Chmury

Formacja i źródła

Chmury powstają, gdy powietrze zawierające parę wodną schładza się do swojego punktu rosy i następuje kondensacja na cząsteczkach aerozolu, takich jak kurz, sól morska lub pyłki.

Wilgoć zasilająca chmury pochodzi z parowania na powierzchni i transpiracji przez rośliny; razem procesy te są często określane jako ewapotranspiracja.

Powietrze jest unoszone i chłodzone przez różne mechanizmy - konwekcję z ogrzewania powierzchniowego, unoszenie frontalne, gdy masy powietrza zderzają się, orograficzne unoszenie nad terenem i konwergencję na dużą skalę w systemach pogodowych - a każdy mechanizm ma tendencję do tworzenia różnych form chmur i struktur pionowych.

Chłodzenie radiacyjne powierzchni w nocy może również prowadzić do powstawania niskich chmur, podczas gdy lokalne źródła wilgoci, takie jak jeziora lub nawadniane pola, mogą powodować rozwój chmur w pobliżu.

Klasyfikacja i wygląd chmur

Meteorolodzy klasyfikują chmury głównie według ich wysokości i podstawowej formy. Szerokie grupy wysokości to chmury wysokie, średnie i niskie, a także osobna kategoria dla chmur o silnym rozwoju pionowym:

• Chmury wysokie: cirrus, cirrostratus i cirrocumulus; składają się głównie z kryształków lodu i są cienkie lub mgliste.
• Chmury średnie: altostratus i altocumulus; znajdują się pomiędzy warstwami wysokimi i niskimi i często sygnalizują zmieniającą się pogodę.
• Niskie chmury: stratus, stratocumulus i nimbostratus; są one zdominowane przez kropelki wody i zwykle powodują zachmurzenie nieba i lekkie lub umiarkowane opady.
• Chmury rozwijające się pionowo: cumulus i cumulonimbus; są to chmury o różnym stopniu rozwoju - od pogodnego obrzmienia po potężne kowadła burzowe, które wytwarzają ulewne deszcze, błyskawice i silne wiatry.

Nazwy chmur mogą być łączone w celu opisania mieszanych cech (na przykład nimbostratus dla gęstych, deszczowych chmur warstwowych), a ich wygląd zmienia się w zależności od oświetlenia, tła nieba i zawartości wilgoci.

Mikrofizyka chmur i procesy opadowe

W chmurze drobne kropelki i kryształki lodu nieustannie na siebie oddziałują. Kropelki rosną poprzez kondensację oraz poprzez zderzanie się i koalescencję z innymi kropelkami; w ciepłych chmurach ten proces kolizji i koalescencji może powodować powstawanie kropel deszczu.

W chmurach o fazie mieszanej, w których współistnieją lód i przechłodzona woda, proces Bergerona powoduje wzrost kryształków lodu kosztem kropelek wody, co często prowadzi do powstania śniegu lub lodu, który następnie topi się w deszcz pod cieplejszymi warstwami.

Stężenie aerozoli, rozkład wielkości kropelek i obecność jąder lodu wpływają na to, czy chmura wytwarza mżawkę, stały deszcz, śnieg, czy w ogóle nie powoduje opadów. Profil temperatury, ruchy pionowe i grubość chmury określają dominującą ścieżkę mikrofizyczną.

Cykl życia i dynamika

Chmury mają cykl życia: inicjacja, wzrost, dojrzałość i rozpraszanie. Chmury konwekcyjne zależą od wypór; jeśli wypór jest silny i trwały, chmury budują się pionowo i mogą powodować opady i turbulencje.

Porywanie, czyli mieszanie otaczającego suchego powietrza z chmurą, może ograniczać wzrost i sprzyjać parowaniu i rozkładowi.

Pokłady chmur frontowych i warstwowych są bardziej zależne od wielkoskalowego unoszenia i konwergencji wilgoci i często utrzymują się dłużej w danym regionie. Czynniki lokalne, takie jak ogrzewanie powierzchniowe, topografia i wilgotność, kształtują długość życia chmur i ich ewolucję.

Rola w pogodzie i klimacie

Chmury mają kluczowe znaczenie zarówno dla krótkoterminowej pogody, jak i długoterminowego klimatu.

Odbijając światło słoneczne, chmury zwiększają albedo planety i wywierają wpływ chłodzący; pochłaniając i ponownie wypromieniowując energię podczerwoną z powierzchni, wywierają wpływ ocieplający.

To, czy dana warstwa chmur ma efekt ocieplenia czy ochłodzenia netto, zależy od jej wysokości, grubości, fazy cząsteczkowej i pory dnia. Niskie, grube chmury mają tendencję do chłodzenia powierzchni poprzez odbijanie światła słonecznego, podczas gdy wysokie, cienkie chmury mają tendencję do ogrzewania poprzez zatrzymywanie promieniowania wychodzącego.

Ponieważ sprzężenia zwrotne chmur wzmacniają lub tłumią zmiany temperatury, są one głównym źródłem niepewności w prognozach klimatycznych.

Obserwacja i pomiary

Chmury są obserwowane w wielu skalach i za pomocą wielu instrumentów.

Przeszkoleni obserwatorzy opisują rodzaj i pokrycie chmur z ziemi; ceilometry szacują wysokość podstawy chmur; radiosondy mierzą pionowe profile temperatury i wilgotności, które wskazują, gdzie mogą tworzyć się chmury; radar pogod owy wykrywa hydrometeory i strukturę opadów; a satelity zapewniają szerokie pokrycie kanałami widzialnymi, podczerwonymi i mikrofalowymi, które ujawniają wysokość, fazę i ruch wierzchołków chmur.

Lidar i zaawansowane czujniki zdalne mogą profilować cienkie chmury i warstwy aerozolu, które są trudne do zobaczenia za pomocą konwencjonalnych instrumentów.

Numeryczne modele pogodowe wykorzystują te obserwacje do inicjowania prognoz i reprezentowania procesów zachmurzenia, chociaż parametryzacja chmur w skali siatki modelu pozostaje wyzwaniem.

Praktyczne skutki i zastosowania

Chmury wpływają na wiele ludzkich działań i branż.

W lotnictwie wpływają na widoczność, turbulencje i ryzyko oblodzenia; w przypadku energii słonecznej modulują moc fotowoltaiczną i niepewność prognoz; w rolnictwie chmury zmieniają ewapotranspirację, zacienienie oraz czas i ilość opadów; w zarządzaniu zasobami wodnymi wzorce opadów w chmurach określają napływy do zbiorników i ryzyko powodzi.

Obserwacje chmur mają również kluczowe znaczenie dla oceny jakości powietrza, planowania imprez plenerowych i reagowania kryzysowego podczas silnych burz.