Debesų formavimasis

Debesys – matomos vandens lašelių arba ledo kristalų sankaupos atmosferoje virš paklotinio paviršiaus. Debesys susidaro tada, kai ore esančių vandens garų slėgis viršija sočiųjų vandens garų slėgį esamoje temperatūroje.

Debesys formuojasi vykstant vandens garų kondensacijai ir sublimacijai atmosferoje dėl padidėjusio vandens garų kiekio arba sumažėjusios oro temperatūros (dažnai abu procesai vyksta vienu metu). Taip pat debesys gali susidaryti transformuojantis rūkui, t.y. garuojant apatiniam rūko sluoksniui.

Laisvojoje atmosferoje pagrindinis procesas lemiantis oro temperatūros žemėjimą ir debesų formavimąsi yra adiabatinis oro kilimas. Taip pat oro temperatūra gali nukristi ir dėl radiacinio oro vėsimo bei turbulencinio maišymosi (pastarojo proceso metu gali augti ir vandens garų kiekis).

Išskiriami keturi pagrindiniai procesai, kurių metu drėgnas oras kyla į viršų: terminė atmosferos konvekcija, frontinis kilimas, orografinis kilimas, frikcinė turbulencija.

   1. Terminė atmosferos konvekcija

Saulės spindulių veikiamas veiklusis paviršius įšyla. Virš labiau įšilusių plotų formuojasi šiltesnio ir lengvesnio oro tūriai. Plūdrumo jėgos veikiami jie pradeda judėti į viršų.  Palaipsniui kildami atskiri tūriai susilieja į vieną ir susidaro galingas aukštyneigis oro srautas. Tuo tarpu pagrindinio srauto periferijoje formuojasi daugybė smulkesnių kompensuojančių žemyneigių judesių. Taip formuojasi terminė konvekcija. Konvekcijos intensyvumas priklauso ir nuo paviršiaus nevienalytiškumo, ir nuo atmosferos stratifikacijos nepastovumo laipsnio. Dėl adiabatiško kylančio oro atšalimo, aukštyneigiuose srautuose formuojasi konvekcijos (kamuoliniai) debesys. Konvekcinių debesų storis priklauso nuo kondensacijos ir konvekcijos lygių aukščio. Apatinė debesų riba beveik sutampa su kondensacijos lygiu, o viršutinė - su konvekcijos lygiu. Konvekcijos lygis yra šiek tiek aukščiau nei riba ties kuria kylančio oro temperatūra išsilygina su aplinkos temperatūra: į viršų judantys oro tūriai gali iš inercijos pakilti aukščiau minėtos ribos (tai priklauso nuo oro tūrių judėjimo greičio). Sluoksniai su temperatūros inversija arba su mažais teigiamais temperatūros gradientais stabdo konvekcijos vystymąsi. Kai debesų viršūnė pasiekia tokius sluoksnius, debesodaros procesas sustoja. Tam kad formuotųsi konvekciniai debesys būtina ir tai, kad vertikalus srautas būtų izoliuotas nuo sausesnio aplinkinio oro, kadangi jiems maišantis, krinta oro drėgnumas debesies viduje ir debesis gali išgaruoti.

Taip pat galingų vertikalių oro srautų formavimasis gali būti nulemtas trinties į paklotinį paviršių (dinaminė konvekcija). Tačiau pagal bendras formavimosi sąlygas šie judesiai priskiriami frontiniam (konvergenciniam) kilimui.

  2. Frontinis (konvergencinis) kilimas

Stambiamastelinis adiabatinis oro kilimas vyksta palei frontinius paviršius. Dažniausiai tokio pobūdžio vertikalūs judesiai yra labai lėti – keli centimetrai per sekundę (tai būdinga lėtai judantiems atmosferos frontams su lėkštais frontiniais paviršiais). Virš kondensacijos lygio formuojasi debesų sistema sudaryta iš sluoksninių debesų: lietaus sluoksninių, aukštųjų sluoksninių, plunksninių sluoksninių bei plunksninių debesų. Tuo tarpu greitai judančių atmosferos frontų atveju, priešakinė fronto dalis dėl trinties į paklotinį paviršių yra ganėtinai stati, todėl šiltas oras staigiai išstumiamas į viršų. Neretai susidaro kamuoliniai lietaus debesys. Kadangi vertikalus oro judėjimas yra nulemtas dviejų skirtingų oro masių susidūrimo, toks kilimas dažnai vadinamas konvergenciniu.

