Формирование воздушной массы в нижних слоях тропосферы продолжается несколько суток (от 3 до 10). Чем Дольше время пребывания воздуха над одним и тем же районом, тем свойства воздушной массы выражены наиболее четко.
В зависимости от состояния погоды (количества облаков, скорости лотра и т. д.) в одном и том же очаге формирования воздушная масса может приобрести несколько иные характерна ческис значения метеорологических элементов.
Точно определить время сформирования воздушной массы не представляется возможным, так как, строго говоря, она формируется непрерывно.
Трансформация воздушной массы. При изменении интенсивности по направленности воздушных потоков в атмосфере воздушная масса покидает очаг своего формирования и движется в другие районы. В процессе перемещении она подвергается новым воздействиям окружающей среды и изменяет физические свойства. Изменение свойств воздушной массы с течением времени под воздействием атмосферной циркуляции и подстилающей поверхности называется трансформацией воздушной массы.
Воздушные массы проходя над морями и океанами, увлажняются, а над сушей высыхают, двигаясь в сторону тропиков нагреваются, и сторону полюса охлаждаются. Это необходимо учитывать для предсказания погоды. Важно знать, какая и откуда движется воздушная масса и как могут изменяться ее свойства, т. е. какие условия погоды можно ожидать. Для этого воздушные массы классифицированы по различным признакам. Кратко рассмотрим две классификации воздушных масс, а именно: термодинамическую (термическую) и географическую.
Термодинамическая (г е р м н ч е с к а я) классификация разделяет воздушные массы на три основных типа: холодные устойчивые и неустойчивые, теплые устойчивые и неустойчивые и местные (нейтральные) устойчивые и неустойчивые.
Холодной называется воздушная масса, которая перемещается из более холодного района в более теплый. Приход холодной воздушной массы обычно приводит к похолоданию в данном районе При этом она постепенно прогревается.
Теплой называется воздушная масса, которая перемещается из более теплого района В более холодный. Ее приход приводит к потеплению в данном районе, Эта воздушная масса постепенно, ото дня ко дню, охлаждается.
Местной называется воздушная масса, длительное время и находящаяся в одном и том же районе и сохраняющая свои основные свойства без существенных изменений. Такая масса может быть и относительно холодной и относительно теплой в зависимости от типа соседней воздушной массы и условии радиационного баланса.
Холодные, тёплые и местные воздушные массы по своему энергетическому состоянию могут быть устойчивыми и неустойчивыми.
Устойчивой называют воздушную массу, которая имеет в нижнем слое (от нескольких сот метров до нескольких километров) вертикальный градиент температуры gменьше влажноадиабатического Гs. При этих условиях ее нижние слои становятся настолько устойчивыми, что конвективные вертикальные движения не развиваются. В результате облака кучевых форм не образуются.
Устойчивое состояние воздушной массы типично для теплой массы, когда, перемещаясь на более холодную поверхность, она приносит потепление. Но в то же время сама воздушная масса охлаждается снизу, при этом создаются малые вертикальные градиенты (g<Гs).
Неустойчивой называется воздушная масса, имеющая верти кальны и градиент температуры у больше влажноадиабатического Гs. При этих условиях ее нижние слои настолько малоустойчивы, что возникающая конвекция (при достаточном запасе влаги в Воздушной массе) приводит к образованию облаков кучевых форм и даже выпадению осадков. Если воздух очень сухой (уровень Конденсации располагается на достаточно большой высоте), то образование облаков может и не происходить.
Обычно неустойчивое состояние воздушной массы типично для холодных масс, поступающих на теплую подстилающую поверхность. На пути движения такая воздушная масса постепенно прогревается снизу. Возникают большие вертикальные градиенты температуры (g>Гs).
В отличие от туманов облака, являясь также скоплением продуктов конденсации (или сублимации) водяного пара, образуются на некоторой высоте от подстилающей поверхности. Основная причина образования облаков — восходящее движение воздуха, которое приводит к его адиабатическому охлаждению.
В зависимости от строения облака делятся на три класса.
I. Водяные, состоящие только из капелек. Чисто капельное строение они могут сохранить и при отрицательных температурах до —15°, иногда и при более низких температурах. В летнее время з умеренных широтах образуются на высотах до 5—6 км.
II. Смешанные, состоящие из смеси переохлажденных капель ледяных кристаллов, наблюдаются обычно при температурах от —10 до —30°. В умеренных шпротах в теплое время года они находятся на высотах 5—8 км.
III. Ледяные — состоят только из ледяных кристаллов и обычно бывают на высотах выше 8 км.
Зимой смешанные и ледяные облака могут возникать вблизи земной поверхности.
