МКТ и термодинамика
Летом в ясную погоду над полями и лесами к середине дня часто образуются кучевые облака, нижняя кромка которых находится на одинаковой высоте. Объясните, опираясь на известные вам законы и закономерности, физические процессы, которые приводят к этому.
Решение
1) Нагрев поверхности и восходящие потоки. Солнечное излучение нагревает поверхность земли и растительность; при этом из почвы и растений испаряется влага. Нагретый воздух у поверхности становится легче холодного окружающего воздуха и начинает подниматься вверх за счет подъемной (выталкивающей) силы Архимеда. В результате формируются локальные восходящие потоки (конвективные потоки), несущие теплый влажный воздух вверх.
2) Адиабатическое расширение и охлаждение воздушной порции. По мере подъема давление окружающего воздуха уменьшается, поэтому подънимающийся воздушный поток расширяется и охлаждается. При идеализации поведение газа описывается уравнением Менделеева — Клапейрона pV=νRT, и для подъема без теплообмена с окружением процесс близок к адиабатическому, при котором температура падает быстрее, чем при изохорном нагреве. Вследствие понижения температуры пар в воздухе приближается к насыщению и относительная влажность растет.
3) Достигнута точка росы и образование конденсата. На некоторой высоте температура пакета воздуха достигает точки росы, то есть температура становится равной температуре, при которой пар при данном содержании влаги начинает конденсироваться. Тогда излишняя водяная пара конденсируется в мелкие капли — образуется туманный слой, видимый как нижняя кромка облака. Конденсация идет до тех пор, пока пакет воздуха остается насыщенным и поток продолжает подниматься.
4) Почему нижняя кромка на одинаковой высоте. Высота, на которой достигается точка росы для данных условий у поверхности (температура, влажность), определяется начальной температурой и влагосодержанием воздуха и скоростью адиабатического охлаждения; для большой площади (поля, леса) при ясной погоде эти начальные параметры изменяются сравнительно мало, поэтому высота, на которой пакеты воздуха достигают насыщения и начинается образование конденсата, оказывается близкой для разных восходящих потоков. Это и приводит к тому, что нижняя кромка кучевых облаков имеет почти одинаковую высоту над местностью.
Ответ: кучевые облака образуются потому, что нагретый влажный воздух поднимается, адиабатически охлаждается и на определенной высоте достигает точки росы; при достаточно однородных начальных условиях эта высота оказывается практически одинаковой над большой площадью, поэтому нижняя кромка облаков выравнивается.