Zašto oblak ne padne na tlo?

Znamo da iz oblaka padaju kiša, tuča i snijeg i da u zadnje vrijeme samo u sat-dva može napadati toliko kiše da nastanu razorne bujice i poplave, čak i tamo gdje ih nikada nije ni bilo. Sva ta ogromna količina vode dolazi iz oblaka pa je logično pitanje kako tu silnu težinu vode oblaci nose, odnosno zašto oblaci ne padnu na tlo.
Da bi odgovorili na ovo pitanje moramo odgovoriti na pitanje što su to oblaci i kako nastaju. Oblaka ima raznih vrsta, ali mi ćemo ovdje govoriti uglavnom o kumulusu, kojeg najčešće viđamo na plavom nebu.
Sunce zagrijava vlažno kopno, mora i oceane, koji zbog toga isparavaju i zagrijavaju zrak uz površinu. Zagrijan i vlažan zrak lakši je od hladnijeg zraka iznad njega pa se uzdiže. Zbog smanjenja tlaka s visinom, zrak se širi i hladi tako da mu temperatura pada približno 6,5 °C/km. Na nekoj visini, 1 - 2 km, temperatura mu postaje dovoljno niska da se vodena para u njemu kondenzira u kapljice. Na toj visini nastaje oblak pa je donja ploha oblaka ravna. Zrak neposredno ispod oblaka jednako je vlažan kao i zrak u oblaku, samo se nije dovoljno ohladio da bi u njemu nastala kondenzacija. Kada on postigne visinu kondenzacije i on će se pretvoriti u oblak, a dio oblaka iznad njega će se uzdići još više. Kondenzacija vode oslobađa latentnu toplinu isparavanja vode zbog čega se oblak dodatno zagrije i raširi, smanji gustoću te zbog dodatnog uzgona poleti još brže i više uvis. Zato je gornja strana oblaka neravna poput pamuka ili cvjetače.
Zadatak: Za koliko se povisi temperatura oblaka ako se sva njegova vodena para gustoće ρ_v= 20 g/m³ kondenzira u kapljice? Iskoristit ćemo zakon očuvanja energije. Oslobođena toplina kondenzacije vode zagrijava zrak tako da za jedinični volumen vrijedi ρ_v∙ λ = ρ_z∙c_z∙ΔT, gdje je λ = 334000 J/kg latentna toplina vode, ρ_z = 1,293 kg/m^3 gustoća zraka i c_z= 1005 J/kgK specifični toplinski kapacitet zraka. Uvrštavanjem u jednadžbu dobijemo da se kondenzacijom vode temperatura oblaka povisi za ΔT = 5 °C, što bi ga trebalo dodatno podignuti još za barem 200 m. Naime, povećanje temperature oblaka iznosi približno 2% njegove apsolutne temperature što uz stalan tlak znači i povećanje volumena oblaka za oko 2% te smanjenje njegove gustoće za isti postotak. Zbog toga se javlja sila uzgona koja ga podiže sve dok ne dođe na visinu na kojoj mu je gustoća jednaka gustoći okolnog zraka. S obzirom da je debljina atmosfere oko 10 km, smanjenja gustoće atmosfere 2 % postiže se s povećanjem visine za približno 200 m.
Bijela boja oblaka, koja nastaje raspršenjem Sunčeve svjetlosti na kapljicama vode, pokazuje nam točno dio atmosfere u kojem se nalaze kapljice ili kristalići vode, jer je vodena para u okolnom zraku potpuno nevidljiva. Oblaci se, dakle, sastoje od zraka ispunjenog sićušnim kapljicama vode čija veličina je svega nekoliko mikrona. Te kapljice padaju jer na njih djeluje sila teža, ali zbog djelovanja sile otpora zraka brzina njihovog pada je konstantna i vrlo mala. Tipične brzine padanja ovih najmanjih kapljica su nekoliko centimetara u sekundi u odnosu na zrak. Međutim, zrak se u oblaku podiže brzinama znatno većim od brzine pada kapljica, tipično reda veličine 1 m/s, pa kapljice ne mogu pasti na zemlju. Brzina pada razmjerna je korijenu polumjera kapljice i postaje veća od uzlazne struje zraka tek ako se u oblaku stvore kapljice promjera jednog milimetra ili veće. Međutim, tada na zemlju ne pada oblak nego iz oblaka pada kiša. U ovom tekstu ne razmatramo kišonosne i olujne oblake u kojima brzine uzlaznih struja mogu doseći iznose veće od 40 m/s. Njihove uzlazne struje mogu u oblaku održavati komade leda promjera teniske loptice i tako omogućavati i teškome oblaku da ne padne na tlo.
Ako je neposredno iznad tla zrak dovoljno hladan i vlažan, oblak nastaje uz samu površinu tla pa možemo hodati kroz njega i saznati kako je to biti u oblacima. Čini nam se kao da je oblak pao na zemlju. Taj oblak zove se magla. Magla najčešće nastaje hlađenjem tla zračenjem tijekom vedre noći, ali i za vrijeme temperaturne inverzije, kada je zbog tople visinske struje veća temperatura na vrhovima planina nego u dolinama ili kada vlažan i topao morski zrak naiđe na hladnije kopno.
Očito postoji više razloga zbog kojih oblak ne pada na tlo:
- Zbog djelovanja sile uzgona. Oblak je manje gust („lakši“) od zraka ispod njega pa zapravo pluta na gušćem zraku.
- Oblak podržavaju uzlazne struje: Kapljice u oblaku padaju sporije od uzlazne struje koja ih podiže.
- Oblak će prije ispariti nego pasti na tlo: Ako oblak počne padati ispod visine kondenzacije, on će na toj visini isparavati i neće padati niže.
- Magla nije oblak koji je pao na zemlju, nego oblak koji nastaje neposredno uz tlo.