Текст книги "Инженерная геоэкология"

При положительных температурах туман состоит из капелек воды радиусом в среднем 2–5 мкм, а при отрицательных – из переохлажденных капелек воды, ледяных кристаллов или замерзших капелек. Капельки воды, образующие дымку, имеют радиус менее 1 мкм. При укрупнении капель дымка может перейти в туман, а при испарении туман может превратиться в дымку.

Водностью тумана называется количество жидкой или твердой воды, содержащейся в 1 м³ воздуха; водность тумана составляет 0,02—1,0 г/м³. На водность тумана оказывает влияние температура: при положительных температурах она значительно больше, чем при отрицательных.

Число капель в единице объема в слабом тумане составляет в среднем 1—10шт/см³, в сильном – 400–600 шт/см³. Туманы обычно образуются в тех случаях, когда парциальное давление водяного пара в слое атмосферы, прилегающем к земной поверхности, превышает давление насыщенного пара.

По физическим условиям образования туманы можно разделить на туманы охлаждения; туманы, не связанные с охлаждением; туманы, вызванные деятельностью человека.

Туманы охлаждения образуются в результате понижения температуры воздуха, прилегающего к земной поверхности, ниже точки росы. Это может произойти в результате: а) радиационного излучения; б) натекания теплого воздуха на более холодную поверхность; в) подъема воздуха по склону холма или горы. В соответствии с этим туманы охлаждения делят на радиационные, адвективные и туманы склонов.

При интенсивных восходящих движениях воздуха образуется уже не туман, а кучевые облака.

К туманам, не связанным с охлаждением, относятся прежде всего туманы испарения и туманы смешения.

К туманам, вызванным деятельностью человека, относятся городские и морозные (печные) туманы, а также специально создаваемые искусственные туманы, например для борьбы с заморозками.

В крупных городах, где в воздух выбрасываются в большом количестве отходы промышленного производства, иногда образуются так называемые городские туманы, не распространяющиеся далеко за пределы города. Своим появлением они обязаны большому количеству активных ядер конденсации, при наличии которых конденсация может начаться уже при относительной влажности 75–95 %. Чаще всего городские туманы наблюдаются утром, когда водяной пар, содержащийся в воздухе, близок к состоянию насыщения.

Городские туманы иногда имеют темную окраску, обусловленную наличием в каплях частичек дыма, сажи и других примесей. Интенсивность таких туманов увеличивается в связи с тем, что частички примесей сильно излучают и охлаждаются.

В больших городах и промышленных центрах туманы возникают гораздо чаще, чем за городом. Например, в Москве число дней с туманами в несколько раз больше, чем в ее пригородах. По мере увеличения количества промышленных предприятий повторяемость городских туманов растет. Городские туманы, как и задымление воздуха, уменьшают продолжительность солнечного сияния в больших городах. В крупных промышленных центрах нередко возникают сильные и опасные туманы, смешанные с дымом и выхлопными газами автомашин. Такие туманы называются смогами.

Зимой при низкой температуре воздуха и при наличии приземной инверсии часто наблюдаются туманы над небольшими населенными пунктами – так называемые морозные (печные) туманы. Они обычно возникают утром, когда в воздух начинает поступать большое количество ядер конденсации вместе с дымом от топки печей, с чем и связано название этих туманов. Они быстро приобретают значительную плотность. Днем при повышении температуры воздуха они разрушаются или ослабевают, но вновь усиливаются к вечеру.

Микрофизические структуры облаков

Облаком называется видимое скопление продуктов конденсации или сублимации водяного пара на некоторой высоте. Из облаков выпадают осадки, в них возникают грозы, они влияют на приток лучистой энергии к деятельной поверхности и тем самым на температурный режим почвы, водоемов и воздуха. Облака отличаются большим разнообразием форм и физического строения. В зависимости от горизонтальных размеров областей, охваченных вертикальными движениями, от интенсивности восходящих движений, от термических и других факторов образуются облака, различные по внешнему виду и внутреннему строению. В зависимости от условий образования все облака разделяются на три класса:

1. Кучевообразные – сильно развитые по вертикали облака, но имеющие сравнительно небольшую горизонтальную протяженность. Образуются в результате интенсивных восходящих (конвективных) движений воздуха.

