Звичайна купчаста хмара об’ємом близько одного кубічного кілометра містить приблизно 500 тонн води, але залишається в небі завдяки мікроскопічному розміру крапель і руху повітря.
Хмарна маса не лежить в атмосфері єдиним щільним шаром. Вода розподілена у величезному об’ємі повітря у вигляді найдрібніших крапель і кристалів льоду. Тому навіть важка грозова система може годинами розвиватися над землею, а потім частково випадати дощем, снігом або градом.
З чого складаються хмари
Хмари складаються не з водяної пари, хоча саме пара є початковим матеріалом для їх утворення. Водяна пара невидима. Білі, сірі й майже чорні ділянки неба стають помітними, коли вода переходить у рідкий або твердий стан і утворює безліч крапель чи кристалів льоду.
Конденсація зазвичай відбувається на мікроскопічних частинках солі, пилу, диму та інших аерозолях. Вони стають ядрами, навколо яких збираються молекули води.
Типова хмарна крапля має діаметр близько 20 мікрометрів, тоді як звичайна дощова крапля може досягати приблизно 2 міліметрів. Різниця становить близько ста разів за діаметром. Через малий розмір опір повітря сильно уповільнює падіння хмарних крапель, а слабкі висхідні потоки можуть утримувати їх у повітрі.
Усередині однієї хмари можуть одночасно перебувати:
- переохолоджені краплі рідкої води за температури нижче 0 °C;
- кристали льоду;
- краплі різного розміру;
- частинки пилу, морської солі, пилку та диму, на яких конденсується волога;
- повітря і невидима водяна пара.
Саме тому питання, яка вага у хмари, не має одного значення для всіх випадків. Маса залежить від типу, об’єму, температури та кількості рідкої води або льоду в кожному кубічному метрі.
Як утворюються хмари
Сонце нагріває океани, річки, озера, ґрунт і рослини. Вода випаровується та потрапляє в атмосферу у вигляді невидимої пари. Коли вологе повітря підіймається, тиск знижується, повітряна маса розширюється й охолоджується. Після досягнення точки роси частина пари конденсується на ядрах конденсації, утворюючи хмарні краплі.
Повітря підіймається з різних причин:
- Поверхня землі нагріває нижній шар атмосфери, і тепле повітря прямує вгору.
- Вітер зустрічає гірський схил і змушений набирати висоту.
- Тепла повітряна маса ковзає над холоднішою на атмосферному фронті.
- Повітряні потоки сходяться біля поверхні й витісняють один одного вгору.
Хмара постійно змінюється. В одній її частині нові краплі утворюються, в іншій випаровуються, а повітряні потоки переміщують вологу вгору, вниз і вбік. Це не суцільний предмет із чіткою оболонкою, а рухома ділянка атмосфери.
Чому ж вона не падає цілком? Окремі краплі справді повільно опускаються під дією сили тяжіння. Проте їхнє падіння компенсують опір повітря, турбулентність і висхідні потоки.
Коли краплі стикаються, об’єднуються та стають достатньо великими, повітря вже не може їх утримувати. Тоді починається дощ. Опади формуються після того, як краплі або льодяні частинки виростають до розміру, який дозволяє їм випадати з хмари.
Тим, кого цікавлять інші незвичайні явища за межами земної атмосфери, стане в пригоді цікава інформація про космос. Чимало процесів там також пояснюються поєднанням гравітації, температури, тиску та руху речовини.
Скільки може важити хмара
Хмари не ставлять на гігантські ваги. Відповідь на питання, як зважили хмару, пов’язана з розрахунками: вчені оцінюють її об’єм, визначають вміст рідкої води й льоду в одиниці об’єму, а потім перемножують ці значення.
Кілограми й тонни позначають масу, а фізична вага вимірюється в ньютонах. У повсякденній мові ці поняття часто вживають як рівнозначні.
Для наочного прикладу можна взяти купчасту хмару об’ємом 1 км³. В одному кубічному кілометрі міститься мільярд кубічних метрів. Якщо в кожному з них є близько 0,5 грама рідкої води, розрахунок матиме такий вигляд:
1 000 000 000 м³ × 0,5 г/м³ = 500 000 000 г = 500 000 кг = 500 тонн.
Саме тому на питання, скільки важить хмара в середньому, часто відповідають: близько 500 тонн. Йдеться не про всі хмари, а про умовну купчасту хмару об’ємом 1 км³.
Зрозуміти, скільки тонн важить хмара, можна лише після оцінювання її розмірів і водності. Маса невеликого плаского утворення може становити десятки або сотні кілограмів, а великої хмарної системи – тисячі чи мільйони тонн.
Наприклад, якщо умовна невелика хмара займає простір розміром 100 × 100 × 100 метрів і містить ті самі 0,5 грама води на кубічний метр, її маса становитиме близько 500 кілограмів. Тому відповідь на питання, скільки важить маленька хмара, залежить насамперед від того, що вважати маленьким: офіційної межі для такого визначення немає.
Фраза скільки важить середньостатистична хмара також потребує уточнення типу. Перисті хмари тонкі й містять мало льоду, шаруваті розтягуються на великі площі, а купчасті мають помітну вертикальну товщину. Усереднювати їх до одного числа некоректно.
У розмовній мові дощовою хмарою називають щільне темне утворення, пов’язане з опадами або грозою. Окремого метеорологічного типу з такою назвою немає, тому середня вага дощової хмари не визначається без даних про її об’єм і вміст води.
Особливо великою є маса потужних купчасто-дощових систем. За результатами радіолокаційних спостережень, водна маса сильних градових хмар може становити від 100 тисяч до 6 мільйонів тонн. Отже, вага грозової хмари здатна в тисячі разів перевищувати масу невеликої купчастої хмари.
Головна відповідь залишається простою: хмара може містити сотні тисяч кілограмів води й не падати цілком, тому що ця вода розподілена у величезному об’ємі повітря. Під дією гравітації випадає не вся система одразу, а лише краплі та кристали, які виросли до достатнього розміру. Решта вологи продовжує рухатися, конденсуватися й випаровуватися.
