XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ОБЛАКА – НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННОЕ ЯВЛЕНИЕ ПРИРОДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В любое время года и в любое время суток мы можем наблюдать одно из наиболее распространенных явлений погоды - облака. Редкий день совсем обходится без них. Опытному наблюдателю облака подскажут многое: грядут ли перемены в погоде, прольется просто короткий послеполуденный грозовой летний ливень, или стоит ждать града и сильной грозы. Многие народные приметы, так или иначе, связаны с облаками. Давным-давно наши предки приметили: появились на небе перистые облака в западной части неба, а вокруг Луны или Солнца образовалось гало - жди ненастья. Кучевые облака после полудня приняли форму башен и гор, а в верхней части образовалась "наковальня" в виде перистых облаков - жди грозового ливня. В своем большинстве народные приметы, связанные с облаками, указывают на ухудшение погоды.
Небеса с незапамятных времен были источником восхищения человека. Облака – это то, что, в той или иной форме, на земле видели все. Они могут быть разных размеров, форм и цветов, а их различные образования изучаются метеорологами уже столетиями.
Однажды, гуляя по улице, мы увидели, как по небу плывут не похожие друг на друга облака. Их причудливые формы пробудили в нас воображение. Мы стали разглядывать облака и представлять в них зверей, лица людей и других предметов. И нас заинтересовали вопрос: « Что такое облака?» Как они образуются? Почему они такие разные?» Мы решили сами найти ответы на эти вопросы.
Таким образом, возникла идея создания проекта по теме «Облака – наиболее распространенное явление природы».
Цель исследования – исследование и выяснение особенностей облаков как природного явления.
Объект исследования: облака как природное явление.
Предмет исследования: образование облаков.
Основные задачи вытекают из поставленной цели и сводятся к следующему:
Задачи:
Изучить литературу по данной теме и исторические данные.
Выяснить особенности образования облаков и рассмотреть классификацию облаков по условиям образования и морфологии.
Провести эксперимент «Облако в бутылке».
Разработать учебное пособие «Облака: обычные и необычные».
В исследовании были использованы следующие методы:
- анализ литературы по изучаемой теме;
- наблюдение;
- эксперимент.
Поставив перед собой цель и определив задачи, мы составили план действий и распределили между собой обязанности (таблица 1). Результатом нашей работы явился этот проект.
Облака - взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые на небе невооруженным глазом и с поверхности Земли, и из космического пространства. В широком смысле облако - это скопление отдельных частиц в определённом объёме.
Облака состоят из мельчайших капель воды и/или кристаллов льда (называемых облачными элементами). Капельные облачные элементы наблюдаются при температуре воздуха в облаке выше −10 °C; от −10 до −15 °C облака имеют смешанный состав (капли и кристаллы), а при температуре в облаке ниже −15 °C - кристаллические.
При укрупнении облачных элементов в результате конденсации скорость их падения возрастает. Если скорость падения облачных элементов превысит скорость восходящего потока, они устремляются к поверхности земли и могут выпасть в виде осадков, если не успеют испариться по пути. Как правило, осадки выпадают из облаков, которые хотя бы в некотором слое имеют смешанный состав (кучево-дождевые, слоисто-дождевые, высоко-слоистые). Слабые моросящие осадки (в виде мороси, снежных зёрен или слабого мелкого снега) могут выпадать из однородных по составу облаков (капельных или кристаллических) - слоистых, слоисто-кучевых.
Облака играют ключевую роль в радиационном режиме Земли, формируя одновременно альбедный и парниковый эффекты и сглаживая суточные и сезонные колебания температуры на Земле [1, 2].
Красивые голубые и белые облака, скользящие по небу, ежедневно радуют наши глаза. С раннего возраста дети сначала очаровываются разнообразием форм облаков. А что это на самом деле это такое облака, и откуда они берутся? Из чего состоят облака? Облако – это не что иное, как пар, то есть миллионы кристаллов льда или воды, которые плавают в воздухе. Облака состоят из миллионов мелких капель воды или при очень низкой температуре, кристаллах льда. Эти крошечные капельки воды или льда остаются в воздухе в виде облаков (рис. 1).
Когда воздух постоянно охлаждается, в какой-то момент он становится так называемой «точкой росы», момент, в который происходит насыщение пара. Дальнейшее охлаждение воздуха вызывает насыщение и конденсацию, то есть перевод воды из газообразного состояния в жидкое состояние. Наконец, под воздействием конденсации образуются споры облачных капель (рис. 2).