2. Волнистообразные – слой облаков, имеющих большую горизонтальную протяженность и вид барашков, валов или гряд. Образуются в результате волновых движений в атмосфере.

3. Слоистообразные – слой облаков в виде сплошной пелены, горизонтальная протяженность которых в сотни раз превосходит их вертикальные размеры. Образуются в результате медленных, плавных восходящих движений воздуха, в частности над фронтальными поверхностями. Но они могут быть и внутримассовыми.

Высота облаков и их строение зависят от положений уровней конденсации, замерзания и конвекции. Уровень конденсации практически совпадает с нижней границей облаков. Между уровнем конденсации и уровнем атмосферы с температурой 0 °C облако состоит из водяных капель, а в отдельных случаях – из тающих снежинок. Переохлажденные капли в облаках наблюдаются до уровня замерзания. Уровень замерзания располагается в среднем на той высоте, где температура воздуха составляет от —12 до —17 °C. Выше этого уровня происходит сублимация водяного пара, а также замерзание переохлажденных капель. Облака здесь состоят в основном из ледяных кристаллов.

В облаке не существует резкой границы между областями с жидкими и твердыми частицами воды. В облаках существуют также мощные переходные слои, в которых одновременно могут присутствовать переохлажденные капельки и ледяные кристаллы.

Капли и кристаллы, составляющие облако, не остаются постоянно во взвешенном состоянии. Восходящими движениями воздуха они могут увлекаться вверх, при ослаблении восходящих движений они под действием силы тяжести опускаются вниз. При таких движениях воздуха в облаке изменяются его температура и относительная влажность, а потому изменяется и агрегатное состояние облачных частиц. Под действием ветра облака перемещаются в горизонтальном направлении и в них часто развивается турбулентное перемешивание.

По составу облака делятся на три группы:

– водяные (жидкокапельные), состоящие из капель воды. При отрицательных температурах они состоят из переохлажденных капель;

– ледяные (кристаллические), состоящие из ледяных кристаллов;

– смешанные, состоящие из смеси переохлажденных водяных капель и ледяных кристаллов.

Водяные облака в теплое время года в умеренных широтах располагаются в основном в нижней части тропосферы, смешанные – в средней ее части, ледяные – в верхней. В холодное время года при очень низких температурах воздуха и земной поверхности ледяные облака могут возникать и в нижней тропосфере.

В дальнейшем диаметр капель может увеличиваться до 500– 5000 мкм (дождевые капли).

Ледяные кристаллы, составляющие облака, различаются как по размеру, так и по форме. Форма и размер кристаллов в значительной степени зависят от температуры и относительной влажности воздуха в облаке.

Международная классификация облаков

По международной классификации облака по высоте делятся на четыре семейства:

A. Семейство облаков верхнего яруса.

Б. Семейство облаков среднего яруса.

B. Семейство облаков нижнего яруса.

Г. Семейство облаков вертикального развития.

Облака верхнего яруса располагаются на высотах более 6 км, облака среднего яруса – на высотах 2–6 км, облака нижнего яруса – от земной поверхности до высоты 2 км. Основания облаков вертикального развития располагаются на высоте облаков нижнего яруса, а вершины – на высоте облаков среднего или верхнего яруса.

В зависимости от внешнего вида все облака делятся на 10 форм (родов), а формы подразделяются на виды и разновидности. Эти формы приведены в Атласе облаков.

А. Семейство облаков верхнего яруса.

I. Перистые облака – Cirrus (Ci).

Цирусы – это отдельные белые волокнистые облака, обычно очень тонкие и прозрачные, с шелковистым блеском; они относятся к классу волнистообразных облаков. Обычно наблюдаются в небольшом количестве, но иногда могут занимать и значительную часть неба. Закрывая Солнце, они лишь немного ослабляют солнечное сияние. В перистых облаках вокруг Солнца и Луны иногда наблюдаются круги (гало) или части этих кругов. Перистые облака состоят из ледяных кристаллов размером 0,01—0,1 мм.

II. Перисто-кучевые облака – Cirrocumulus (Сс).

Белые тонкие облака, состоящие из очень мелких волн, хлопьев или ряби, без серых оттенков, частично имеющие волокнистое строение. Как правило, наблюдаются в небольшом количестве. Они относятся к классу волнистообразных облаков и состоят из мелких ледяных кристаллов. В этих облаках также может наблюдаться гало и могут быть видны так называемые венцы вокруг Солнца и Луны.

