XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Такие воздушные и пушистые облака
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность выбранной мною темы в том, что нет ни одного человека, который бы хоть раз в жизни не наблюдал за облаками, и не задавался вопросом из чего же состоят облака, как они образуются, и почему приобретают разную форму.
Облака – это, самое замечательное, что придумала природа.
Безветренный день, не шелохнётся ни один листочек, a облака высоко в небе почему-то не стоят на месте, а плывут. Почему? Ведь ветра нет, почему облака плывут?
Именно это наблюдение заставило меня взяться за данную исследовательскую работу.
Вопросом «Что такое облако?» люди задавались ещё в те далёкие времена, когда по небу летали только птицы и сами облака. Википедия тогда ещё не существовала, да и «Детской энциклопедии» ещё никто не придумал, и не издал. Поэтому что только не придумывали некоторые фантазёры, чтобы объяснить это явление природы.
Из-за того, что снизу облака кажутся такими мягкими и пушистыми, было время, когда люди думали, что они состоят из пуха.
Встречались и более забавные предположения о том, из чего сделаны эти небесные образования. Говорили даже, что строительным материалом белых громадин, плывущих по небу, является сладкая вата.
Конечно же, это выдумки. Из чего состоит облако, учёные узнали в конце XVIII века. Произошло это, когда человечество нашло способ подняться в небо. Тогда-то и удалось ответить на вопрос: из чего состоит облако? Выяснилось, что кажущиеся снизу белыми и плотными облака – это на самом деле обычный туман. Так что прогулки в туманную погоду представляют собой путешествие сквозь облако.
В те же годы люди узнали из чего состоят тучи. Ведь до этого их природу объясняли тоже по-разному.
Интересный факт: облака кажутся легкими и «воздушными», однако в действительности вес крупного облака – около 1 тонны[6].
Я действительно так считала, пока не начала более подробно изучать облака. Еще одной загадкой про облака для меня остается - это цвет.
Если облака состоят из капель, почему они белые? Оказывается, потому что облачные элементы отражают свет: кристаллы и капли блестят в лучах солнца. И чем меньше элементы по размеру и чем их больше по количеству, тем белее облако.
Еще не мало важный вопрос можно ли, посмотрев на небо определить какая нас ждет погода?
Конечно, чтобы узнать погоду на ближайшее время, можно посмотреть прогноз в интернете или по телевизору, но и метеорологи, бывает, ошибаются. Поэтому необходимо и этот вопрос рассмотреть подробнее [7].
Гипотеза: -Я предполагаю, что облака образуются из воды, а на их форму возможно влияют различные условия, а значит можно предсказать погоду.
Цель исследования: изучение природы облаков и выявление причин, которые влияют на перемещение облаков в пространстве.
Задачи:
1.Изучить природу образования облаков;
2.Определить виды и формы облаков;
3. Изучить отличия облаков от туч;
4. Выяснить как по облакам предсказать погоду;
5. Провести опыт: можно ли в домашних условиях получить облако.
Метод исследования: аналитический, описательный, практический, сравнение, эксперимент.
Объект исследования: облака
Предмет исследования: происхождение облаков, виды и причины их движения.
Природа образования облаков
Массы переносимого водяного пара по воздуху – это облака.
Их можно увидеть, как с поверхности Земли, так и из космоса. Отличаются по составу, высоте образования, размеру, форме и другим параметрам. Они играют важную роль в процессах перераспределения влаги на Земле. В зависимости от состава облака делятся на 3 группы:
Водяные – полностью состоят из капель воды (выше -10 ℃).При минусовых температурах капли переохлаждаются.
Ледяные или кристаллические – полностью состоят из ледяных кристаллов (ниже -15 ℃).
Смешанные – смесь ледяных кристаллов и капель воды (от -10 до -15 ℃). Капли воды и кристаллы называются облачными элементами[6].
В любой момент времени около 50% земной поверхности закрывают облака. Облака так же являются частью «круговорота воды в природе» — процесса, который обеспечивает пресной водой все живое на Земле.
Практически не образуются новые запасы воды. В прошлом миллионы раз уже выпадал тот дождь, который идет сегодня. Миллионы литров воды «испаряются», когда Солнце нагревает озера и моря, вода, в виде невидимого пара поднимается в воздух.
