Типова хмара може містити сотні тонн води

У купчастій хмарі за ясної погоди може міститися близько 500 метричних тонн рідкої води, якщо її об’єм становить приблизно 1 км³. Ця оцінка ґрунтується на приблизно 0.5 g рідкої води на кубічний метр, помножених на весь об’єм хмари; оцінка ваги хмари Геологічної служби США (відкривається в новій вкладці) використовує подібний розрахунок.

Це звучить як ціла маса води, готової пролитися дощем. Але в оцінці йдеться про рідку воду, розсіяну у вигляді крихітних крапель, а не про водойму чи суцільну масу. Решту об’єму хмари займає повітря, і воно важливе для того, щоб краплі залишалися вгорі.

Спершу визначимо об’єм хмари

Верхівки хмар нерівні, основи пласкіші, а їхні краї розчиняються в чистому небі. Для приблизної оцінки уявімо купчасту хмару за ясної погоди завширшки близько 1 km, завглибшки 1 km і заввишки 1 km. Якщо вважати її кубом, об’єм становитиме приблизно 1 km³, або 1 мільярд m³. Посібник Національної метеорологічної служби США про хмари (відкривається в новій вкладці) пояснює, як хмари утворюються з вологого повітря, що підіймається.

Ця модель згладжує відмінності всередині хмари: в одних ділянках крапель більше, ніж в інших, а ледь помітні краї зливаються з навколишнім повітрям. Якщо застосувати середній вміст води до всього об’єму, розрахунок буде нескладним — і водночас це не означатиме, що вся хмара має однаковий вигляд чи містить однакову кількість води.

Відстань у 1 km легко уявити, порівнявши її з відомою спорудою. Бурдж-Халіфа сягає 828 m (2,720 ft); якби ця вежа стояла поруч із хмарою, її розрахункової ширини майже вистачило б, щоб дотягнутися від одного краю до іншого. Хмара розкинулася б широкою смугою в небі, а не височіла б над землею вежею.

Природні орієнтири допоможуть іще краще відчути масштаб. Дюна Біг-Дедді здіймається на 325 m (1,070 ft) — приблизно у 2.8 раза вище за Гіперіон, секвою заввишки 116 m (380 ft). Завдяки їхнім різним силуетам простіше порівняти кілометрову ширину хмари з висотами, які вимірюють від землі.

Помножимо об’єм на кількість води в ньому

За моделлю, у кожному кубічному метрі міститься приблизно 0.5 g рідкої води (відкривається в новій вкладці). Помножимо цю кількість на 1 мільярд m³ — об’єм хмари: 0.5 g/m³ × 1,000,000,000 m³ = 500,000,000 g. Це 500,000 kg, або приблизно 500 метричних тонн рідкої води.

Можна простежити за розрахунком і в інший спосіб: уявити, що хмару поділили на куби, кожен завдовжки 1 m з кожного боку. У кожному такому кубі лише пів грама води, зате в моделі їх 1 мільярд. Велика кількість крихітних порцій у величезному об’ємі дає значний загальний результат.

Це той самий базовий метод, який використовують у порадах з оцінювання: визначити об’єм, оцінити кількість чогось в одиниці цього об’єму, а потім перемножити. Результат показує лише оцінку кількості рідкої води. Повітря, що займає той самий простір, до неї не входить.

Хмара також містить величезну кількість повітря

Біля рівня моря кубічний метр повітря має масу близько 1.2 kg (відкривається в новій вкладці). Отже, у 1 мільярді m³ за цією моделлю містилося б близько 1.2 мільярда kg повітря, або 1.2 мільйона метричних тонн. Це приблизно у 2,400 разів більше за масу рідкої води в наведеній оцінці.

Краплі перемішані з повітрям, а не витісняють його. Як пояснює Геологічна служба США, вологе повітря також може мати меншу густину, ніж сухіше повітря довкола. Молекули водяної пари легші за молекули азоту й кисню, які вони витісняють, а різниця температур теж впливає на те, чи підіймається повітря, чи опускається.

Отже, хмару не підтримує якась прихована оболонка. Це ділянка атмосфери, де краплі води рухаються разом із повітряними потоками. Загальна маса води може бути великою, хоча кожна частина хмари залишається легким серпанком у набагато більшому об’ємі повітря.

Чому сотні тонн води не падають одразу

Типова хмарна крапля має близько 20 мікрометрів у поперечнику (відкривається в новій вкладці). Ширина людської волосини — приблизно 70 µm, тож кожна крапля набагато менша за знайому нам волосину. Гравітація тягне краплі вниз, але через їхній крихітний розмір опір повітря сповільнює падіння; висхідні потоки й турбулентність можуть утримувати їх у русі разом із повітрям.

Хмари утворюються, коли вологе повітря підіймається й охолоджується, через що вода конденсується в краплі. Там, де повітря рухається або стає сухішим, краплі випаровуються, і видимий край хмари розмивається. Яскрава виразна верхівка купчастої хмари й нерівні краї свідчать про зміни повітря та вологості, а не про незмінні обриси.

Коли краплі чи кристали льоду стають достатньо великими, вони можуть падати у вигляді дощу чи інших опадів. Цей процес відрізняється від підйомної сили, що діє на дирижаблі й повітряні кулі завдяки плавучості газу всередині оболонки. У хмари немає оболонки: її краплі рухаються разом із навколишнім повітрям.

Погляньте на купчасту хмару з землі: її біла верхівка виразно виділяється на тлі блакитного неба, а нерівний край тоншає, аж поки серпанок не зникає з поля зору.