5 months ago
No comment

Sorry, this entry is only available in
Russian
На жаль, цей запис доступний тільки на
Russian.
К сожалению, эта запись доступна только на
Russian.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Вода в природе совершает непрерывный круговорот. Испаряясь с поверхности рек, озёр и морей, с влажной почвы, с травы, с листьев деревьев и кустарников, она под­нимается вверх в виде водяного пара, сгущается в облака, а затем выпадает на земную поверхность, стекает в реки и моря, впитывается почвой, поглощается растениями и снова испаряется. Этот никогда не прекращающийся процесс в зависимости от условий может протекать по-разному: иногда на землю выпадает дождь, иногда град, иногда снег. Чтобы понять причину этих явлений, познакомимся с не­которыми свойствами воды.

Вода может быть и жидкостью, и газом, и твёрдым телом. При нормальном атмосферном давлении и температурах от 0° до 100° вода — жидкость.

Если воду охладить до 0°, то она превратится в лёд. 100° — это температура кипения воды. Вода испаряется при любой температуре, но при 100° испарение идёт очень быстро и по всему объёму жидкости — вода кипит. При более высоких температурах и при нормальном атмосферном дав­лении вода может существовать только в виде пара.

Водяной пар невидим. Белые клубы, которые мы ви­дим над чайником с кипящей водой, представляют со­бой не пар, а мельчайшие капельки воды, результат сгу­щения, или, как говорят, конденсации водяного пара. Если зимой внести с улицы в комнату холодный металлический предмет, то он запотеет. Это тоже следствие конденсации водяного пара, находящегося в комнате.

Как протекает конденсация?

Воздух не может содержать сколько угодно водяного пара. Чем больше нагрет воздух, тем больше в нём может быть пара, но при любой температуре всегда наступает мо­мент, когда воздух становится насыщенным: при 10° один кубический метр воздуха может содержать не более 9,5 грамма пара, а при 20° — не больше 17 граммов. При дальнейшем увеличении количества водяного пара воз­дух становится перенасыщенным, то-есть пере­ходит в такое состояние, при котором достаточно малейшей причины, чтобы пар начал сгущаться в капельки воды. То же самое происходит и при охлаждении насыщенного воздуха. При более низких температурах для насыщения достаточно меньших коли­честв пара, и поэтому по мере охлаждения воздух де­лается перенасыщенным.

Совершенно чистый воздух можно перенасытить довольно сильно. Однако атмосферный воздух никогда не бывает абсо­лютно чистым: в нём всегда есть гигроскопические пылинки, (то-есть пылинки из веществ, способных притягивать и поглощать влагу из воздуха), кристалики различных солей и другие мельчайшие частицы. Это — ядра кон­денсации. Частицы пара легко притягиваются к ним и сгущаются, образуя вокруг ядер водяную плёнку, быстро растущую в перенасыщенном воздухе.

Водяной пар при охлаждении не всегда конденсируется в воду. При определённых условиях пар может сразу прев­ратиться в ледяные кристалики. Это зависит от давления пара и температуры воздуха.

Всякий газ оказывает давление на находящиеся в нём предметы. Например, воздух на уровне моря давит на нас с силой, равной весу столба ртути высотой в 760 мм (милли­метров). Давление водяного пара также измеряется высотой столбика ртути, который он способен уравновесить (рис. 1). Давление пара обычно называют упругостью.

Водяной пар давит на поверхность ртути в трубке

Водяной пар давит на поверхность ртути в трубке

Если упругость пара меньше 4,6 мм ртутного столба, то пар при охлаждении ниже 0°, достигнув перенасыщения, превращается в кристалики льда, не переходя предвари­тельно в воду. Если же упругость больше 4,6 мм ртутного столба, то пар сначала сгущается в жидкость, которая по мере дальнейшего охлаждения замерзает и превращается в лёд.

В верхних слоях атмосферы упругость водяного пара меньше, чем в нижних. Например, на высоте 3 км упругость пара, насыщающего воздух, почти в четыре раза меньше, а на высоте 5 км — в десять раз меньше, чем на уровне моря. Над средней частью Европейской территории Советского Союза летом упругость пара уже на высоте 4,0—4,5 км достигает 4,6 мм ртутного столба. Значит уже на этой вы­соте возможен переход пара в ледяные кристалики.

То же самое можно сказать и о температуре. Распреде­ление температуры воздуха в атмосфере по высоте в жаркий летний день показано на рисунке 2. В то время, как у самой поверхности Земли температура достигает 25°, на высоте 12—14 км царит такой же холод, какой бывает на земле в самые лютые морозы.