Сливаясь вместе, капельки воды становятся все тяжелее и тяжелее. В холодном воздухе капельки воды превращаются в кристаллики льда или снежинки. Когда воды в туче слишком много, она падает на поверхность Земли в виде дождя, снега или града(в зависимости от температуры слоя воздуха, через который проходят капельки воды при падении).
Процесс образования облака начинается с того, что некоторая воздушная масса поднимается вверх. Что заставляет воздух подниматься вверх? Отметим четыре причины восходящего движения воздушных масс. Первая причина — конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передаёт тепло приземным массам воздуха — и начинается их подъём. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно конвективное происхождение.
Вторая причина подъёма воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своём пути горы или иные природные возвышения. Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. В этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.
Третья причина подъёма воздушных масс — возникновение тёплых и холодных атмосферных фронтов. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высокослоистые облака, а в верхнем ярусе — перисто-слоистые и перистые (понятно, что облака верхнего яруса образуются уже далеко за линией атмосферного фронта). Горизонтальная протяжённость облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров.
Четвёртая причина подъёма воздушных масс — циклоны. Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх. Интенсивный подъём воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облако-образованию — возникают облака циклонического происхождения. Это могут быть слоисто-дождевые, высокослоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона[2].
Наглядный процесс образования облаков представлен на Рисунке 1.
Рисунок 1. Образование облаков
Капли воды, формирующие облачную структуру, поднимаются с поверхности суши и океана с теплыми потоками воздуха. Главная причина образования облаков – испарение. Оно активнее с океанов, годовая величина достигает 400 тысяч км3, а с суши меньше в 4 раза[4].
Виды и формы облаков
Облака могут принимать самые фантастические формы, которые являются лишь результатом взаимодействия воды, воздуха и нашего живого воображения.
Потоки воздуха, поднимающиеся от земной поверхности вверх, поддерживают облака высоко в небе. Облака имеют разную форму, потому что образуются на разной высоте и при разной температуре[5].
Образуются облака в тропосфере – нижнем слое атмосферы, занимающем пространство в 10 км от земной поверхности в полярных широтах, 12 км – в умеренных, 18 км – в тропиках. Редкие виды существуют выше тропосферы (на расстоянии от 20 до 80 км от планетарной поверхности)[1].
Классификация облаков включает 4 вида:
верхнего яруса;
среднего;
нижнего;
вертикального развития.
Структуры верхнего яруса формируются на высоте 6 – 18 км, из них не выпадают атмосферные осадки: перисто-слоистые; перисто-кучевые; перистые.
Скорость перемещения объектов верхнего слоя обуславливается преимущественно активностью ветра, составляет от 10 до 200 км/ч.
На Рисунке 2 представлены перисто-слоистые облака.
Рисунок 2. Перисто-слоистые облака
Виды облаков среднего яруса характеризуются смешанным составом: водяные капли (преобладают в теплые месяцы) и ледяные кристаллы (в холодные месяцы). Образуются на высоте 3 – 6 км, в тропиках поднимаются до 8 км: высокослоистые;высококучевые.
Объекты среднего слоя способны образовывать осадки, но из-за значительного расстояния выпадающая влага не достигает земной поверхности, испаряется при падении (вирга). Когда капли дождя испаряются, не долетая до земли, говорят о таком явлении, как вирга.
На Рисунке 3 представлены высококучевые облака.
Рисунок 3. Высококучевые облака
Образования нижнего яруса занимают высоту до 2 км. В теплые месяцы включают капли воды, в холодные – льдинки и снежинки. Выглядят плотной, низко висящей массой преимущественно серого цвета: слоистые;слоисто-кучевые; слоисто-дождевые.
На Рисунке 4 представлены слоистые облака.
Рисунок 4. Слоистые облака
К облакам вертикального развития, устремленным преимущественно вертикально, захватывающим высокие и низкие тропосферные слои, относятся: кучевые (располагаются ниже всех вышеописанных видов, рождаются на высоте от 800 м над земной поверхностью);кучево-дождевые (находится в 12 – 14 км от земли. верхняя часть содержит ледяные кристаллы, нижняя – воду).