III. Перисто-слоистые облака – Cirrostratus (Cs).

Тонкая беловатая или голубоватая пелена слегка волокнистого строения, сквозь которую легко просвечивают Солнце и Луна. Как правило, пелена Cs, надвигаясь, постепенно закрывает все небо. От перистых облаков пелена Cs отличается тем, что она более однородна и непрерывна. Днем при наличии Cs тени наземных предметов почти не ослаблены. Относятся к классу слоистообразных облаков. В Cs часто образуется гало.

Б. Семейство облаков среднего яруса.

IV. Высококучевые облака – Altocumulus (Ас).

Белые, иногда сероватые или синеватые облака в виде волн или гряд, состоящих из отдельных пластин или хлопьев, обычно разделенных просветами голубого неба, но иногда сливающихся в почти сплошной покров. От перисто-кучевых отличаются большей плотностью и большими видимыми размерами отдельных пластин или хлопьев. Высококучевые облака являются, как правило, водяными. Ас относятся к классу волнистообразных облаков.

В. Семейство облаков нижнего яруса.

V. Высокослоистые облака – Altostratus (As).

Серая или синеватая однородная пелена слегка волокнистого строения, как правило, постепенно закрывающая все небо. Иногда на нижней поверхности пелены заметны слабо выраженные волны. Эти облака относятся к классу слоистообразных. Большей частью являются смешанными (состоят из ледяных кристаллов и переохлажденных капель воды). Нижние части высокослоистых облаков состоят из более крупных снежинок или из мелких капель (в слое с температурой выше 0 °C). Тонкие As состоят преимущественно из ледяных кристаллов.

VI. Слоисто-кучевые облака – Stratocumulus (Sc).

Серые облака, состоящие из крупных гряд, волн, пластин или хлопьев, разделенных просветами или сливающихся в сплошной серый волнистый покров. Часто детали облаков располагаются правильными рядами в одном или двух направлениях. Они относятся к классу волнистообразных. Состоят преимущественно из капелек воды, чаще всего радиусом 57 мкм. Изредка в них встречается, кроме капель, некоторое количество ледяных кристаллов и снежинок.

VII. Слоистые облака – Stratus (St).

Однородный слой серого цвета, сходный с туманом, но расположенный не у самой земной поверхности, а на некоторой высоте. Часто нижняя поверхность слоя St бывает разорванной, клочковатой. Обычно закрывают все небо сплошной пеленой, но иногда могут иметь вид разорванных облачных масс. По условиям образования относятся к классу волнистообразных. Это подтверждается формой их верхней границы, наблюдаемой, например, с самолета. Состоят из капель воды радиусом 2–5 мкм. В частях облака, имеющих температуру ниже 0 °C, эти капли переохлажденные. Здесь же могут находиться и ледяные кристаллы.

VIII. Слоисто-дождевые облака – Nimbostratus (Ns).

Темно-серый облачный слой, иногда с синеватым оттенком.

При осадках кажется однородным, но в перерывах между выпадениями осадков иногда заметна его неоднородность. Основание облаков размыто полосами падения осадков. Обычно закрывают все небо сплошным слоем, без просветов. Относятся к классу слоистообразных облаков. По составу принадлежат к смешанным облакам. В нижней части Ns при отрицательной температуре преобладают мелкие капельки воды с примесью снежинок. При положительной температуре нижняя часть Ns состоит из сравнительно крупных капель.

Г. Семейство облаков вертикального развития.

IX. Кучевые облака – Cumulus (Сu).

Плотные, развитые по вертикали облака с белыми куполообразными вершинами и плоским сероватым или синеватым основанием. Могут представлять собой отдельные редко расположенные облака или образовывать скопления, закрывающие почти все небо. Относятся к классу кучевообразных. При порывистом ветре края облаков могут быть разорванными.

В некоторых случаях в облаке встречаются отдельные крупные (дождевые) капли. При температурах ниже 0 °C капли находятся в переохлажденном состоянии.