Вода для испарения, которая находится в морях и океанах, нагревается солнечными лучами и, появляется большое количество пара, который, естественно, идёт вверх. Этот процесс называется испарением. Когда пар поднимается, он остывает и снова превращается в воду или лед. Явление, называемое конвекцией. Конвекция – это явление, ответственное за образование облаков. Эта связь описывается как зависимость, когда плотность испарения в воздух ниже, тем холоднее и плотнее становится воздух. Солнце, которое нагревает поверхность Земли, вызывает подъем теплого воздуха. Облако может образоваться, когда пар превращается в жидкость, то есть когда он влажный воздух охлаждается и пар конденсируется на мелкие твердые частицы. Образование облаков зависит от нескольких разных процессов. В правильных условиях воздух дает Земле влажность в виде осадков, падающих на поверхность: дождь, снег или град, а также оседающие осадки, такие как роса. Поверхностные воды, реки и ручьи переносят эту воду в моря и океаны, и весь цикл, называемый гидрологическим циклом, начинается снова.
Облака также возникают в результате смешения атмосферных фронтов (рис. 3.). Это происходит, когда теплый фронт встречает холод на своем пути. Он начинает подниматься, остывает, и образуются облака.
Обычно облака наблюдаются в тропосфере. Тропосферные облака подразделяются на виды, разновидности и по дополнительным признакам в соответствии с международной классификацией облаков. Изредка наблюдаются другие виды облаков: перламутровые облака (на высоте 20—25 км) и серебристые облака (на высоте 70—80 км).
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЛАКОВ ПО УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ
|
Тип |
Род |
|
Конвективные облака |
Кучевые (Cumulus, Cu) |
|
Волнистые облака |
Перисто-кучевые (Cirrocumulus, Cc) |
|
Облака восходящего скольжения |
Перистые (Cirrus, Ci) |
|
Облака турбулентного перемешивания |
Слоистые (Stratus, St) |
МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЛАКОВ
|
Семейства |
Род |
|
Облака верхнего яруса (в средних широтах высота — от 6 до 13 км) |
Перистые (Cirrus, Ci): основном неконвективный |
|
Облака среднего яруса (в средних широтах высота — от 2 до 6 км) |
Высококучевые (Altocumulus, Ac): ограниченный конвективный |
|
Облака нижнего яруса (в средних широтах высота — до 2 км) |
Слоисто-дождевые (Nimbostratus, Ns): неконвективные; толстые, нескольких ярусов.[3] |
|
Облака вертикального развития (облака конвекции) |
Кучевые (Cumulus, Cu): свободно конвективный |
Облака постоянно меняют цвет и форму, а также консистенцию. Для синоптических целей была создана постоянная классификация облаков. Они были разделены - в основном на основе внешнего вида, их разделяют на десять видов. В связи с тем, что все облака находятся между уровнем моря и землей, этот интервал высот также был разделен на три этажа, так что для каждого облака вы можете указать, на каком этаже или этажах оно расположено (рис. 4).
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Странное. Непонятное. Загадочное. Необыкновенное. Необъяснимое. Диковинное. Непостижимое. Чудесно. Богат набор слов, которыми мы отмечаем неведомое в природе. Безграничная в своих проявлениях, она не устает поставлять нам новое - то, что восхищает, удивляет, поражает наше воображение. И если человек не знает сути таких явлений, то это новое может представиться ему чем-то еще неизвестным, а таинственным. Человечество проделало большой путь познания неизвестного. Многое из того, что устрашало людей в прошлом, сейчас, обогащенные опытом и знанием, воспринимаем в естественном, природном облике. Однако и сегодня есть в мире то, чего мы еще не знаем, чему нет пока полного научного объяснения. В 6 классе мы знакомимся с атмосферой, в данном разделе изучается тема «Влага в атмосфере», где мы можем представить свою работу.
Проводить в школе опыты очень увлекательно. Мы почувствовали себя немного экспериментаторами, первооткрывателями, волшебниками.
Мы решили на уроке «Естествознания» провести эксперимент «Облако в бутылке».
Цель эксперимента: раскрыть суть образования облаков.
Ход эксперимента:
В прозрачную пластиковую бутылку налейте 1 столовая ложка спирта (можно заменить водой, но реакция будет проходить менее активно) (рис. 5). Покрутите бутылку, так чтобы спирт растекся по стенкам (рис. 6). Начните нагнетать насосом в бутылке воздух (рис. 7). Уберите насос, бутылка стала холодной, и в ней появится облако (рис. 8).
Вывод: Молекулы воды, испаряясь (спирт испаряется быстрее), витают в воздухе. В эксперименте «вода» испарялась со стенок. При увеличении давления в бутылке молекулы сталкиваются и сжимаются. При резком падении давления температура воздуха резко понижается. Это заставляет молекулы «воды» слипаться вместе или конденсироваться в воздухе в мелкие капли – облака.
Все разнообразие облаков существует благодаря одному и тому же процессу - конденсации невидимых глазу газообразных частиц воды (водяного пара) в атмосфере. В отличие от других газов водяной пар при понижении температуры может переходить в жидкое состояние (тогда он превратится в мельчайшие капельки воды) или в твердое (в таком случае из пара образуются снежинки или кристаллики льда). Этот процесс называется конденсацией. Маленькое рукотворное облако легко создать в домашних условиях: надо просто вскипятить чайник. Когда заструится пар, из него образуется комнатное облачко, которое отличается от настоящего только размерами.
