Инженерная олимпиада 2024, 11 класс, задача 5
Летом часто наблюдается следующая структура кучевых облаков: все облака имеют плоскую нижнюю (обращенную к земле) поверхность (причем находящуюся на одной высоте у разных облаков) и «клубящуюся» верхнюю поверхность (см. фото). Объясните такую структуру облаков, опираясь на законы физики.
Ответ
Решение.
Поскольку воздух прозрачен для солнечного излучения, он нагревается только от поверхности земли, которая нагревается, поглощая солнечное излучение. В результате воздух вблизи поверхности земли расширяется, у него уменьшается плотность, и он «всплывает» (по закону Архимеда) в окружающем более холодном воздухе. Рассмотрим такую «всплывающую» порцию воздуха. Поскольку давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над поверхностью земли, то уменьшается и давление рассматриваемой порции воздуха. А так как обмениваться теплом с окружающим воздухом он не успевает, с ней происходит адиабатическое расширение с уменьшением температуры. В результате при определенной высоте над поверхностью земли температура «всплывающего» воздуха достигает точки росы и происходит конденсация пара в маленькие капельки воды - образуются облака. Таким образом, конденсация пара происходит при строго определенной высоте, а потому нижняя поверхность облаков - плоская. Естественно, граница конденсации зависит от влажности воздуха и температуры, поэтому в разные дни граница облаков может оказаться на разной высоте над землей.
При конденсации пара выделяется тепло, что приводит к небольшому повышению температуры окружающего воздуха, и, следовательно, внутри облака возникают восходящие потоки, которые поднимают сконденсировавшиеся капельки воды на разную высоту. Именно поэтому верхняя граница облаков - не резкая, а похожа на восходящие клубы тумана.