X. Кучево-дождевые облака – Cumulonimbus (Cb).

Мощные белые облачные массы с темными основаниями, являющиеся результатом дальнейшего развития Cu. Поднимаются в виде гор или башен, верхние части которых имеют волокнистую структуру. Из Cb выпадает дождь, а иногда наблюдаются полосы падения. В холодное время года могут быть более плоскими. Часто имеют вид отдельных облачных масс. Кучево-дождевые облака в верхней части состоят из ледяных кристаллов, которые при температурах ниже —15 °C имеют форму столбиков. При температурах выше —15 °C облако состоит из пластинчатых кристаллов и переохлажденных капель воды, а нижняя его часть содержит водяные капли с примесью снежинок или капель дождя (в зависимости от температуры), а иногда ледяной крупы или града.

Под высотой облаков подразумевается высота их основания над поверхностью земли. Высота облаков различных ярусов колеблется в широких пределах.

Средняя высота облаков верхнего яруса зависит от времени года и широты места: летом она больше, чем зимой, а с уменьшением широты места она увеличивается. Например, высота перистых облаков в умеренных широтах составляет в среднем 8 км, но в отдельных случаях она может быть ниже 6 км или выше 12 км.

Высота облаков нижнего яруса в умеренных широтах обычно составляет 0,8–1,5 км. Однако в отдельных случаях высота этих облаков может существенно отличаться от приведенных значений. Она тем больше, чем меньше относительная влажность у земли. При высокой температуре воздуха и низкой относительной влажности у земной поверхности высота этих облаков может достигать 3 км и более.

Толщина облаков различных форм также колеблется в широких пределах. Из облаков основных форм наибольшую толщину имеют кучево-дождевые и слоисто-дождевые облака.

Ячеистая структура облаков свидетельствует о неустойчивой стратификации нижних слоев атмосферы. Спутниковые наблюдения говорят о том, что облачные системы часто имеют вид отдельных полос. В большинстве случаев они сформированы из кучевых и кучево-дождевых облаков. В этом случае облачные полосы принято называть грядами.

На спутниковых снимках принято выделять следующие основные типы облачности: кучевообразный, слоистообразный, слоисто-кучевообразный, перистообразный, кучево-дождевой (или мощный кучевой), а также различные сочетания указанных типов.

Кучевообразная облачность: тон изображения светло-серый или белый, неоднородный (с полутонами). Облачные элементы разнообразны по форме и размерам.

Слоистообразная облачность: тон изображения белый, однородный. Слоистообразный тип облачности составляют слоистые, слоисто-дождевые, высокослоистые, плотные перисто-слоистые и иногда слоисто-кучевые облака.

Слоисто-кучевообразная облачность: характеризуется упорядоченным расположением облачных элементов круглой формы с довольно четко очерченными краями. Тон изображения в центре облачных элементов белый, а к краям светло-серый.

Перистообразная облачность: тон снимков светло-серый и серый, неоднородный, создающий впечатление волокнистости. Сквозь эти облака просматриваются рельеф местности или более низкие кучевообразные облака. Перистообразной облачности соответствуют в основном перистые и перисто-слоистые облака, занимающие большую территорию.

Кучево-дождевая, или мощная кучевая, облачность: тон изображения ярко-белый, неоднородный.

Определение видов облаков проводится в следующем порядке:

1. На первом этапе определяется степень покрытия неба облаками, т. е. облачность или количество облаков. Она оценивается экспертно в баллах, выражающих, сколько десятых долей небесного свода покрыто облаками. Для этого небосвод на глаз делится на десятые доли и проводится оценка, сколько из них было бы занято облаками, если бы все облака были расположены без просветов. Сначала оценивается общая облачность без деления на ярусы, а затем приблизительно определяется, сколько из числа долей неба покрыто облаками нижнего яруса.

Запись делается в виде дроби: в числителе записывается число десятых долей общей облачности, а в знаменателе – число десятых долей, покрытых нижними облаками.

2. На втором этапе наблюдений записывается, к какой разновидности принадлежат наблюдаемые облака, а также общий вид неба. При определении типов облаков их сравнивают с Атласом облаков. На этом этапе наблюдателю необходимо оценивать ситуацию не только в сроки наблюдения, но и между ними, чтобы можно было оценить динамику появления облаков той или иной разновидности. Запись результатов наблюдений проводится с помощью метеорологических индексов.

