Водность облаков

Водность облаков — масса твёрдо- и жидкофазной влаги, которая содержится в единичном объёме облачной среды. Различают абсолютную водность, которая приходится на единичный объём облака (г/м³) и удельную водность, которая соответствует единичной массе воздуха (г/кг)^[1][2]. Как правило, водность облачной среды зависит от многих параметров и не является константой даже внутри одного и того же облака^[3].

Формальное определение этого понятия эквивалентно термину «весовая концентрация» принятому в коллоидной химии, однако традиционная единица измерения водности на шесть порядков отличается от единицы измерения весовой концентрации^[4].

Как правило, для оценки водности облачной среды используются датчики с нагретой проволокой (датчики Невзорова)^[5][6].

Практическое значение этого параметра долгое время оставалось неопределённым, а методика его измерения отсутствовала. Впервые экспериментальная оценка водности атмосферы были произведена в 1851 году немецким натуралистом А. Шлагинтвейтом в горной местности в условиях плотного тумана. Эти измерения в течение долгого времени считались единственными, пока на рубеже веков не появились новые данные: в 1899 году немецкий исследователь В. Конрад провёл небольшое количество измерений водности облаков в Альпах. После Второй мировой войны информация о водности стала вызывать прикладной интерес в связи с задачами обледения авиатехники, изучением распространения УКВ радиоволн в облачной среде, появления методов воздействия на облака и т. п.^[4]

В Советском Союзе экспериментальное изучение водности облаков проводилось в основном коллективами Центральной аэрологической обсерватории и Главной геофизической обсерватории^[4]. Экспериментальные данные по водности кучевых облаков были впервые получены в 1946—1948 годах советским учёным В. А. Зайцевым с помощью специально созданного авиационного оснащения, которое включало в себя самолётный измеритель водности (СИВ)^[7].

Полная водность смешанного облака складывается из двух основных составляющих. Первое слагаемое — водность жидкой фазы, которая представляет собой содержание жидкой влаги в единице объёма воздуха. Вторая составляющая — водность твёрдой фазы, то есть полная масса кристаллического льда в единичном объёме. Этот параметр нередко называют лёдностью^[3].

Строгое определение водности жидкой фазы ${\displaystyle M}$ можно выразить в математическом виде как интеграл по единичному объёму облачной среды ${\displaystyle V}$^[8][3]:

${\displaystyle M={\frac {4}{3}}\pi \rho _{L}\iiint \limits _{V}\ r^{3}n(r)dr={\frac {4}{3}}\pi \rho _{L}\sum _{i=1}^{N}{r_{i}}^{3}}$

где:

${\displaystyle n(r)}$ — распределение частиц по размерам ${\displaystyle r}$,

${\displaystyle \rho _{L}}$ — плотность воды,

${\displaystyle r_{i}}$ — радиус ${\displaystyle i}$-й капли,

${\displaystyle N}$ — полное количество капель.

Верхняя граница величины ${\displaystyle M}$ примерно соответствует адиабатической водности, которая вычисляется на основе теории частицы^[9]. Адиабатическая водность зависит от давления и температуры на нижней границе облака и его высотой^[3].

В случае кристаллической облачности определение водности приобретает следующий вид^[3]:

${\displaystyle M=\sum _{i=1}^{N}{m_{i}}}$

где суммирование осуществляется по единичному объёму ${\displaystyle V}$, а ${\displaystyle m_{i}}$ является массой ${\displaystyle i}$-го кристалла льда.

Очень часто полученное значение называют лёдностью облачной среды^[3].

Зависимость водности от высоты и временная динамика определяются атмосферными процессами переноса тепловой энергии и влажности. Тем не менее известно, что водность облачной среды наиболее чувствительна к изменениям температуры воздуха и в среднем возрастает с ростом температуры. Также на неё существенное влияние оказывают скорость вертикального перемещения воздушных масс и интенсивность турбулентного обмена^[10].

Как правило, диапазон изменения водности облачной среды варьируется от тысячных долей г/м³ при низкой отрицательной температуре до нескольких десятых долей г/м³ при положительной температуре. В случае высоких температур окружающей среды и больших значениях вертикальной скорости водность может достигать нескольких г/м³, что характерно для кучево-дождевых облаков^[11]. В водяных облаках на кубометр воздуха проиходится от 0,1 до 0,3 грамма влаги, в кучевых облаках водность несколько выше и может изменяться от 0,7 г/м³ в нижней части до 1,8 г/м³ в верху, а в отдельных случаях подходя вплотную к 5,0 г/м^3[12].

Усреднённые значения водности для облаков разного типа в зависимости от сезона сведены в следующей таблице (г/м³)^[13]:

Водность определяет ослабление электромагнитного излучения (радиоволн и света), а также — видимость в облачной среде. Однозначного соотношения между видимостью и водностью не существует, однако приближенную эмпирическую закономерность можно представить следующим образом^[14]:

• Сколько воды в облаке?

• Облака и облачная атмосфера / И. П. Мазин, А. Х. Хргиан. — Л. : «Гидрометеоиздат», 1989. — ISBN 5-286-00185-0.
• Руководство по искусственному вызыванию осадков для охраны лесов от пожаров : РД 52.04.674-2006. — М. : Метеоагентство Росгидромета, 2006.
• Физика облаков / А. Х. Хргиан. — Л. : «Гидрометеорологическое издательство», 1961.
• Л. Т. Матвеев. Курс общей метеорологии : Физика атмосферы. — 2-е. — Л. : «Гидрометеоиздат», 1984. — УДК 551.51(075.8)^(G).
• Р. Р. Роджерс. Краткий курс физики облаков. — Л. : «Гидрометеоиздат», 1979. — УДК 551.576:53.01^(G).
• В. Д. Степаненко. Радиолокация в метеорологии : (Радиометеорология). — Л. : Гидрометеорологическое издательство, 1966. — УДК 551.5:621.396.96^(G).
• С. П. Хромов, Л. И. Мамонтова. Метеорологический словарь. — 3-e. — Л. : «Гидрометеоиздат», 1974. — УДК 551.5(03)^(G).
• С. П. Хромов, М. А. Петросянц. Метеорология и климатология. — 5-e. — М. : Издательство МГУ, 2001. — 528 с. — ББК 26.23. — УДК 551.5^(G). — ISBN 5-211-04499-1.
• A. V. Korolev, J. W. Strapp. The Nevzorov Airborne HotWire LWC – TWC Probe : Principle of Operation and Performance Characteristics : [англ.] // American Meteorological Society. — 1998. — Vol. 15 (December). — P. 1495–1510.