Короткий ответ заключается в том, что вы думаете об облаках неправильно.
Если у вас есть дети, то в какой-то момент они обязательно спросят вас, как облака держатся на небе.
Уроки естествознания, полученные в юности, быстро улетучиваются, мы это понимаем. Кроме того, есть вероятность, что когда-то вам дали неверное объяснение: облака плавают, потому что они менее плотные, чем воздух под ними.
Когда воздух у поверхности Земли нагревается, он действительно начинает подниматься вверх, унося с собой водяной пар, который менее плотен, чем окружающие его (в основном) азот и кислород. По такому же принципу над землей понимаются воздушные шары. Если вы надуете воздушный шарик и опустите его под воду, то он поднимется к поверхности и останется плавать на воде, поскольку воздух внутри него примерно такой же плотности, как и воздух вокруг него. Или, по крайней мере, он не настолько плотный, чтобы утонуть в воде, и не настолько разреженный, чтобы продолжать лететь вверх. Если бы вы наполнили его менее плотным гелием, шарик вынырнул бы из-под воды и продолжил подниматься наверх.
Но воздух — и содержащийся в нем водяной пар — не вечно улетает вверх и за пределы нашей атмосферы, как гелий, а достигает высоты, где его плотность примерно равна плотности окружающего его воздуха. Когда воздух охлаждается, в нем образуются капли воды и льда в достаточно больших объемах, чтобы создать облака, которые мы видим, поскольку солнечный свет отражается от большого количества капель воды.
Однако капельки воды в облаках составляют лишь малую часть объема облака. Например, в обычном кучевом облаке содержится примерно 0,5 грамма воды на кубический метр. При огромном объеме облаков значение быстро увеличивается. Облако объемом 1 кубический километр будет весить порядка 500 тонн.
Так как же что-то настолько тяжелое образование остается наверху? Ведь если выбросить грузовик из самолета, то это приведет к его падению на землю и, возможно, нескольким судебным искам.
Капелькам воды внутри облаков не важно, насколько тяжел воздух вокруг них в целом. Множество капель внутри облака может составлять огромную сумму, но для отдельной капли это не имеет значения. Они остаются в воздухе (пока не исчезают) благодаря своей большой площади поверхности.
Восходящей силы сопротивления воздуха (так называемой подъемной силы), действующей на маленькие капли воды достаточно, чтобы поддерживать их конечную скорость – когда сила сопротивления воздуха, через который движется объект, равна нисходящей силе тяжести. В результате маленькие капли постоянно падают, но легко подталкиваются вверх воздухом под ними.
Это не длится вечно. Капли внутри облака сталкиваются и сливаются в более крупные. Когда это происходит, вес капель по сравнению с площадью поверхности увеличивается, и капли падают, а сопротивление воздуха уже не в состоянии их замедлить.
«Капля радиусом 10 микрон падает со скоростью 1 см/сек, — объясняет Луис Дж. Баттан в книге «Физика облаков», — а капли радиусом 50 микрон падают уже со скоростью 26 см/сек».
Как только радиус капли превышает 0,1 миллиметра, сопротивление воздуха, поднимающегося вверх, становится недостаточным, чтобы противостоять гравитации, и тогда пора доставать зонтик.
Читайте также: Человек, который застрял внутри облака на 40 ужасных минут