3. На третьем этапе проводится приблизительное определение направления и скорости движения облаков. Направление их движения определяется по компасу, а скорость движения при известной высоте облаков – специальными приборами, теми же, которые применяются при измерении скорости ветра.

4. Высота облачности определяется на четвертом этапе. Для этого используется индикатор высоты облаков типа ИВО. Без этого прибора высоту облаков можно приблизительно определить, зная их разновидность. Для измерения этой величины можно применять теодолиты. Ночью можно применять прожектора.

Для точного определения высоты облаков применяются шары-зонды и самолеты.

При проведении экологических исследований необходимо иметь информацию о влажности атмосферы, так как без этого невозможно оценить характер туманов и прогнозировать выпадение осадков (в том числе кислотных дождей).

1.7. Осадки, выпадающие из облаков

Атмосферными осадками называют капли воды и кристаллы льда, выпадающие из атмосферы на земную поверхность. Количество осадков измеряют высотой слоя воды в миллиметрах, образовавшегося в результате выпадения осадков на горизонтальной поверхности при отсутствии испарения, просачивания и стока, а также при условии, что осадки, выпавшие в твердом виде, полностью растаяли. Слой осадков 1 мм, выпавших на площадь 1 м², соответствует массе воды 1 кг. Важной характеристикой осадков является их интенсивность, т. е. количество осадков, выпадающих в единицу времени. На метеорологических станциях количественно определяется только интенсивность жидких осадков (в мм/мин). Кроме того, интенсивность как жидких, так и твердых осадков определяется качественно. При этом осадки визуально делят на слабые, умеренные и сильные. Различают следующие виды осадков:

I. Твердые осадки.

1. Снег – ледяные или снежные кристаллы (снежинки), чаще всего имеющие форму звездочек или хлопьев. Последние образуются из нескольких слипшихся между собой звездочек.

2. Снежная крупа – непрозрачные сферические снегоподобные крупинки белого или матово-белого цвета диаметром от 2 до 5 мм.

3. Снежные зерна – непрозрачные матово-белые палочки или крупинки диаметром менее 1 мм.

4. Ледяная крупа – ледяные прозрачные крупинки, в центре которых имеется непрозрачное ядро. Диаметр крупинок до 3 мм.

5. Ледяной дождь – прозрачные ледяные шарики размером от 1 до 3 мм. Иногда внутри твердой ледяной оболочки остается незамерзшая (переохлажденная) вода.

6. Град – кусочки льда различных форм и размеров. Градина состоит из непрозрачного ядра, окруженного несколькими чередующимися прозрачными и непрозрачными слоями льда. Размеры градин колеблются в широких пределах. Чаще всего их диаметр составляет 1–3 см, но в отдельных случаях может превышать 10 см.

II. Жидкие осадки.

7. Дождь – капли диаметром от 0,5 до 7,0 мм.

8. Морось – капли диаметром 0,05—0,5 мм, находящиеся как бы во взвешенном состоянии, так что падение их почти незаметно.

III. Смешанные осадки.

9. Мокрый снег – тающий снег или смесь снега с дождем.

По физическим условиям образования и по характеру выпадения различают осадки обложные, ливневые и моросящие.

Обложные осадки выпадают обычно из системы фронтальных слоисто-дождевых и высокослоистых, а иногда и из слоисто-кучевых облаков. Характеризуются умеренной, мало меняющейся интенсивностью, охватывают одновременно большие площади и могут непрерывно или с короткими перерывами продолжаться в течение нескольких часов и даже десятков часов.

Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков. Они отличаются внезапностью начала и конца выпадения, резкими колебаниями интенсивности и сравнительно малой продолжительностью. Обычно охватывают небольшую площадь. Летом так выпадает крупнокапельный дождь, иногда вместе с градом. Летние ливневые осадки часто сопутствуют грозе. Зимой ливневым бывает обильный снегопад, состоящий из крупных хлопьев снега. В переходное время года может наблюдаться ливневое выпадение снежной или ледяной крупы одновременно со снегом или дождем. Ливневые осадки обычно отличаются большой интенсивностью, но могут состоять и из небольшого количества крупных капель, выпадающих из отдельного кучево-дождевого облака.