Определение количества и формы облаков производятся визуально, без приборов. Точность наблюдений за облаками зависят от систематичности наблюдений за состоянием неба и его изменениями во времени. С помощью визуальных наблюдений можно определять не только количество и форму облаков, но и делать некоторые заключения об их микроструктуре, например, о наличии в них ледяных частиц.
Облака играют ключевую роль в прогнозах погоды и предупреждениях. Они вносят вклад в круговорот воды и всю климатическую систему. На протяжении всей истории, они вдохновляли художников, поэтов, музыкантов, фотографов и бесчисленное множество других энтузиастов.
Международный атлас облаков - самый авторитетный и всеобъемлющий справочник для идентификации облаков. Его репутация легендарна среди тех, кто увлечен облаками. Атлас был впервые опубликован в конце XIX века. Он содержит изображения облаков и некоторых других погодных явлений. После последнего пересмотра 30 лет назад полностью переработанное и дополненное издание Атласа было выпущено по случаю Всемирного метеорологического дня 23 марта 2017 г. Наша творческая группа шестиклассников в течение лета и осени собирали фотографии через интернет, и занималась сбором информации об облаках. Кроме этого нами были собраны собственные фотографии, которые мы сделали летом и осенью. Нами был создан школьный атлас облаков, который мы можем использовать на уроках географии (рис. 9
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучив собранный материал по данной теме исследования, мы пришли к следующим выводам:
Облака образуются из воды, испарившейся с суши и из океанов, которая возвращается назад в виде дождя и снега. Без осадков не было бы озер, рек, а соответственно и пресной воды, поскольку при испарении вода очищается – все растворенные в ней вещества остаются на поверхности океана или суши, и в атмосферу поступает только чистый водяной пар. Кроме того дожди и снег очищают загрязненный воздух, вымывая из него примеси, что особенно важно в больший городах.
Облака - тепловая машина атмосферы. Для климата очень важно то, что при образовании облаков выделяется очень большое количество энергии. При конденсации водяного пара, такое же количество энергии снова выделяется в окружающий воздух, нагревая его. Одно кучево-дождевое облако, имея огромную массу, за час выделяет больше тепла, чем ядерный взрыв средней мощности! Однако влага испаряется внизу, на поверхности земли, а конденсируется на больших высотах, поэтому облака выполняют очень важную работу, перенося излишек тепла снизу вверх.
В кучевом облаке воздух постоянно поднимается снизу вверх. Приблизительно за полчаса воздух в кучевом облаке целиком обновляется, проходя сквозь него и теряя часть водяного пара. В других облаках происходит то же самое, только гораздо медленнее, и воздух при этом не всегда движется снизу вверх. Так что облако – это скорее не постоянный объект, а процесс, причем все время меняющийся.
В теплый летний день интересно наблюдать за тем, как облака непрерывно перерождаются на глазах. Но на самом деле тот, кто смотрит на белую клочковатую массу на небе, следит не за одним и тем же объемом воздуха, а за воздушным потоком, который помог сконденсироваться водяному пару. Таким образом, облака представляют собой как бы гигантские агрегаты для извлечения водяного пара из воздуха.
Кроме этого мы выяснили с помощью литературы, что облака существуют и на других планетах. Помимо Земли, облака наблюдаются на всех планетах-гигантах, на Марсе, Венере, спутниках Титане и Тритоне. Внеземные облака имеют разную природу, например, на Венере наиболее мощный облачный слой состоит преимущественно из серной кислоты; облака Титана являются источником метановых дождей при температуре −180°С.
В целом цели и задачи проекта достигнуты, практическая часть связана с теоретической и направлена на решение исследуемой проблемы. В работе определены предложения по практическому использованию результатов (собранный материал, фотографии, поставленный эксперимент – все это можно использовать на уроках географии, естествознания, физики).
ЛИТЕРАТУРА
1. Александр Чернокульский. Климат как отражение облаков // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 70-77.
2. Кейт Марвел. Заоблачная головоломка // В мире науки. — 2018. — № 1-2. — С. 82-89.
3. Серебристым облакам уже более 130 лет // Петр Далин, Виталий Ромейко, Николай Перцев, Владимир Перминов. «Природа» №11, 2015 г
4. Облака // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
5. Довгалюк Ю. А. и др. 50 лет отделу физики облаков ГГО // Вопросы физики облаков: Сборник избранных статей. — СПб.: Астерион, 2008.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 1. Конденсация водяного пара
Рис. 2. Образование облаков
Рис. 3. Образование облаков в результате смешения атмосферных фронтов
Рис. 4 Классификация облаков
Рис. 5. В прозрачную пластиковую бутылку налейте 1 столовая ложка спирта.
Рис. 6. Покрутите бутылку, так чтобы спирт растекся по стенкам
Рис. 7. Начните нагнетать насосом в бутылке воздух
Рис. 8. Уберите насос, бутылка стала холодной. Откройте бутылку, и в ней появится облако.
Рис. 9. Школьный атлас облаков.