из этих данных угловую скорость и действительное направление движения О. В самом деле, если найдено, что высота стержня АВ = h (см. фиг. 2), что радиус круга EDF на зеркале = ρ, и что от D до F изображение О. прошло в течение времени t, мы имеем tg MKN = tgx = ρ /h, так как AB = BC = MR = h и MN = DF = ρ; а в единицу времени О. переместится на угол θ, для которого tg θ = ρ /ht.

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_513-2.jpg

Фиг. 2.

Из чертежа видно, что при данном h угловая скорость О. будет одна и та же, по какому бы из радиусов DE = DF =... ни двигалось изображение, так как по построению очевидно, что для О. H расстояния HL и HG, на которые ему придется переместиться, чтобы его изображение из D передвинулось в Е или F, по подобию треугольников GCH и LCH, равно как и DCF и ECD, будут равны. Для наблюдений на кораблях нефоскоп помещают на особой подставке с Кардановым подвесом для зеркала (см. фиг. 3), а подвижный стержень с острием заменяют неподвижным стерженьком AB, по которому передвигается горизонтальная марка CD.

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_514-1.jpg

Фиг. 3.

Прибору придана более переносная форма, позволяющая к тому же, благодаря Карданову подвесу, производить наблюдение на корабле, подверженному качке. Для перехода от угловой скорости к действительной, линейной скорости движения О. надо определить достаточно точно высоту, на которой находится О., так как V = r∙ Н, где V - линейная, r - угловая скорости движения О. и H - его высота. Для этого пришлось прибегнуть к более точным измерительным приборам, - теодолитам и фотограмметрам; делая наблюдения ими одновременно из двух пунктов, получили возможность измерять высоту О. Представим себе, что на поверхности земли мы имеем два пункта T₁, и T₂ (см. фиг. 4), расстояние между которыми (не менее 1 км.) определено с достаточной точностью.

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_514-2.jpg

Фиг. 4.

Установив в этих пунктах угломерные инструменты и направив зрительные их трубы на одно и то же О. в точку N, определяем азимуты α ₁ и α ₂ и высоты β ₁ и β ₂, под которыми наблюдается О. Зная эти величины и расстояние между пунктами T₁ и T₂, не трудно по формулам тригонометрии определить и высоту h наблюдаемого О. над поверхностью земли. Для подобных наблюдений может служить любой теодолит с трубой, имеющей, при небольшом увеличении, достаточно большое поле зрения. Пункты T₁ и T₂ соединяются телефоном; наблюдатели, установив инструменты, уславливаются по телефону относительно наблюдаемого объекта и момента наблюдения и в назначенное время, направив трубы на выбранную точку определенного О., делают отсчеты углов α и β. Весьма несложным вычислением по найденным углам находятся h₁ и h₂ для обоих пунктов T₁ и Т ₂, средняя (h₁ + h₂)/ 2 будет истинная высота О. В теодолите, обыкновенно, в фокусе окуляра натягивается сетка из паутинных нитей; ориентировав правильно такую сетку и наблюдая моменты прохождения какой-нибудь точки О. через отдельные нити, не трудно определить как азимут движения О., так и угловую скорость последнего, а по ней и по высоте О. - и действительную скорость его движения. Еще удобнее для подобных измерений - фотограмметр, представляющий собою комбинацию фотографической камеры с угломерным инструментом (см. фиг. 5).

http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/006/b42_514-3.jpg

Фиг. 5.

Устройство прибора ясно из чертежа: на таком же штативе, как и в обыкновенном теодолите, помещается фотографическая камера с хорошим объективом, причем оптическая ось камеры совпадает с оптической осью трубы, помещенной сбоку. В части камеры, назначенной для фотографической пластинки, перед самой кассетой, в которую закладывается пластинка, натягивается сетка из взаимно перпендикулярных рядов тонких проволочек: иногда впрочем, ограничиваются только двумя перекрестными нитями. При помощи двух фотограмметров получают, как и с теодолитами, два снимка избранного О. с двух точно определенных пунктов; если при этом были измерены углы α ₁, α ₂, β ₁ и β ₂, вычислением легко получить высоту любой точки снятого О. Удобство фотограмметров по сравнению с теодолитами заключается в том, что несравненно легче выбрать общую точку и сделать измерение О. на фотограмметрическом снимке, нежели сойтись при переговорах по телефону на какой-либо строго определенной точке при теодолите. А затем, при фотограмметрическом способе в руках наблюдателя остается точный снимок изучаемого О., чего не может дать теодолит.

Литература