Моросящие осадки выпадают из слоистых и изредка из слоисто-кучевых облаков. Это могут быть морось, мельчайшие снежинки или снежные зерна.

По условиям образования различают осадки внутримассовые и фронтальные.

Внутримассовые осадки образуются внутри однородных воздушных масс. Для устойчивой теплой воздушной массы характерны осадки в виде мороси из слоистых облаков или в виде слабого обложного дождя из плотных слоисто-кучевых облаков. В неустойчивой холодной воздушной массе выпадают ливневые осадки.

Фронтальные осадки связаны с прохождением фронтов. Для теплого фронта типичны обложные осадки, для холодного фронта – ливневые.

Наименьшей интенсивностью обладают моросящие осадки, наибольшей – ливневые. Но отдельные ливневые осадки могут быть менее интенсивными, чем обложные. Дождь, интенсивность которого превышает 1 мм/мин, принято называть ливнем. Ливень может выпадать не только из Cb, но и из Cu и Ns. Ливневый дождь, в отличие от ливня, выпадает только из Cb и может иметь интенсивность меньше 1 мм/мин. Ливни нередко наносят большой ущерб народному хозяйству: смывают почву, вызывают рост оврагов, разрушают дороги и т. д. Кроме того, они являются причиной паводков и наводнений. Поэтому для гидрологических, гидротехнических и экологических расчетов необходимо знать максимально возможную в данной местности интенсивность ливневых осадков и ливней.

Из наблюдений установлено, что чем больше интенсивность ливня, тем меньше его продолжительность. Дожди интенсивностью 1–2 мм/мин выпадают довольно часто.

В облаках, состоящих из капель разных размеров, конденсационный рост происходит более интенсивно, чем в облаках, состоящих из одинаковых капель. Это объясняется различием давлений насыщенного пара над мелкими и крупными каплями, вызванным неодинаковой кривизной их поверхности. В таких облаках мелкие капли испаряются, а на крупных водяной пар конденсируется, т. е. происходит перенос пара с мелких капель на крупные.

В смешанных облаках, состоящих из водяных капель и ледяных кристаллов, разность давлений насыщенного пара над кристаллами и каплями больше соответствующей разности над каплями разных размеров в чисто водяных облаках. Поэтому в таких облаках перенос водяного пара с капель на кристаллы происходит в несколько десятков раз интенсивнее. Облачные капли при этом могут даже полностью испариться, а твердые элементы облака будут расти за счет испарения жидких. В этом случае создаются благоприятные условия для укрупнения облачных элементов и образования осадков. Наиболее интенсивен этот процесс при температуре —12 °C, когда разность давлений насыщенного пара над переохлажденной водой и льдом наибольшая. Например, в плотных водяных облаках одна ледяная частица примерно за 10 мин может поглотить все жидкие капли, содержащиеся в 1 см³ облака. Так могут вырасти очень крупные кристаллы – снежинки.

Коагуляция (объединение) облачных частиц происходит и под влиянием электрических сил. Одноименно заряженные капли отталкиваются, и их слияние затрудняется, а разноименно заряженные капли притягиваются, и их слияние становится более интенсивным. Но заряды капель настолько малы и расстояния между ними настолько велики, что влияние кулоновских сил проявляется слабо. Кроме того, большинство капель воды в атмосфере имеет одноименный (отрицательный) заряд, что также тормозит их коагуляцию.

Коагуляция в облаках происходит также в результате неодинаковой скорости падения капель. Крупные капли под действием силы тяжести падают с большей скоростью, чем мелкие. Поэтому большие капли могут догонять более мелкие, сталкиваться и сливаться с ними. Такая коагуляция называется гравитационной. Именно гравитационная коагуляция играет наибольшую роль в укрупнении облачных элементов и образовании капель дождя.

Восходящие движения воздуха вызывают понижение его температуры, что увеличивает пересыщение водяного пара. Благодаря этому конденсационный рост капель доводит их до таких размеров, при которых уже развивается гравитационная коагуляция. Кроме того, капли, поднятые на большую высоту, при последующем падении проходят сквозь толщу облака, благодаря чему вырастают до значительных размеров за счет гравитационной (весовой) коагуляции. При толщине кучевых облаков более 1 км и при интенсивных восходящих движениях воздуха гравитационная коагуляция может играть большую роль в образовании осадков.

