ID: 00017606
Летом в ясную погоду над полями и лесами к середине дня часто образуются кучевые облака, нижняя кромка которых находится на одинаковой высоте. Объясните, опираясь на известные вам законы и закономерности, физические процессы, которые приводят к этому.
Источник: ФИПИ
Облако — это не пар (пар невидим), а уже сконденсировавшиеся капельки воды. Чтобы понять, почему их нижний край всюду на одной высоте, нужно проследить путь тёплого влажного воздуха снизу вверх и поймать момент, когда пар «не выдерживает» и превращается в туман.
Разберём цепочку.
1. Прогрев и подъём воздуха (конвекция). К середине дня Солнце сильно нагревает землю, а от земли — прилегающий слой воздуха. Тёплый воздух менее плотный, чем окружающий холодный, поэтому по закону Архимеда (выталкивающая сила) он всплывает вверх — возникают восходящие потоки, это конвекция. Вместе с воздухом наверх поднимается и содержащийся в нём водяной пар.
2. Охлаждение при подъёме. С высотой атмосферное давление падает. Поднимающийся воздух попадает в область меньшего давления и расширяется. Расширение происходит быстро и почти без теплообмена с окружением (адиабатно): газ совершает работу за счёт своей внутренней энергии, поэтому он охлаждается. Чем выше поднялся «пузырь» воздуха — тем он холоднее.
3. Достижение точки росы и конденсация. Пока воздух тёплый, пар в нём ненасыщенный и невидимый. Но давление насыщенного пара резко падает с понижением температуры. На некоторой высоте температура поднимающегося воздуха падает настолько, что имеющийся пар становится насыщенным — это и есть температура точки росы. Выше этого уровня излишек пара конденсируется в мельчайшие капельки воды — образуется видимое облако. Нижняя граница облака — это как раз тот уровень, где началась конденсация.
4. Почему кромка на одной высоте. У поверхности воздух над всей округой в ясный день имеет примерно одинаковую температуру и одинаковую влажность. Значит, и охлаждаться до точки росы он будет на одной и той же высоте. Поэтому конденсация у всех восходящих потоков начинается на одном уровне, и нижние кромки кучевых облаков выстраиваются по общей горизонтальной «полке».
Ответ. Нагретый влажный воздух поднимается конвекцией, расширяясь, охлаждается; на высоте, где температура достигает точки росы, пар становится насыщенным и конденсируется. Так как у земли воздух всюду одинаков по температуре и влажности, эта высота одна и та же — отсюда ровная нижняя кромка облаков.
Нагретый солнцем у земли влажный воздух поднимается вверх (конвекция) и расширяясь охлаждается. На некоторой высоте температура падает до точки росы — водяной пар становится насыщенным и конденсируется в капельки. Эта высота одинакова над всей местностью, поэтому нижняя кромка облаков лежит на одном уровне.