На Рисунке 5 представлены кучевые облака.
Рисунок 5. Кучевые облака
Помимо основных типов облаков, существуют редкие и необычные разновидности:
Перламутровые. Состоят из частиц льда, возникают в высоких слоях атмосферы (до 30 км над землей).
Серебристые. Находятся на расстоянии до 80 км над планетарной поверхностью. Наблюдаются до восхода и заката.
Облака-шапки. Слоистые, горизонтально расположенные образования в высоких атмосферных слоях. Обычно образуются над кучевыми и дождевыми облаками из пепельного или дымового выброса при вулканическом извержении.
Линзовидные (лентикулярные). Формирования необычной формы, зависающие над горными вершинами, не движущиеся при сильном ветре.
Двояковыпуклые. Редкий вид, вызывающий удивление у очевидцев. Небо угрожающе нависает бугристым полотном. Кажется, готово рухнуть на землю.
На Рисунке 6 представлены линзовидные облака.
Рисунок 6. Линзовидные облака
Отдельным техническим видом следует назвать конденсационный самолетный след. Белая полоса появляется в небе, когда летательный аппарат пересекает область холодного воздуха. Теплая воздушная струя, выбрасываемая из выхлопной системы, оставляет тонкую облачную дорожку[4].
Отличия облаков от туч
Термин «туча» в науке отсутствует. Это обывательское понятие, употребляемое при описании крупного темного облака, грозящего осадками.
Разницу между тучей и облаком установить несложно:
Облака белые и серых оттенков в зависимости от плотности. Тучи темно-серые, иногда почти черные от накопившейся влаги.
Туча формируется, когда плотность водяных капель становится слишком высокой, и удержание влаги во взвешенном состоянии невозможно.
Тучи не бывают перистыми, поскольку обязательно несут осадки.
Из-за высокой концентрации водяного пара тучи задерживают солнечные лучи.
На Рисунке 7 представлены так называемые «Тучи».
Рисунок 7. Так называемые «Тучи»
Серые, сизые и черные грозовые облака состоят из тех же капель. Просто они — при сильной облачности — могут отбрасывать тень друг на друга (и даже на самих себя), поэтому и кажутся более темными. Бывают также более плотные облака — они состоят из крупных кристаллов и капель, поэтому лучи солнца не могут сквозь них проникнуть. Они кажутся темными и зловещими, если смотреть с земли.
Но если пролететь над ними, например, на самолете, они будут абсолютно белыми[4].
4.Определение погоды по форме облаков
Современные прогнозы погоды основаны на сложных компьютерных симуляциях. Эти симуляции используют физические уравнения, описывающие атмосферу, включая движение воздуха, солнечное тепло, формирование облаков и дождя.
Но не нужен суперкомпьютер для предсказания того, как изменится погода над головой в ближайшие несколько часов – подобные приметы известны в разных культурах уже много тысяч лет. Следя за небом и обладая некоторыми знаниями по формированию облаков, можно предсказать, будет ли дождь.
На Рисунке 8 представлены перистые облака.
Рисунок 8. Перистые облака
Перистые облака могут знаменовать приближение тёплого фронта и дождя
Если перистые облака начинают покрывать большую площадь неба, становятся ниже и толще, то это верный признак приближения тёплого фронта. В тёплом фронте встречаются тёплые и холодные воздушные массы. Опускание облаков говорит о приближении фронта, и о том, что в следующие 12 часов пойдёт дождь.
На Рисунке 9 представлены перисто-кучевые облака.
Рисунок 9. Перисто - кучевые облака
Маленькие округлые белые затяжки. Изолированные или идущие друг за другом длинным рядом. Такие облака на небе указывают на ясную, но холодную погоду.
На Рисунке 10 представлены кучевые облака.
Рисунок 10. Кучевые облака
Тяжелые плотные облака в виде гор или башен. Такие облака предвещают сильные ливни с громом и молниями или градом. При этом чем меньше облака, тем меньше вероятность дождя.
На Рисунке 11 представлены слоисто-дождевые облака.
Рисунок 11. Слоисто – дождевые облака
Темные, низкие, равномерно распределенные по небу серые облака. Появление таких облаков предвещает широко распространенные осадки от легких до умеренных.
