Дело пропавшей лужи: расследуем путь воды от земли до облака и обратно
Утром после дождя во дворе осталась большая лужа. Днём выглянуло солнце, а к вечеру лужа стала заметно меньше. На следующий день её вообще не оказалось.
Куда делась вода? Она ведь не могла просто исчезнуть.
Вот с этой пропавшей лужи и начнём наше расследование. Если проследить за водой шаг за шагом, мы поймём, почему идёт дождь, откуда он берётся и что должно произойти внутри облака, прежде чем первая капля полетит к земле.
Улика №1. Лужа не исчезла — вода стала невидимой
Часть воды с поверхности луж, рек, озёр, почвы и океанов постоянно испаряется. Это значит, что жидкая вода превращается в невидимый водяной пар и смешивается с воздухом.
Солнце ускоряет испарение, но вода испаряется и без яркого солнца. Кроме того, влагу в атмосферу отдают растения.
Так начинается путешествие будущего дождя. Но здесь важно не перепутать две вещи: водяной пар невидим. Белое облако, которое мы видим в небе, — уже не пар, а множество крошечных капелек воды и кристалликов льда.
Улика №2. Откуда берётся облако?
Представь порцию тёплого влажного воздуха, которая начинает подниматься вверх. Чем выше она поднимается, тем ниже становится давление, воздух расширяется и охлаждается.
Когда охлаждение становится достаточным, водяной пар начинает конденсироваться — превращаться обратно в мельчайшие капельки воды. Обычно им нужны крошечные «посадочные площадки»: частицы пыли, соли, дыма или другие микроскопические частицы в воздухе.
Из огромного числа таких капелек и получается облако.
Получается, вопрос «откуда берётся дождь?» начинается вовсе не с тучи. Сначала вода испаряется, затем влажный воздух поднимается и охлаждается, после чего в нём появляются облачные капельки.
Но если в облаке уже есть вода, почему дождь не начинается сразу?
Улика №3. Почему облако висит, а вода не падает?
Потому что облачные капельки невероятно малы. Они намного меньше обычной дождевой капли и могут долго оставаться взвешенными в движущемся воздухе.
Чтобы начался дождь, этим крошечным каплям надо вырасти.
В тёплых облаках большие капельки падают внутри облака чуть быстрее маленьких, сталкиваются с ними и сливаются. Этот процесс называется столкновением и слиянием, или коалесценцией. Капля постепенно растёт, встречая всё новые соседние капельки.
В холодных облаках важную роль могут играть кристаллики льда. Они растут, затем падают вниз и, если на пути к земле проходит через достаточно тёплый воздух, тают и превращаются в дождевые капли.
Улика №4. Как образуется дождь в облаках?
Теперь у нас есть весь механизм. Облачная капля растёт, становится всё тяжелее и наконец уже не может удерживаться восходящими потоками воздуха. Тогда она начинает падать.
Именно поэтому простой ответ на вопрос «как образуется дождь?» звучит так: крошечные капельки или кристаллы в облаке должны вырасти до размера, при котором они смогут выпасть из облака в виде осадков.
Но слово «тяжёлая» здесь не означает, что одна капля вдруг становится тяжёлой как камень. Она просто становится достаточно крупной, чтобы сила тяжести победила сопротивление воздуха и движения внутри облака.
Почему дождь идёт каплями?
Вода любит собираться вместе благодаря притяжению её молекул и поверхностному натяжению. Поэтому она образует отдельные капли.
Есть забавный сюрприз: настоящая дождевая капля вовсе не похожа на нарисованную слезу с острым хвостиком. Маленькие капли почти круглые. Более крупные при падении слегка сплющиваются снизу и становятся похожими скорее на булочку для гамбургера. А слишком крупные капли могут вообще распасться на несколько меньших.
Так что привычный значок дождя на картинках красивый, но природа рисует капли немного иначе.
Почему иногда моросит, а иногда льёт стеной?
Сильный дождь означает, что облачная система производит и выпускает очень много воды за короткое время. Для этого нужны большие запасы влаги и условия, при которых воздух активно поднимается и облака быстро развиваются.
Ливни часто связаны с мощными кучевыми и грозовыми облаками. Они могут быть очень локальными: над одной улицей льёт, а в нескольких километрах почти сухо.
