Белое кучевое облако, из тех, что лениво плывут над полем в июле, весит примерно пятьсот тонн.
Не «легко как пёрышко». Пятьсот тонн. Сто взрослых слонов, поднятых на высоту полутора километров, висят прямо над головой и никуда не падают.
Цифра эта не выдумана для красного словца. Её посчитала Пегги Лемон, метеоролог Национального центра атмосферных исследований США.
Как измеряют облако автомобильным одометром
Первая проблема очевидна: облако нельзя ни взвесить, ни обмерить рулеткой. У него нет чётких краёв, оно постоянно меняется на глазах, и висит слишком высоко, чтобы к нему подойти.
Лемон решила задачу с земли, и решение вышло почти детское по простоте.
Она садилась в машину и ехала по тени облака, глядя на одометр. Заезжала в тень, обнуляла счётчик. Выезжала обратно на солнце, смотрела на цифру.
Тень на земле повторяет размеры того, что её отбрасывает. Проехал тень насквозь, записал километраж, повторил с десяток раз в разные дни, взял среднее.
Так выяснилось, что типичное кучевое облако имеет размер порядка километра по каждой стороне. Километр в длину, километр в ширину, километр в высоту.
Дальше начинается арифметика, в которой нет ничего сложного.
Один кубический километр — это миллиард кубических метров. 1 000 000 000.
Плотность воды в кучевом облаке составляет около половины грамма на кубометр. Половина грамма. Меньше, чем в четверти чайной ложки, и это на целый кубический метр, размазанное по нему в виде мельчайших капелек.
Именно поэтому облако выглядит невесомым. Локально там почти нет воды.
Но кубометров у нас миллиард.
Умножаем: миллиард кубометров на 0,5 грамма даёт 500 000 000 граммов. Это 500 000 килограммов. Пятьсот тонн.
Вся хитрость в масштабе. Ничтожная величина, помноженная на огромный объём, даёт вес железнодорожного состава.
Ту же величину приводит и Геологическая служба США: около 551 короткой тонны для среднего кучевого облака. Разница с расчётом Лемон — в округлениях и единицах измерения, суть одна.
Сама Лемон перевела результат в понятную единицу: сто слонов.
Оговорка, без которой цифра превращается в ерунду. Пятьсот тонн — это про среднее кучевое облако объёмом около кубического километра. Не про «любое облако вообще». Тонкая перистая дымка на десяти километрах весит несравнимо меньше, а грозовая туча — несравнимо больше. Речь именно о том белом кудрявом комке, который вы видели вчера над крышами.
Почему сто слонов не падают на голову
Тут начинается самое интересное, и тут же чаще всего врут.
Обычное объяснение звучит так: «капельки очень лёгкие». Это не ответ. Пятьсот тонн — это пятьсот тонн, из чего бы они ни складывались, и гравитация про них прекрасно знает.
Настоящая причина в другом. Облако не висит вопреки собственному весу. Оно плавает.
Воздух внутри кучевого облака тёплый и влажный. И вот что важно: тёплый влажный воздух менее плотен, чем сухой воздух под ним. Водяной пар легче того азота и кислорода, которые он в этом объёме вытесняет, а нагрев дополнительно разгоняет молекулы и делает воздух ещё разреженнее.
Получается ровно та же история, что с маслом в стакане воды. Масло не отменяет своей массы. Оно просто легче того, что под ним, и потому держится сверху.
Облако — это пузырь более лёгкого воздуха в более тяжёлом. Со всей своей водой внутри оно всё равно остаётся легче окружающей среды, и его выталкивает вверх.
Есть и второй механизм, помельче, но он тоже работает. Капли в облаке крошечные, порядка одной сотой доли миллиметра. Для такой малютки сопротивление воздуха важнее гравитации: падает она со скоростью около сантиметра в секунду, а слабый восходящий поток внутри облака поднимает её обратно быстрее, чем она успевает опуститься.
Формально капля всё время падает. Фактически она никуда не приземляется, потому что воздух под ней движется вверх.
А мы снизу видим неподвижную белую гору, которая якобы нарушает все законы физики. Хотя не нарушает ни одного.
И вот твист
Пятьсот тонн — это милое летнее облачко. То самое, на которое приятно смотреть, лёжа на траве.
Грозовая наковальня, та самая тёмная башня с плоской вершиной, устроена ровно так же и по тем же законам. Только она на порядки массивнее.
И разница между «красиво плывёт» и «ливень стеной» не в количестве воды. Вода и там, и там измеряется сотнями и тысячами тонн.
Разница в размере капель.
Пока капля крошечная, она летит вместе с воздухом и никуда не денется. Стоит ей подрасти в тысячу раз, слившись с соседками, и сопротивление воздуха перестаёт её удерживать.
Капля растёт, скорость падения растёт, на лету она сталкивается с другими и растёт ещё быстрее. Процесс разгоняет сам себя.
И тогда те же самые тонны, которые час назад мирно плыли над полем, обрушиваются вниз минут за двадцать.
Небо ничего не копило и ничего не решало. Просто капли стали чуть крупнее.
