Частинкова симуляція формування хмар. Водяна пара піднімається від теплої землі, охолоджується адіабатично з висотою та конденсується в точці роси, утворюючи купчасті, шаруваті та купчасто-дощові хмари.
Термодинаміка утворення хмар: тепле вологе повітря піднімається, розширюється та охолоджується. Коли температура досягає точки роси, водяна пара конденсується на ядрах конденсації.
Оберіть пресет хмари або регулюйте температуру та вологість вручну. Спостерігайте, як частинки піднімаються, охолоджуються та конденсуються на рівні конденсації.
Рівняння Болтона дає точку роси з точністю до 0.1°C. Рівень конденсації піднімається приблизно на 125 м із кожним 1°C різниці між температурою повітря та точкою роси.
Ця симуляція показує, як утворюються краплі хмар, коли вологе повітря піднімається й охолоджується. До 500 частинок зображують водяну пару, що піднімається з теплої землі; їхня висота перетворюється на температуру за допомогою сталого вертикального градієнта температури. Там, де температура повітряного об’єму спадає до точки роси, пара конденсується у білі краплі. Пунктирна лінія позначає рівень конденсації при підйомі (LCL) — висоту, на якій утворюється хмара.
Ви задаєте температуру біля землі T₀ (10–40°C), відносну вологість (10–100%), вертикальний градієнт температури навколишнього середовища (4–12°C/км) та горизонтальний вітер. Із цих даних модель обчислює точку роси та LCL за наближеннями Магнуса й Болтона, а потім класифікує результат як купчасту, шарувату, шарувато-купчасту або купчасто-дощову хмару. Розуміння цього процесу пояснює щоденну погоду, конвективні шторми та авіаційне прогнозування хмарності.
Що таке утворення хмар?
Утворення хмар — це процес, у якому невидима водяна пара в повітрі, що піднімається, конденсується у видимі краплі. Коли вологий об’єм повітря піднімається, він розширюється й охолоджується; щойно він досягає точки роси, пара конденсується на крихітних ядрах аерозолю — і з’являється хмара. Ця симуляція моделює цей процес за допомогою частинок, що піднімаються з теплої землі.
Що таке рівень конденсації при підйомі (LCL)?
LCL — це висота, на якій повітряний об’єм, що піднімається, стає насиченим і починає утворюватися хмара. Тут вона показана пунктирною синьою лінією. Модель оцінює її приблизно як (T₀ мінус точка роси), поділене на 8 і помножене на 1000 метрів, тож сухіше повітря дає вищу основу хмари.
Як обчислюється точка роси?
Симуляція використовує просте наближення в стилі Магнуса: точка роси дорівнює T₀ мінус (100 мінус відносна вологість), поділене на 5. Тож за вологості 60% і температури 25°C точка роси становить близько 17°C. Вища вологість наближає точку роси до температури повітря, знижуючи основу хмари.
Temp T₀ задає температуру біля поверхні, вологість визначає, скільки вологи утримує повітря, вертикальний градієнт задає, як швидко падає температура з висотою, а вітер зсуває частинки вбік. Разом вони змінюють точку роси, висоту LCL та підсумковий тип хмари, показаний на інформаційних панелях.
Вертикальний градієнт температури — це швидкість, з якою температура повітря падає з висотою, виражена у °C на кілометр. Стандартне значення 6,5°C/км є середнім для атмосфери. Крутіші градієнти (тут до 12°C/км) роблять атмосферу нестабільнішою, сприяючи високим конвективним хмарам, як-от купчасто-дощовим.
Модель класифікує хмари за вхідними даними: крутий градієнт 8 або більше з вологістю 75% чи вище дає купчасто-дощову хмару; висока вологість 80% або більше з пологим градієнтом дає шарувату; висока вологість із низькою основою хмари дає шарувато-купчасту; інакше повертається купчаста. Пресети просто завантажують характерні значення.
Це спрощена навчальна модель. Формули точки роси та LCL — визнані наближення з точністю приблизно до градуса, а охолодження за градієнтом є реалістичним. Однак вона ігнорує виділення прихованої теплоти, вологоадіабатичний градієнт, перемішування та реальну мікрофізику крапель, тож показує принципи, а не точні метеорологічні значення.
Нижче LCL частинки поводяться як плавуча пара й піднімаються. Вище неї вони розглядаються як сконденсовані краплі: вони набувають невеликої швидкості донизу й дрейфують до центру свого висотного шару, імітуючи те, як збираються краплі хмари і як важчі з них зрештою осідають або падають у вигляді опадів.
Нижча вологість означає, що точка роси набагато холодніша за температуру поверхні, тож повітря має піднятися вище, щоб охолонути достатньо для насичення. Оскільки LCL залежить від різниці між температурою та точкою роси, велика різниця піднімає основу хмари вище. Саме тому в пустелях часто бувають високі, розріджені хмари.
Пілоти та диспетчери повітряного руху використовують LCL для прогнозування основ хмар, пілоти планерів використовують конвективні градієнти для пошуку термічних потоків, а метеорологи використовують вологість і нестабільність, щоб передбачати грози. Та сама термодинаміка лежить в основі погодних моделей, прогнозування туману й навіть поведінки шлейфів градирень.