В атмосфере часто возникают волновые движения с различными амплитудой и длиной волн. При определенных условиях под их влиянием образуются волнистообразные облака. Чаще всего волновые движения в атмосфере связаны с устойчиво стратифицированными слоями, с инверсиями. Нижняя граница инверсионного слоя представляет собой поверхность раздела между нижележащим холодным и вышележащим более теплым воздухом. Если вдоль такой поверхности раздела холодный воздух и теплый воздух движутся с разными скоростями, то на ней развиваются волны, подобные волнам на границе между водой и воздухом (волны Гельмгольца). Высота (амплитуда) и длина этих волн зависят от разностей плотности воздуха и скорости ветра под инверсионным слоем и в самом этом слое.
Рис. 3.3. Образование волнистых облаков
Воздух, поднимающийся в гребнях волн, адиабатически охлаждается, и в нем может начаться конденсация водяного пара. Между гребнями волн (в ложбинах) воздух опускается и содержащийся в нем пар удаляется от состояния насыщения. Таким образом, в гребнях волн образуются облака (слоисто-кучевые, высококучевые, перисто-кучевые и перистые), а в ложбинах они рассеиваются и появляются просветы голубого неба. Если облака существовали до образования слоя инверсии, то в результате волновых движений они уплотняются в гребнях волн, а в ложбинах рассеиваются или становятся менее плотными.
Если нижняя граница инверсии разделяет два потока воздуха, движущиеся под некоторым углом друг к другу, то возникают системы волн, расположенные в двух разных направлениях. В результате взаимодействия этих систем правильность волн нарушается, а облачные гряды, валы, полосы разбиваются на отдельные пластины, комочки, хлопья, расположенные рядами или в шахматном порядке. Волны Гельмгольца обычно неустойчивы и вскоре после своего возникновения распадаются на ряд отдельных ячеек или вихрей. Под слоем инверсии создаются благоприятные условия для скопления водяного пара, пылинок и ядер конденсации. В связи с этим именно в подынверсионном слое происходит интенсивная конденсация водяного пара и образование облаков. Этот процесс протекает медленно, спокойно, вследствие чего образующиеся облака приобретают вид сплошного слоя. Верхняя их граница имеет волнистую форму.
Волновые движения в атмосфере могут возникать и в слоях с большими вертикальными градиентами температуры, т.е. при резком падении температуры с высотой. В этом случае волнистые облака возникают в результате т.н. ячейковой циркуляции, открытой в 1901 г. Бенаром. Ячейковая циркуляция возникает при γ > 0.82 ºС/100 м. При такой циркуляции соответствующий слой атмосферы разбивается (в плане) на множество ячеек, имеющих форму правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки развиваются восходящие движения воздуха, а по краям – нисходящие. В результате в центрах ячеек возникают облака, а вокруг просветы.
Ячеистая структура облаков чаще наблюдается над океанами, чем над сушей, и в основном в холодное время года, когда поверхность океана теплее вторгающегося на нее континентального воздуха.