Другой вариант — длительный дождь, связанный с атмосферным фронтом. Там воздух поднимается над большой территорией, образуются широкие облачные слои, и дождь может идти много часов.
Поэтому запрос «почему идут сильные дожди?» не имеет одного ответа для любой ситуации: важно, какое облако и какой атмосферный процесс принесли влагу.
Почему осенью дожди идут чаще?
В нашей части умеренных широт осенью солнце греет слабее, дни становятся короче, а через территорию чаще проходят циклоны и атмосферные фронты. Они приносят облачность и продолжительные осадки.
Но фраза «осенью всегда дождливо» — не закон природы. Погода сильно меняется от года к году и зависит от региона. Просто для многих мест осень действительно создаёт более благоприятные условия для частой облачной и фронтальной погоды.
Почему бывает дождь, а бывает снег?
Многое решает температура воздуха по пути осадков от облака до земли.
Высоко в облаке будущий дождь нередко может начинаться с ледяных кристаллов или снежинок. Если ниже воздух тёплый, они тают и долетают до нас дождём. Если весь путь остаётся достаточно холодным, выпадает снег.
Получается, дождь и снег — не два совершенно разных мира. Иногда это разные финалы одного и того же путешествия воды через атмосферу.
Миссия исследователя: поймай конденсацию
Возьми холодный стакан или банку из холодильника и поставь на стол. Через несколько минут на внешней стенке появятся капельки воды.
Откуда они взялись? Стакан не протекает. Водяной пар из окружающего воздуха встретился с холодной поверхностью, охладился и превратился в жидкие капельки.
Это не полноценное облако, но сам переход «водяной пар → жидкая вода» тот же, который играет важную роль при образовании облаков.
Миссия №2. Проследи судьбу лужи
После обычного дождя выбери безопасную лужу, которая не находится на дороге. Запомни или сфотографируй её границы. Посмотри на неё через несколько часов и на следующий день.
Что меняется быстрее: лужа в солнечном месте или в тени? Есть ли ветер? Стало ли прохладнее? Так можно увидеть начало круговорота воды не на схеме, а прямо во дворе.
Только не выходи ради наблюдения во время грозы или сильного ливня.
Дело закрыто: почему идёт дождь?
Мы начали с исчезнувшей лужи и вернулись к земле вместе с дождевой каплей.
Вода испаряется с поверхности Земли. Влажный воздух поднимается и охлаждается. Водяной пар конденсируется на микроскопических частицах, образуя облачные капельки. Внутри облака капельки и кристаллы растут. Когда они становятся достаточно крупными, чтобы выпасть из облака, начинаются осадки. Если вода достигает поверхности в жидком виде, мы называем это дождём.
А упав на землю, вода снова попадает в почву, реки, озёра и океаны — и всё расследование когда-нибудь начинается заново.
Коротко для школьного сообщения
- Вода испаряется с океанов, рек, озёр, почвы и других поверхностей.
- Водяной пар поднимается вместе с воздухом и при охлаждении конденсируется в маленькие капельки или кристаллы.
- Из множества таких частиц образуются облака.
- Облачные капельки сталкиваются, объединяются и растут; в холодных облаках важную роль играют кристаллы льда.
- Когда частицы становятся достаточно крупными, они выпадают из облака.
- Если осадки достигают земли в жидком состоянии, идёт дождь.
- Сильные и длительные дожди зависят от количества влаги и от того, как воздух поднимается в атмосфере.
Вопросы для обсуждения
- Почему облако не начинает сразу ронять всю содержащуюся в нём воду?
- Чем водяной пар отличается от видимого облака?
- Как из маленьких облачных капелек получается большая дождевая капля?
- Почему один дождь быстро заканчивается, а другой идёт часами?
- Почему дождь иногда начинается со льда высоко в облаке?
- Почему настоящая крупная дождевая капля не похожа на нарисованную слезу?
Источники
- NOAA NESDIS — What Makes It Rain?
- NOAA JetStream — Precipitation.
- NOAA NESDIS — What Is Humidity? / collision-coalescence.
- Met Office — Rain; The Water Cycle.
- U.S. Geological Survey — Precipitation and the Water Cycle; Are Raindrops Shaped Like Teardrops?