Ясность и мороз: who из who?

Если у вас есть глаза, вы наверняка замечали, что если завтра обещают аццкий холод, то денёк скорее всего будет ясный. Как, собственно, и наоборот: потепление приносит с собой тучки и влагу. Закрадывается мысль о том, что всё это неспроста…

Давайте разбираться, как это связаны эти события!

Чутка об атмосфере и её физике

Как мы знаем, наша атмосфера- это газ. А точнее- смесь газов, которая состоит из известных нам азота, кислорода и всяких других газов, а также (важно!) водяного пара.

Любое вещество является газом только при определённых условиях, а именно: при подходящих температуре и давлении. Причём оба этих условия должны выполняться одновременно!

Пример с водой

Мы привыкли, что обычная водица закипает и начинает превращаться в пар при 100 градусах Цельсия. А замерзает в ледышку при 0 градусов. Однако, вот какое дело: если вы решите заварить чаёчек на вершине Эвереста (8,8 км), то ваш чайник начнёт свистеть уже при 70 градусах! Есть и обратный пример: на уровне Мёртвого моря (минус 430 метров от уровня нормального моря :)) водичка нагреется аж до 101,5 градусов, прежде чем закипеть.

С этими величинами есть простой принцип: чем выше давление, тем больше нужна температура, чтобы вещество начало превращаться в газ (наоборот это тоже работает). Запомним этот принцип, он нам ещё пригодится.

Что же влияет на каждое из этих условий в атмосфере? С температурой всё просто, главный босс тут один:

Солнце щедро шлёт во все стороны лучи добра, которые несут в себе тонны энергии¹. Эти энергичные лучи неплохо поглощаются поверхностью нашей планеты, от чего поверхность нагревается и нагревает также воздух около неё.
А вот с давлением всё чутка сложнее. Молекулы нагретого воздуха начинают активно веселиться и расталкивать друг друга в стороны. От этого нагретый воздух становится менее плотным и выталкивается вверх менее подвижными собратьями. То бишь, давление в этом процессе скачет, как у гипертоника, что приводит к самым разным последствиям.

А чо там с облаками?

Облака это просто водяной пар из воздуха, который начал превращаться обратно в жидкую воду (по-умному- конденсироваться). Это происходит, когда температура начинает снижаться².

Самый простой пример облаков- это туман. Он чаще всего возникает после захода солнца, когда начинает холодать. Молекулы водяного пара становятся вялыми и хотят чутка отдохнуть, поэтому самые слабенькие начинают собираться вместе и переходить в жидкую форму- выпадает роса:

То же самое происходит и в небе. Причём, когда капли становятся достаточно большими и тяжёлыми, пушистое облачко превращается в тучу и выливает на наши головы всё нажитое непосильным трудом.

Давай уже про мороз и ясность!

И вот мы наконец подошли к разгадке нашей таинственной взаимосвязи! Рассмотрим такой пример: на улице +5, вы ещё только задумываетесь о смене резины на зимнюю, как вдруг в телике говорят: завтра ожидается похолодание до минус 10!

Пример, кстати, абсолютно реальный, поэтому отметим, что дело происходит в умеренных широтах. Какие же процессы происходят, и к какому результату они приведут?

Воздушные массы в атмосфере постоянно движутся по простому закону: из областей с более высоким давлением в области с более низким. В нашем случае умеренных широт наиболее высокое давление возникает в полярных широтах³: поднявшийся наверх тёплый воздух охлаждается там наиболее сильно, отчего он опускается вниз и образует у поверхности область повышенного давления:

Место, где воздух опускается, называется антициклоном⁴. Этот тяжёлый холодный воздух начинает двигаться в область с более низким давлением: от полюса к умеренным широтам. Образуется так называемый атмосферный фронт высокого давления, который движется вдоль поверхности Земли (как бы «растекается» от полюса).

При движении этот фронт поднимает более тёплый воздух вверх (как будто клином), отчего последний охлаждается и конденсируется в тучи. Именно поэтому прохождение фронта сопровождается мерзопакостной влажной погодой!

После того, как фронт прошёл, над нами устанавливается ядро антициклона. Здесь царит нисходящее движение. Воздух, «просевший» с высоты, по пути вниз сжимается под давлением вышележащих слоёв и из-за этого нагревается. В итоге над самой поверхностью (где лежит самый холодный, пришедший с севера воздух) образуется прослойка этого более тёплого, опустившегося воздуха. Получается этакий «слоёный пирог» с необычным распределением температур. Между верхним слоем атмосферы, куда был вытеснен наш тёплый воздух, и нижним, состоящим из холодного полярного воздуха, образуется ещё один средний слой на высоте 1-3 км:

Это самый вынос мозга: охлаждённый в верхнем слое воздух опускается и уплотняется, из-за чего начинает нагреваться! Так как он всё ещё теплее того воздуха, что у поверхности (пришедшего с полюса), то перемешивания не происходит, и получается эффект «пресса»: средний слой уплотняется из-за опускающегося сверху воздуха, его объём уменьшается, а температура увеличивается.

В результате образуется «слоёный пирог» с нетипичным распределением температур. Однако, эта конструкция⁵ устойчива и существует длительное время. И именно она рассеивает облака! Ведь в среднем тёплом слое температура выше и давление больше, чем было до начала движухи, а значит конденсация не происходит⁶!

А ответ-то какой???

Так всё же, что первично: мороз или солнце? Очень упрощая, можно сказать, что ответ- мороз. Именно холодный воздух начинает двигаться с полярных регионов в наши края, вытесняя и охлаждая наш тёплый воздух. Из-за этого образуется «слоёный пирог» и, как следствие, рассеиваются облака.

Однако, процессы в атмосферы невероятно сложны, и все описанные процессы очень сильно взаимосвязаны, из-за чего практически невозможно достоверно предсказать погоду даже на несколько дней вперёд. Даже в сильный мороз за окном может быть пасмурно, равно как и наоборот- и это не редкость.

Напоследок интересный факт. Самым достоверным показателем для прогнозирования погоды является давление:

• если оно растёт, значит приближается антициклон, а с ним перемена погоды (зимой- холода, летом- жара). Если растёт резко, значит через нас проходит передний фронт- ждите ветров;
• то же самое для снижения, только наоборот. И резкое снижение означает прохождение заднего фронта, но результат тот же- ветра и переменчивая погода;
• стабильное давление после резкого изменения означает, что мы в центре циклона (или антициклона), и нас ждёт спокойная погода.

1. Речь, канечна, об энергии электромагнитных волн, т.к. именно эти волны свободно путешествуют в космическом пространстве и достигают нашей Землюшечки. ↩︎
2. На самом деле, есть ещё одно важное условие: должна быть какая-то негазообразная поверхность, на которой будет происходить конденсация (её называют центром конденсации). Например, микрочастицы пыли. Без них пар так и останется паром даже при низкой температуре: это состояние называется переохлаждённым. ↩︎
3. Важно, что области высокого давления- это далеко не всегда холодные регионы. На планете есть зоны постоянного высокого давления в субтропиках, а высокое давление приполярных регионов касается только наших широт. ↩︎
4. Конечно, есть ещё и циклон, и оба эти понятия тоже связаны друг с другом! Но рассматривать это всё мы, конечно, не будем. ↩︎
5. По-научному это называется устойчивым стратифицированным состоянием. ↩︎
6. То же самое происходит на рассвете, когда выглянувшее солнце начинает нагревать воздух у поверхности, отчего утренний туман начинает рассеиваться. ↩︎