Typowa chmura może zawierać setki ton wody

Chmura kłębiasta przy dobrej pogodzie może zawierać około 500 ton metrycznych wody w stanie ciekłym, jeśli jej objętość wynosi mniej więcej 1 km³. Szacunek ten wynika z pomnożenia około 0.5 g wody w stanie ciekłym na metr sześcienny przez objętość chmury; szacunek masy chmury opracowany przez U.S. Geological Survey (otwiera się w nowej karcie) opiera się na podobnym obliczeniu.

Taka ilość brzmi jak woda gotowa, by spaść na ziemię. Szacunek obejmuje jednak wodę w stanie ciekłym rozproszoną w postaci drobnych kropelek, a nie kałużę czy zwartą masę. Resztę objętości chmury zajmuje powietrze, które ma znaczenie dla tego, dlaczego krople utrzymują się w powietrzu.

Najpierw oszacujmy objętość chmury

Chmury mają nierówne wierzchołki, bardziej płaskie podstawy, a ich brzegi stopniowo zanikają na tle czystego nieba. Aby uzyskać praktyczny szacunek, wyobraź sobie chmurę kłębiastą przy dobrej pogodzie o szerokości około 1 km, głębokości 1 km i wysokości 1 km. Przyjmując, że ma kształt sześcianu, otrzymujemy objętość około 1 km³, czyli 1 miliard m³. Przewodnik National Weather Service po chmurach (otwiera się w nowej karcie) wyjaśnia, jak z unoszącego się wilgotnego powietrza powstają chmury.

Ten model upraszcza różnice wewnątrz chmury: w niektórych jej częściach jest więcej kropelek niż w innych, a delikatne brzegi zlewają się z otaczającym powietrzem. Przyjęcie średniej zawartości wody dla całej objętości ułatwia obliczenia, nie oznaczając, że każda część chmury wygląda tak samo lub zawiera jej tyle samo.

Odległość 1 km łatwo sobie wyobrazić, porównując ją ze znanym punktem orientacyjnym. Burj Khalifa ma 828 m (2,720 ft); gdyby ustawić tę wieżę obok szacowanej szerokości chmury, nie sięgałaby całkiem od jednego jej krańca do drugiego. Chmura rozciąga się szerokim płatem nad głową — nie jest wieżą stojącą na ziemi.

Naturalne punkty orientacyjne dają inne wyobrażenie o skali. Wydma Big Daddy wznosi się na 325 m (1,070 ft), czyli około 2.8 raza wyżej niż Hyperion, sekwoja mierząca 116 m (380 ft). Ich odmienne sylwetki ułatwiają porównanie kilometrowej szerokości chmury z wysokościami mierzonymi od ziemi.

Pomnóż objętość przez ilość zawartej w niej wody

W modelu przyjmujemy około 0.5 g wody w stanie ciekłym (otwiera się w nowej karcie) na każdy metr sześcienny. Pomnóżmy tę ilość przez 1 miliard m³ objętości chmury: 0.5 g/m³ × 1,000,000,000 m³ = 500,000,000 g. To 500,000 kg, czyli około 500 ton metrycznych wody w stanie ciekłym.

Można też prześledzić obliczenie, wyobrażając sobie, że chmurę podzielono na sześciany o krawędziach długości 1 m. W każdym sześcianie znajduje się zaledwie pół grama wody, ale w modelu jest ich 1 miliard. Niewielka ilość powtarzająca się w ogromnej objętości daje duży wynik.

To ta sama podstawowa metoda, której używa się w wskazówkach dotyczących szacowania: wybierz objętość, oszacuj ilość zawartości w każdej jej jednostce, a następnie pomnóż te wartości. Wynik szacuje wyłącznie ilość wody w stanie ciekłym. Nie uwzględnia powietrza wypełniającego tę samą przestrzeń.

Chmura zawiera także ogromną ilość powietrza

Przy poziomie morza metr sześcienny powietrza ma masę około 1.2 kg (otwiera się w nowej karcie). W modelu 1 miliard m³ zawierałby więc około 1.2 miliarda kg powietrza, czyli 1.2 miliona ton metrycznych. To mniej więcej 2,400 razy więcej niż szacowana masa wody w stanie ciekłym.

Krople są wymieszane z powietrzem — nie zastępują go. Jak wyjaśnia U.S. Geological Survey, wilgotne powietrze może być również mniej gęste niż otaczające je suchsze powietrze. Para wodna jest lżejsza niż cząsteczki azotu i tlenu, które wypiera, a różnice temperatury także wpływają na to, czy powietrze się unosi, czy opada.

Chmurę nie podtrzymuje więc żadna ukryta powłoka. To obszar atmosfery, w którym krople wody unoszą się wraz z poruszającym się powietrzem. Łączna masa wody może być duża, choć każda część chmury pozostaje delikatną mgiełką w znacznie większej objętości powietrza.

Dlaczego setki ton wody nie spadają naraz

Typowa kropla chmurowa ma około 20 mikrometrów średnicy (otwiera się w nowej karcie). Ludzki włos ma około 70 µm szerokości, więc każda kropla jest znacznie mniejsza od dobrze znanego pasma. Grawitacja ciągnie krople w dół, ale ich niewielki rozmiar sprawia, że opór powietrza spowalnia ich opadanie; prądy wstępujące i turbulencje mogą utrzymywać je w ruchu wraz z powietrzem.

Chmury powstają, gdy wilgotne powietrze unosi się i ochładza, wskutek czego woda skrapla się w kropelki. Tam, gdzie powietrze się porusza lub wysycha, krople parują, a widoczny brzeg chmury zanika. Jasny, wyraźny wierzchołek chmury kłębiastej i jej postrzępiona krawędź świadczą o zmianach w ruchu powietrza i wilgotności, a nie o stałym kształcie.

Gdy krople lub kryształki lodu urosną wystarczająco, mogą spaść jako deszcz lub inny rodzaj opadu. To co innego niż unoszenie się sterowców i balonów, które zależy od siły wyporu wewnątrz powłoki. Chmura nie ma powłoki — jej krople przemieszczają się wraz z otaczającym je powietrzem.

Spójrz na chmurę kłębiastą z ziemi: jej biały wierzchołek odcina się od błękitnego nieba, a postrzępiony brzeg stopniowo się przerzedza, aż mgiełka znika z pola widzenia.