На Рисунке 12 представлены перисто - слоистые облака.
Рисунок 12. Перисто – слоистые облака
Перистые облака, оставляющие за собой длинные размазанные следы и покрывающие все небо. Такие облака могут говорить об осадках в течение 15-25 часов.
На Рисунке 13 представлены кучевые плоские облака.
Рисунок 13. Кучевые плоские облака
Это маленькие кучевые облачка с четко очерченными краями. Наличие таких облаков на небе предвещает нам погоду без осадков[3].
Вывод: если облако попадает в область с высокой температурой, оно исчезает, если в холодную – еще больше насыщается капельками воды. Облака постоянно меняют свою форму, пропадают и появляются снова под воздействием ветра и температуры воздуха. Значение облаков для планеты огромно. Их главная задача – распределение влаги, перенос ее из влажных областей в сухие. Благодаря этому формируются погодные условия, смягчаются переходы между климатическими зонами, жизнь существует во всех уголках планеты.
Опыт «Облако в банке»
Для того, что бы наглядно посмотреть как образуются облака, нов укоренном процессе, в домашних условиях и в банке.
Нам необходимо подготовить следующие составляющие: банка стеклянная с крышкой; кипяток; лед; черный картон; аэрозоль.
В стеклянную банку налить кипяток. Количество воды такое чтобы было покрыто дно банки, или примерно на 2,5 см., закрыть крышкой. Перевернутькрышку вверх дном, чтобы получилась маленькая миска. Перемешать воду, чтобы банка нагрелась. Это также предотвратит образование конденсата в банке.Баночка будет очень горячей, необходимо беречься от ожогов.
Поместить два кубика льда в крышку. Теперь можно увидеть конденсат в банке.
Распылить аэрозоль в банку, быстро подняв крышку со льдом. Используя аэрозольный продукт, такой как лак для волос или освежитель воздуха.
Положите за банку черный картон для создания контраста. Таким образом, можно увидеть облако, которое образовалось в банке.Открыв крышку, можно прикоснутьсяк облаку.
А теперь проанализируем почему мы смогли в домашних условиях создать облако? Когда мы наливали кипяток, мы создавали горячий влажный воздух в банке. Лед на крышке охлаждает поднимающийся воздух. Этот водяной пар превратится обратно в жидкость, когда он остынет, но ему нужна поверхность для конденсации. Когда мы распыляем аэрозоль в банку, то создаем поверхности для образования водяного пара. Молекулы прилипают к аэрозолю и конденсируются в облачные капли.
Теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается. Мы можем видеть движение воздуха, когда облака кружатся.
Заключение
В ходе проделанной работы, моя гипотеза подтвердилась.
Проведя эксперименты, я смогла создать в домашних условиях свое маленькое облачко и потрогать его. Убедилась в том, что облачко состоит из совсем крохотных капелек воды и мельчайших частиц. Я изучила собранную информацию, выяснила образование облаков, узнала виды облаков, научилась наблюдать, сравнивать, делать выводы, фантазировать, определять погоду по облакам и понимать природу. Облака — это невероятно красивое явление природы. Они играют большую роль в нашей жизни. Облака — неотъемлемая часть нашего бытия. От них зависит изменение климата. Дождь, снег, гроза – эти явления природы тесно связаны с облаками. Изучение строения и форм облаков, наблюдения за их жизнью важны для предсказания погоды, т.е. для жизнедеятельности человека.
Список используемой литературы
Атлас облаков / Федер. служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), Гл. геофиз. обсерватория им. А.И. Воейкова; Д. П. Беспалов и др. ; ред.: Л. К. Сурыгина. – СанктПетербург : Д’АРТ, 2011г. – 248 с.
Тарасова Л. В. «Ветры и грозы в атмосфере Земли». — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011.
https://futurist.ru/news/6277
https://tainaprirody.ru/atmosfera/oblaka
https://zen.yandex.ru/media/different_angle/pochemu-oblaka-ne-padaiut-vniz-5ba60fe94e9adf00abe9ff4f
https://kipmu.ru/oblaka/
https://fb.ru/post/nature/2021/7/3/317741