В обычном облаке могут содержаться сотни тонн воды

В кучевом облаке в хорошую погоду может содержаться около 500 метрических тонн жидкой воды, если его объём составляет примерно 1 км³. Эта оценка основана на том, что на каждый кубический метр приходится около 0,5 г жидкой воды, умноженных на весь объём облака; оценка веса облака Геологической службы США (откроется в новой вкладке) использует похожий расчёт.

Звучит так, будто в небе висит масса воды, готовая пролиться вниз. Но в этой оценке учитывается жидкая вода, рассеянная в виде крошечных капель, а не бассейн или сплошная масса. Остальной объём облака занимает воздух, и он играет важную роль в том, почему капли остаются в воздухе.

Сначала определим объём облака

У облаков неровные верхушки, более плоское основание, а их края постепенно растворяются в чистом небе. Для приблизительной оценки представьте кучевое облако в хорошую погоду шириной около 1 км, глубиной 1 км и высотой 1 км. Если считать его кубом, получится объём около 1 км³, или 1 миллиарда м³. В путеводителе Национальной метеорологической службы США по облакам (откроется в новой вкладке) объясняется, как из поднимающегося влажного воздуха образуются облака.

Такая модель не учитывает различия внутри облака: в одних участках капель больше, чем в других, а его размытые края сливаются с окружающим воздухом. Если взять среднее содержание воды во всём объёме, расчёт будет проще — при этом мы не утверждаем, что каждая часть облака выглядит одинаково или содержит одинаковое количество воды.

Протяжённость в 1 км легко представить, если сравнить её с известной достопримечательностью. Высота Бурдж-Халифы — 828 м (2,720 ft); если поставить эту башню рядом с расчётной шириной облака, она не дотянется от одного края до другого. Облако простирается над головой широкой областью, а не стоит на земле подобно башне.

Природные ориентиры тоже помогают оценить масштаб. Дюна Биг-Дэдди возвышается на 325 м (1,070 ft) — примерно в 2,8 раза выше, чем Гиперион, секвойя высотой 116 м (380 ft). Благодаря разным силуэтам проще сопоставить ширину облака в километр с высотами объектов, измеряемыми от земли.

Умножаем объём на содержание воды

Согласно модели, на каждый кубический метр приходится около 0,5 г жидкой воды (откроется в новой вкладке). Умножим это количество на 1 миллиард м³ — объём облака: 0,5 г/м³ × 1,000,000,000 м³ = 500,000,000 г. Это 500,000 кг, или около 500 метрических тонн жидкой воды.

Можно проследить расчёт и по-другому: представить, что облако разделено на кубики с ребром 1 м. В каждом кубике всего полграмма воды, но в модели таких кубических метров 1 миллиард. Если небольшое количество повторяется в огромном объёме, в итоге получается большая величина.

Это тот же основной метод, который используется в советах по оценкам: выбрать объём, оценить, сколько чего-то содержится в каждой его единице, а затем умножить. В результате получается оценка только жидкой воды. Воздух, заполняющий то же пространство, в неё не входит.

В облаке также содержится огромное количество воздуха

Уровня моря плотность воздуха составляет около 1.2 kg (откроется в новой вкладке) на кубический метр. Значит, в 1 миллиарде м³ из нашей модели было бы около 1.2 миллиарда кг воздуха, или 1.2 миллиона метрических тонн. Это примерно в 2,400 раза больше расчётной массы жидкой воды.

Капли смешаны с воздухом, а не вытесняют его. Как объясняет Геологическая служба США, влажный воздух также может быть менее плотным, чем окружающий его сухой воздух. Молекулы водяного пара легче молекул азота и кислорода, которые они вытесняют, а разница температур тоже влияет на то, поднимается воздух или опускается.

Итак, облако не удерживается на высоте какой-то скрытой оболочкой. Это участок атмосферы, где капли воды переносятся движущимся воздухом. Общая масса воды может быть большой, но каждая часть облака остаётся лёгкой дымкой в огромном объёме воздуха.

Почему сотни тонн воды не падают разом

Диаметр типичной облачной капли составляет около 20 микрометров (откроется в новой вкладке). Ширина человеческого волоса — около 70 µm, поэтому каждая капля намного меньше привычной волосинки. Гравитация тянет капли вниз, но из-за их крошечного размера сопротивление воздуха замедляет их падение; восходящие потоки и турбулентность могут удерживать их в движущемся воздухе.

Облака образуются, когда влажный воздух поднимается и охлаждается, из-за чего вода конденсируется в капли. Там, где воздух движется или становится суше, капли испаряются, и видимый край облака исчезает. Яркая, чётко очерченная верхушка кучевого облака и его рваная граница показывают, что воздух и влажность меняются, а не образуют неподвижный контур.

Когда капли или ледяные частицы вырастают достаточно крупными, они могут выпасть в виде дождя или других осадков. Это отличается от подъёмной силы, действующей на дирижабли и воздушные шары: она зависит от плавучести газа внутри оболочки. У облака нет оболочки — его капли движутся вместе с окружающим воздухом.

Посмотрите на кучевое облако с земли: его белая верхушка выделяется на фоне голубого неба, а рваный край постепенно истончается, пока дымка не исчезнет из виду.