Конденсация водяного пара в атмосфере

Конденсация – процесс перехода водяного пара в жидкое состояния, происходит в атмосфере в виде образования мельчайших капелек, диаметром в несколько микрон с их последующим слиянием в более крупные.

Конденсация в атмосферном воздухе начинается при понижении температуры воздуха до «точки росы», когда воздух достигает насыщения, т.е. количество водяного пара становится насыщающим, возникают начальные комплексы молекул воды, которые в дальнейшем растут до величины капелек. Если точка росы (температура воздуха, при которой происходит насыщение) лежит значительно ниже нуля, то первоначально растут переохлажденные капельки, но затем они замерзают, и на них происходит развитие ледяных кристаллов. Охлаждение воздуха чаще всего происходит при его адиабатном подъеме и расширении, когда градиент температуры составляет один градус на каждые 100 мподъема. Для воздуха, не очень далекого от насыщения, вполне достаточно подняться вверх на несколько сотен метров, чтобы в нем началась конденсация.

В атмосфере происходит не только образование капелек, но и переход водяного пара в твердое состояние, этот процесс называется сублимацией, он приводит к образованию твердых осадков, которые имеют хорошо выраженное кристаллическоестроение, например, сложные формы снежинок – шестилучевых звездочек с многочисленными разветвлениями.

Термин конденсация обычно применяется к конденсации и сублимации вместе. Конденсация в атмосфере всегда происходит на некоторых центрах, называемых ядрами конденсации, например, на твердых частичках и капельках, являющихся продуктами сгорания или органического распада, которые вследствие своей гигроскопичности увеличивает устойчивость образовавшегося зародыша капельки. Их размер 10^–7 – 10^–5 см, а концентрация (число частиц в 1 см³) в среднем 10³ над океаном, 10⁴ над сушей вне городов, а в городах ≈ 1,5×10⁵. С высотой число ядер быстро убывает. На высоте 3–4 км ядра конденсации считаются только сотнями. Ядра конденсации вследствие своей малости переносятся воздушными течениями на большие расстояния.

Облака. Турбулентное движение воздуха приводит к тому, что столь малые капельки и кристаллы не выпадают на землю, а длительное время остаются взвешенными в воздухе. При повышении относительной влажности капельки на ядрах конденсации начинают расти, а при значениях влажности около 100 % внутри атмосферы возникают видимые скопления капелек и кристаллов – облака. Скопления продуктов конденсации непосредственно у земной поверхности называют туманами.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность в воздухе, содержащем облака, убывает, то облака испаряются. При определенных условиях часть облачных элементов укрупняется и утяжеляется настолько, что выпадает из облака в виде осадков. Таким путем вода возвращается из атмосферы на земную поверхность. Облака находятся в процессе постоянного новообразования и исчезновения (испарения). Отдельные облака существуют подчас очень короткое время. Например, существование кучевых обла­ков иногда продолжается всего 10–15 минут.

По своему строению облака делятся на три класса.

1) Водяные (капельные) облака, состоящие только из капелек. Они могут существовать не только при положительных температурах, но и при температурах ниже нуля; в этом случае капельки будут находиться в переохлажденном состоянии, что в атмосферных условиях вполне обычно.

2) Смешанные облака, состоящие из смеси переохлажденных капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах.

3) Ледяные (кристаллические)облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах.

В теплое время года водяные облака образуются, главным образом, в нижних слоях тропосферы, смешанные – в средних слоях, ледяные – в верхних. В холодное время года при низких температурах смешанные и ледяные облака могут возникать и вблизи земной поверхности. Чисто капельное строение облака могут сохранять до температур порядка –10°С. При низких температурах в облаке наряду с капельками встречаются и кристаллы, т.е. облако является сме­шанным.

Размеры облачных капель варьируют в широких пределах, от долей микрона до сотен микронов. Путем конденсации радиус облачных капелек может увеличиваться примерно до 20 мк, а при взаимном слиянии капелек илипри таянии кристаллов, в облаках могут получаться капли радиусом до 100–200 мк. Крупные капли начинают выпадать из облака в виде мороси или дождя. Радиус крупных капель дождя может достигать и тысяч микронов (нескольких миллиметров). Количество капелек в единице объема облачного воздуха изменяется от сотен на см³ в нижней тропосфере, до единиц на см³ в высоких слоях тропосферы. Содержание кристаллов в облаках еще меньше – примерно 0,1 на один кубический сантиметр. Водностью облаков называют содержание в них воды в жидком или твердом виде. В водяных облаках на каждый м³воздуха приходится от 0,2 до 5 грамм воды. В кристаллических облаках водность значительно меньше – сотые и тысячные доли граммана каждый кубический метр. Это и понятно: абсолютная влажность воздуха измеряется лишь граммами на кубический метр, а в более высоких слоях, т.е. при более низких температурах, – долями грамма. При конденсации только часть водяного пара, имеющегося в воздухе переходит в жидкое состояние. Поэтому водность облаков оказывается еще меньше, чем абсолютная влажность воздуха.

Облака встречаются на высотах между уровнем моря и тропопаузой. В этом диапазоне высот условно различаются три яруса облаков. Нижний ярус во всех широтах – от земной поверхности до 2 км. Средний ярус в полярных широтах – от 2 до 4 км, в умеренных – от 2 до 7 км и в тропических – от 2 до 8 км. Верхний ярус в полярных широтах простирается в среднем от 3 до 8 км, в умеренных широтах – от 5 до 13 км и в тропических широтах – от 6 до 18 км. Формы облаков в тропосфере можно свести к относительно небольшому числу основных типов.

Рис. 4.1. Распределение родов облаков в тропосфере (интернет-журнал meteoweb.ru)

Таблица 4.2

Характеристика облаков

Окончание табл.4.2

В конце XIX века была принята первая международная классификация облаков, которая с тех пор несколько раз подвергалась существенным, но не принципиальным изменениям. В современном варианте международной классификации облака делятся на 10 основных родов по их внешнему виду (рис. 4.1).

В этих основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей; промежуточных форм. В табл. 4.2 перечислены десять основных родов облаков (кроме русских названий, приводятся также международные латинские названия и их сокращения).

Облачность – это степень покрытия небесного свода облаками. Определяется по десятибалльной шкале. Ноль баллов соответствует безоблачному небу, а 10 баллов – полному покрытию неба облаками.

Облачность является важным фактором погоды и климата. Как показано в разделе 1.8, зимой и ночью она препятствует понижению температуры поверхности земли и приземного слоя воздуха вследствие уменьшения лучеиспускания в мировое пространство. Летом и днём облачность ослабляет нагревание земной поверхности солнечными лучами.

Рассмотрим географическое распределение средней годовой облачности. Над морем облачность больше, чем над сушей на 0,5–1,5 балла. В среднем для всего северного полушария она над сушей 4,8 и над морем 5,6; для всего Земного шара в целом 5,4. Таким образом, поверхность Земного шара закрыта облаками более чем наполовину.

Рис. 4.2. Среднее распределение облачности по географической широте над материками (вверху) и над океанами (внизу) [84].

Среднее распределение облачности по широтам представлено на рис. 4.2. Облачность растет от высоких широт к субполярным, и достигает максимума в зоне 70–60° широты, что связано с максимальным развитием здесь циклонической деятельности. Далее, в направлении к субтропическим широтам, облачность убывает, достигая минимума в районе 30–20°, где развиты субтропические антициклоны. К экватору облачность снова увеличивается, – это зона пассатов и зона вблизи экватора, где встречаются пассаты двух полушарий и развивается сильная конвекция (гл. 5).