Водяной пар в воздухе


В воздухе всегда содержится водяной пар. Водяной пар — это вовсе не те белые клубы около паровоза или над самоваром, которые в повседневной жизни мы называем «паром». В действительности водяной пар — это бесцветный и невидимый газ.

Белые клубы над самоваром, так же как и облака в небе, состоят из мельчайших капелек воды и представляют результат перехода водяного пара из газообразной формы в жидкую — в воду. Такой переход газа в жидкость называется конденсацией, а обратный переход жидкой воды в водяной пар носит название испарения. Конденсация и испарение тесно связаны с изменениями температуры воздуха.

Испарение легко наблюдать, когда сушатся какие-нибудь предметы, например белье. Как мы знаем по опыту, белье сохнет не всегда одинаково быстро, а иногда оно совсем не сохнет. Иногда даже сухое белье, вынесенное на воздух, становится влажным. Отчего это происходит?

Определенный объем пространства, безразлично — пустого или наполненного воздухом, может вместить в себя только определенное количество водяного пара. Поэтому испарение будет продолжаться только до тех пор, пока водяной пар не достиг состояния насыщения, т. е. такого состояния, когда данное пространство уже не способно поглощать больше влаги.
Оказывается, что количество водяного пара, которое требуется для того, чтобы «насытить» им пространство, не всегда одинаково, оно меняется в зависимости от изменения температуры воздуха. Так, например, 1 м³ пространства при температуре 0° может поглотить только 5 г водяного пара. При температуре 10° тепла этот же объем может вместить уже 9,5 г, а при температуре 30° вмещается 30 г водяного пара. Значит, чем выше температура, тем больше требуется водяного пара, чтобы насытить данный объем пространства.

Предположим, что воздух имеет температуру 30° тепла и в каждом кубическом метре пространства содержится 10 г водяного пара, т. е. он еще очень далек от насыщения. Что произойдет с этим воздухом, если он охладится до 10° тепла? При +10° в воздухе может быть не более 9,5 г водяного пара, поэтому лишние полграмма должны перейти в воду и выделиться в виде капелек росы или белых клубов тумана. Именно так образуются облака и туманы в атмосфере, когда по каким-либо причинам воздух охлаждается и температура его в той или иной мере понижается.

При температуре ниже 0° вода в атмосфере может находиться не в двух, а в трех состояниях — газообразном (водяной пар), жидком (вода) и твердом (лед). Жидкие капли могут плавать в воздухе даже при отрицательной температуре, т. е. ниже 0°, все же не замерзая; в этом случае вода будет находиться, как говорят, в переохлажденном состоянии, хотя, как правило, она начинает замерзать уже при 0°. При морозе конденсация сильно усложняется в связи со способностью льда притягивать к себе влагу.

При температуре 10° мороза 1 м³ воздуха при отсутствии вблизи льда может содержать до 2,35 г водяного пара. Если же в этот объем воздуха поместить кусок льда, то на его поверхности начнет образовываться белый снежный налет и количество водяного пара в воздухе уменьшится до 2,19 г. Значит, при морозе емкость пространства для водяного пара зависит не только от температуры, но и от того, соприкасается этот воздух со льдом или нет. В присутствии льда эта емкость уменьшается: воздух насыщается меньшим количеством водяного пара.

Свойство льда собирать на своей поверхности влагу и обращать ее в снег, как мы увидим далее, очень важно для объяснения причин образования осадков. 

 

КАК ОБРАЗУЮТСЯ ДОЖДЬ И СНЕГ

Облака состоят из очень мелких капель воды или плавающих в воздухе кристаллов льда. Эти капельки и кристаллики настолько малы, что под действием силы тяжести они лишь медленно опускаются вниз.

Их можно сравнить с плавающими в воздухе мельчайшими пылинками, которые мы видим в ярком солнечном луче, проникающем в окно полутемной комнаты.

Когда облачные капли и кристаллы увеличиваются в размере и становятся тяжелее, то они начинают падать скорее и из облака выпадает дождь или снег.

При температуре выше 0° облако состоит, конечно, только из капель воды: лед при такой температуре тает. В очень холодном воздухе облако обычно состоит из одних ледяных кристаллов без капель воды.

Однако при слабом морозе облако может состоять из смеси капель воды и кристаллов льда: именно из таких облаков обычно и выпадают осадки.

Во всяком облаке водяной пар находится в насыщенном состоянии, т. е. пространство в пределах облака содержит наибольшее количество водяного пара, которое возможно при данной температуре.

Если бы этого не было, то капли, из которых состоит облако, немедленно бы испарились и облако растаяло.

Что же происходит в облаке, состоящем из одних водяных капель, если в него по каким-то причинам попадают ледяные кристаллы? Благодаря свойству льда притягивать к себе влагу ледяные кристаллы начинают расти, количество водяного пара в облаке уменьшается, воздух перестает быть насыщенным, а водяные капли начинают испаряться. Таким образом, кристаллы постепенно растут за счет уменьшения капель и превращаются в снежинки. Выросшие снежинки выпадают из облака, начинается снегопад.

Казалось бы, что такой процесс может вызвать выпадение только снега и никак не объясняет выпадение дождя. Однако это не так. В тропосфере температура с высотой понижается, и даже в самый жаркий день на высоте нескольких километров над Землей царит мороз. Поэтому почти всякий летний дождь сначала возникает наверху как снег, и только потом, падая и попадая в нижние теплые слои, снежинки тают и достигают поверхности Земли уже в виде дождевых капель.