Размеры капелек в облаках примерно такие же, как и в туманах, они настолько малы, что их вес не может преодолеть силу сопротивления воздуха и капельки свободно в нем плавают, увлекаясь любыми его движениями.
В зависимости от количества воды, содержащейся в облаке в жидком или твердом виде, определяется их водность. В водных облаках водность от 0,2 до 5 г воды на каждый кубический метр облачного воздуха. В ледяных облаках водность значительно меньше — сотые и тысячные доли грамма на 1 м3.
Облачность уменьшает освещенность, тем самым несколько ухудшает видимость и возможность опознавания удаленных объектов.
Особенно сильно снижается степень освещенности при наличии мощных кучево-дождевых облаков или низкой сплошной слоистой облачности.
Классификация облаков основана на их внешнем виде и состоит из 10 основных форм (родов) И двух дополнительных. Кроме того, облака разделяются по ярусам, в зависимости от высоты нижней границы.
Цветные фотографии самых распространенных форм облаков собраны в сокращенном Атласе облаков для судовых наблюдений (22 таблицы). Краткие характеристики основных форм, со ссылками на соответствующие таблицы этого Атласа, приводятся ниже.
Облака нижнего яруса. Слоисто-кучевые облака (Sc), если они расположены на небольшой высоте (0,3—0,5 км), обычно представляют собой сплошной слоистообразный серый покров с параллельными темными облачными валами и с более светлыми промежутками между ними. Это будут слоисто-кучевые плотные (Scopacus). Па высотах выше 0,6 км наблюдаются слоисто-кучевые просвечивающие (Sctranslucidus). Они также серого цвета, но обычно имеют форму галек, пластин, между которыми просвечивает небо, Это водяные облака.
Слоистые облака (St) представляют собой бесформенный, однородный серый покров, низко нависающий над морем или сушей.
Слоисто-дождевые облика (Ns) но внешнему виду напоминают слоистые, по более темного цвета; из них выпадают осадки, тогда как из слоистых облаков лишь иногда выпадает морось Слоисто-дождевые облака, как правило, сопровождаются разорванно-дождевых (Frnb).
Облака вертикального развития. Кучевые облака
(Сu) имеют вид отдельных ярко-белых куч с серыми основаниями,
между которыми видно голубое небо. У мощнокучевых облаков (Сucongestus) вершины достигают высоты 3—4 км и имеют округлую форму.
Кучево-дождевые (ливневые, или грозовые) облака (Сb) в отличие от мощнокучевых облаков вершинами достигают верхних слоев тропосферы и представляют собой мощные горообразные облачные нагромождения с ярко-белыми вершинами и очень темным основанием. Поскольку вершины облаков находятся в области очень низких температур, они обычно состоят только из ледяных кристаллов и приобретают форму распространяющихся в сторону от вершины метел, полое. В средней части облако имеет смешанную структуру.
Из хорошо развитых кучево-дождевых облаков, особенно с наковальней, летом выпадают сильные ливневые дожди, часто с грозой, а иногда с градом, зимой — густой хлопьеобразный снег. Перед началом выпадения осадков наблюдаются сильные шквалы.
Облака среднего яруса. Высококучевые облака (Ас) по внешнему виду напоминают слоисто-кучевые просвечивающие, по более светлого цвета, с очень небольшим затенением в центре пластин, галек, полос или хлопьев, которые по своим размерам значительно меньше, чем у слоисто-кучевых просвечивающих. Высококучевые облака бывают также плотными (часто в сочетании с высокослоистыми), чечевицеобразные, башенкообразные, хлопьевидные. Высококучевые облака обычно состоят из мелких переохлажденных капелек воды.
Высокослоистые облака (As) представляют собой ровный светло-серый или синеватый покров. Сквозь просвечивающие высокослоистые облака бывают видны расплывчатые диски Солнца или Луны. Состоят они либо из мелких переохлажденных капелек, либо из смеси капелек и ледяных кристаллов. Из них выпадают осадки, летом не достигающие земной поверхности. Зимой может выпадать мелкий снег.
Облака верхнего яруса. Перистые облака (Ci) — нежные белые волокна, часто в форме перьев или с загнутыми копнами (когтевидные). Эти облака, образовавшиеся из кучеводождевых облаков, более плотные и не имеют правильной формы.
Перисто-кучевые облика (Сс), или «барашки», имеют вид мелкой ряби, состоят ИЗ небольших хлопьев без теней. Обычно они наблюдаются, совместно с перистыми облаками.
Перисто-слоистые облика (Cs) — прозрачная белесая однородная пелена. Солнце и Луна сквозь них хорошо видны и от земных предметов образуют тень. При этих облаках вокруг Солнца и Луны образуется большой разноцветный круг - гало. Все облака верхнего яруса состоят из ледяных кристаллов.