Гравитационная коагуляция имеет важное значение и для роста ледяных частиц в облаках. Ледяные частицы могут сталкиваться с каплями или друг с другом. В случае столкновения кристаллов с каплями при температуре ниже 0 °C происходит рост кристаллов за счет намерзания на них переохлажденных капель, т. е. происходит так называемое обзернение. При интенсивном обзернении снежинки превращаются в частицы крупы (сферокристаллы). При температуре выше 0 °C кристаллы увеличиваются за счет образования на них водяной пленки. При этом ледяные частички постепенно превращаются в капли. Коагуляция снежинок друг с другом приводит к образованию хлопьев снега.

Для образования осадков большое значение имеют вертикальная протяженность (толщина) облака, скорость восходящих движений воздуха в нем, водность, продолжительность существования облака. Поэтому чисто водяные облака, состоящие преимущественно из мелких капель, при определенных условиях могут давать осадки.

Слоистые (St) и слоисто-кучевые (Sc) облака чаще всего бывают коллоидально-устойчивыми. Толщина их мала (до 1 км), скорости восходящих потоков также малы (до 1 м/с), и крупные капли в них не образуются. Но эти облака могут существовать довольно долго (сутки и более). Поэтому конденсационный рост капель, а затем их коагуляция в St могут привести к образованию капель мороси, которые и выпадают из таких облаков, преодолевая слабые восходящие движения. Из Sc иногда может выпадать даже мелкокапельный слабый обложной дождь и слабый обложной снег.

Мощные кучевые облака (Cu) характеризуются большими скоростями восходящих движений (до 10 м/с). Толщина их колеблется от 2–3 км в умеренных широтах до 6–8 км в тропиках. При таких условиях в облаках образуется большое количество мелких капель, но выпадать из облака могут только капли радиусом 1–2 мм и более. До таких размеров капли могут вырасти только в результате коагуляции при очень большой водности и толщине облака. Такие условия часто создаются в Cu тропических широт и очень редко в Cu умеренных широт. Поэтому в умеренных широтах даже мощные кучевые облака осадков не дают, а в тропиках из них могут выпадать сильные дожди.

В ледяных облаках условия роста облачных элементов более благоприятны, чем в водяных, так как в них всегда имеет место значительное пересыщение по отношению ко льду и ледяные частички быстро растут за счет сублимации водяного пара. Это приводит к тому, что даже из тонких кристаллических облаков, например зимних As, а также Ci и Cs, несмотря на малую водность и малые скорости вертикальных движений воздуха, все же выпадают осадки в виде полос падения, а из As – даже в виде слабого или умеренного снега.

Снежинки образуются в результате сублимации водяного пара на ледяных кристаллах, имеющих форму шестиугольных плоских пластинок. По мере удаления от поверхности такого кристалла концентрация водяного пара возрастает, так как вблизи кристалла часть пара переходит на его поверхность. Молекулы водяного пара стремятся перемещаться из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. из окружающего пространства к кристаллу. В первую очередь они осаждаются на углах кристалла, в результате чего ледяная пластинка принимает форму шестилучевой звездочки. Дальнейшая сублимация происходит на лучах этой звездочки. Образуются разветвления этих лучей, и кристалл превращается в снежинку. Снежинки при соударениях сцепляются между собой, образуя более крупные снежинки и хлопья.

В смешанных облаках As, Ns и Cb, в которых кристаллы соседствуют с переохлажденными каплями воды, условия для сублимационного роста кристаллов более благоприятные, чем в чисто ледяных облаках, особенно если капель в облаке больше, чем кристаллов. Благодаря переносу пара с капель на кристаллы последние быстро вырастают до больших размеров. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не испарятся все капли воды и облако не преобразуется в чисто ледяное.

В кучево-дождевом облаке скорость восходящих потоков увеличивается с высотой, достигает максимума примерно в средней части облака и затем убывает к вершине. Над уровнем максимальной скорости восходящих потоков образуется зона, в которой происходит накопление облачных элементов, в основном крупных капель. Если температура выше нуля, то максимальная скорость восходящих потоков превышает 10 м/с, а вершина облака находится выше уровня кристаллизации и имеет температуру от —20 до —25 °C, то в таком облаке возможно образование града.