   3. Orografinis kilimas

Oro srautui pasiekus kalnų ar kalvų grandinę, jis pradeda šlaitu kilti į viršų. Aukštyneigis judesio momentas perduodamas ir į aukštesnius (esančius virš orografinės kliūties) oro sluoksnius. Kildamas oras adiabatiškai vėsta. Priklausomai nuo kondensacijos lygio aukščio debesys formuojasi žemiau keteros, ties ja ar aukščiau. Jei atmosferos stratifikacija yra pastovi, dažniausiai formuojasi sluoksniniai debesys, esant nedideliam stratifikacijos nepastovumui – kamuoliniai, o jei stratifikacija nepastovumas didelis – lietaus kamuoliniai debesys. Kadangi Saulės spinduliuotė įkaitina kalnų šlaitus ir oras prie jų būna šiltesnis nei tame pačiame lygyje virš slėnio, formuojasi terminė konvekcija, sustiprinanti orografinį oro kilimą. Orografiniai debesys visada dinaminėje būsenoje, nors dažniausiai išlieka toje pačioje vietoje: priešvėjinėje keteros pusėje vyksta oro kilimas ir kondensacija, užuovėjinėje – adiabatinis leidimasis ir garavimas. Pastovios atmosferos stratifikacijos atveju dėl orografijos poveikio formuojasi įvairaus dydžio atmosferos bangos bei su šiais procesais susiję debesys (pvz., lęšiškieji (lenticularis)).

   4. Frikcinė (trinties) turbulencija

Priežeminis oro srautas, judantis virš paklotinio paviršiaus, yra nuolat veikiamas trinties jėgos. Priklausomai nuo paklotinio paviršiaus tipo bei pučiančio vėjo greičio susiformuoja įvairaus storio atmosferos sluoksnis (trinties sluoksnis), kuriame jaučiamas trinties jėgos poveikis. Šio sluoksnio storis gali siekti daugiau nei 1 km.  Dėl trinties atsiradus turbulenciniams judesiams, priežeminis oras kyla į viršų ir adiabatiškai vėsta, tuo tarpu iš viršutinės sluoksnio dalies oras šildamas leidžiasi žemyn. Tokia šilumos apykaita vyksta tol, kol vertikalus temperatūros gradientas trinties sluoksnyje tampa artimas sausaadiabatiniam. Pastovioje oro masėje ties viršutine sluoksnio riba formuojasi pakilioji inversija stabdanti vertikalų oro maišymasį. Ji gali susijungti su aukšto slėgio laukui būdinga žemyneigių srautų inversija. Turbulencinio maišymosi metu išsilygina ir drėgmės kiekis trinties sluoksnyje. Jeigu trinties sluoksnyje kylančio oro temperatūra nukrinta žemiau rasos taško, formuojasi debesys, kurių pagrindas atitinka kondensacijos lygį, o viršūnė – apatinę inversijos sluoksnio ribą. Su frikcine turbulencija susijęs sluoksninių ir sluoksninių kamuolinių debesų formavimasis. Jei virš trinties sluoksnio stratifikacija yra nepastovi, gali pradėti formuotis konvekciniai debesys.

Radiacinis oro vėsimas taip pat turi didelę įtaką debesų, besiformuojančių poinversiniame sluoksnyje susidarymui. Orui vėstant daugėja kondensacijos produktų, žemiau nusileidžia kondensacijos lygis (debesys tampa tankesni ir storesni).    

Debesų elementai (lašai ir kristalai) yra tokie maži, kad jų masę atsveria trinties jėga. Nejudančiame ore lašelių kritimo greitis kelios centimetro dalys per sekundę, o kristalų dar mažesnis. Dėl atmosferos turbulencijos šie elementai visai neiškrinta, o ilgą laiką būna pakibusioje būsenoje. Esant palankioms sąlygoms debesų elementai stambėja ir tampa pakankamai sunkūs, kad iškristų iš debesies kaip krituliai. Vieni debesys egzistuoja labai trumpą laiką (kai kurie kamuoliniai debesys išsilaiko vos 10-15 minučių), kiti, nors ir išlieka ilgiau, bet yra dinaminėje būsenoje, t.y. vieni debesų elementai išgaruoja, kiti kondensuojasi.

Debesys išnyksta, kai vandens garų slėgis debesyje nutolsta nuo prisotinimo būsenos ir vandens lašeliai išgaruoja. Tai atsitinka augant oro temperatūrai arba mažėjant vandens kiekiui ore. Oro temperatūra debesies viduje gali padidėti adiabatinių procesų (oro masei leidžiantis) ar radiacinių procesų (debesį sušildo trumpabangė arba ilgabangė spinduliuotė) metu. Vandens kiekis debesyje sumažėja iškritus krituliams. Dar vienas svarbus debesų išnykimo mechanizmas -  turbulencinis maišymasis, kai į debesį iš aplinkos patenka nauja sausesnio oro porcija ir oras maišosi debesies viduje, mažindamas vidutinį santykinį drėgnumą oro tūryje. Tai ypač būdinga konvekcinių debesų sklaidymuisi. Radiaciniai procesai lemiamą vaidmenį vaidina sklaidantis gerai horizontalia bet silpnai vertikalia kryptimi išsivysčiusiems banguotiesiems bei sluoksniniams debesims.    

Atmosferoje debesys gali būti sudaryti ne vien iš vandens kondensacijos produktų. Pastebimą atmosferos drumstumą virš paklotinio paviršiaus gali sukelti ir ore pakibusios kitokios kilmės kietos ar skystos dalelės. Jos į atmosferą patenka vulkanų išsiveržimų ar smėlio audrų metu, degant miškams, rūkstant gamyklų kaminams ir t.t. Tokios kilmės debesų formavimosi bei vystymosi ypatumai labai skiriasi nuo aprašytųjų ir nėra analizuojami šioje studijų priemonėje.