2015-03-25   
Строго говоря, облака не заполнены водой. Он не губки, которые впитывают воду. Облака состоит из очень мелких жидких капель или кристалликов льда, взвешенных в воздухе. Капли воды и кристаллы льда, можно сравнить с поплавком, так как они настолько малы, что сопротивление воздуха уравновешивается гравитацией. Чтобы быть более точным, капли воды и кристаллы льда, на самом деле не плавают неподвижно в небе. Они постоянно очень медленно падают под действием силы тяжести и иногда поднимаются в восходящем потоке воздуха. Это падение настолько медленно, а облака являются настолько большими и далекими, что трудно для случайного наблюдателя на земле, заметить это движение.

В книге «Физика облаков» Louis J. Battan, приведены следующие цифры: капля радиусом 10 мкм падает со скоростью 1 см / сек, капля радиуса 50 мкм уже падает со скоростью 26 см / сек. В случае, когда происходит увеличение капель в размере в результате столкновения и слияний, капли могут получаться настолько большими, что сопротивление воздуха не играет большой роли (при радиусе > 0,1 мм). Такие капли падают в виде дождя.

Облака в основном состоят из воздуха. Когда мы говорим, ведро наполнено водой, мы имеем в виду, что почти все свободное пространство, в ведре содержит воду. В облаке, все не так. Вода, составляющие облако падает в виде дождя задолго до того, когда оно сольется достаточно, чтобы заполнить весь объем облака. Удивительно, но только одна миллиардная часть объема облака состоит из воды. Все остальное - воздуха.

Как же облака могут быть так визуально яркими, если они состоят почти их воздуха? Главная причина в отражении света от поверхности объектов. Чем больше площадь поверхности, тем больше света отражается. Облака же кажутся белыми по тому же, почему снег выглядит белым. Так что, хотя облако не содержит много воды, с точки зрения общего объема, но триллионы маленьких капелек, в сумме обеспечивают многократное отражение и преломление.

Приведем пример в цифрах, предположим, что облако состоит из капель воды, которые все имеют радиус $R$ и равномерно распределены. Предположим, общий объем облака постоянен и равен $V$, а общий объем воды в этом облаке - $V_{w}$. Объем единичной сферической капли воды $\frac{4}{3} \pi r^{3}$, количество капель $N$, то есть полный объем воды в облаке: $V_{w} = N \frac{4}{3} \pi r^{3}$. Кроме того, площадь поверхности одной сферы $4 \pi r^{2}$, так что общая площадь поверхности капель по всей облака $S_{\text{общ}} = N 4 \pi r^{2}$. Решаем полученную систему получаем: $ S_{\text{общ}} = \frac{3V_{w}}{R}$. Так как общий объем воды фиксирован, это уравнение говорит нам, что если радиус каждой капли уменьшается, общая площадь капель поверхности будет увеличиваться. Для облака капель с очень маленьким размером, общая площадь поверхности облака будет очень высокой. Так как количество света, отраженного от объекта сильно зависит от площади поверхности, отражательная способность такого облака будет очень высокой, несмотря на то, что это по сути воздух.

Следует отметить, что, хотя отдельные капли уменьшаются в размерах, их индивидуальная площадь поверхности, конечно, становится меньше. Но при фиксированном общем объеме воды в облаке, общее количество капель меньшего размера будет больше, что означает большую общую площадь поверхности.