Распределение температуры в атмосфере

Распределение температуры в атмосфере

Поднимающийся от поверхности Земли нагретый воздух несёт с собой водяной пар. По мере охлаждения при подъёме воздух всё более приближается к состоянию насыщения. Наконец, на некоторой высоте начинается конденсация, и в воздухе образуются мельчайшие водяные капли. Они со­ставляют нижний слой облаков. Воздух с оставшимся в нём паром продолжает подниматься вверх. Если ток воз­духа сильный, то он может увлечь за собой вверх и об­разовавшиеся водяные капли. Достигнув слоев атмосферы с температурой ниже нуля градусов, эти водяные кап­ли будут охлаждаться всё сильнее, переохладятся и на­конец замёрзнут. На замёрзших водяных капельках нач­нут осаждаться и замерзать другие водяные капли, под­нимающиеся снизу. В результате этого образуются хо­рошо знакомые каждому из нас ледяные шарики — градины.

Пар превращается в капельки воды только в тех слоях атмосферы, где его упругость больше 4,6 ммВ более высо­ких слоях атмосферы пар сразу превращается в ледяные кристалики — зародыши снежинок, так называемую алмазную пыль. Этот процесс называется сублима цией. Для сублимации пара, так же как и для конденса­ции, необходимо, чтобы в воздухе имелись мельчайшие твёрдые частицы — ядра сублимации, на которых мог бы осесть пар.

Таким образом, и дождь, и град, и снег образуются в ре­зультате охлаждения водяного пара.

Так как процесс охлаждения протекает в атмосфере по-разному, то и облака неодинаковы по своему составу.

Облака верхних слоев воздуха, которые похожи на нежные белые волокна или перья и называются поэтому перистыми, состоят преимущественно из ледяных кристаллов. Перистые облака находятся на высоте бо­лее 6 км.

Облака нижних слоев воздуха — слоистые, похо­жие на туманные полосы, являются в основном водяны­ми облаками. Высота слоистых облаков обычно не превы­шает 1 км.

Кучевые облака, имеющие вид красивых куполо­образных наслоений с округлыми краями, образуются при восходящих токах воздуха и также являются в основном водяными облаками.

При очень сильных восходящих токах воздуха могут образоваться кучеводождевые облака. Они имеют вид облачной башни с вершиной в форме наковальни. Нижняя часть такого облака состоит из водяных капель, средняя — из переохлаждённых капель, верхняя — из снежинок, а самая вершина — из ледяных кристаллов. Осно­вание кучеводождевого облака лежит на уровне слоистых облаков, а вершина может достигать уровня перистых.

По мере роста облака водяные капли, градины или ледя­ные кристаллы укрупняются. Сила тяжести заставляет их падать вниз, но восходящий от земли ток тёплого воздуха препятствует движению частиц вниз. В конце концов насту­пает момент, когда частицы становятся столь крупными и тяжёлыми, что восходящий ток воздуха уже не может удер: живать их. Тогда идёт дождь, град или снег.

В летнее время может итти только дождь или град. Сне­жинки же имеют значительно меньшие размеры, чем градины и, проходя через тёплые нижние слои воздуха, успевают растаять и превращаются в капельки тумана или водяной пар. Иная картина наблюдается зимой. В зимние ме­сяцы даже у поверхности земли температура низка. Поэтому снежные кристаллы, выпадающие из облаков, не тают по пути на землю, а наоборот, даже вырастают. Рост снежинок происходит в то время, когда они проходят через слои воз­духа, менее холодные, чем сами снежинки. Пар, соприка­саясь с холодной снежинкой, сгущается и, осаждаясь на снег жинке, содействует её росту.

Формы снежинок весьма разнообразны (рис. 3). Про­стейшие снежинки имеют вид призмочек, пластинок, игл, существующих отдельно или сросшихся между собой. Бо­лее сложные кристаллы снега имеют форму разветвлённых звёздочек. Отдельные снежинки могут быть сочетаниями из звёздочек и пластинок. Пластинки в большинстве слу­чаев бывают шестигранными. Длина их граней не всегда одинакова. Иногда 2—3 грани бывают значительно короче остальных и пластинки кажутся треугольными или четырёх­угольными. Звёздочки представляют собой пластинки, по углам которых наросли ветвистые кристаллы.

Снежинки под микроскопом

Снежинки под микроскопом

Форма снежных кристаллов зависит от температуры воз­духа и количества водяного пара в нём. При температурах, близких к 0°, чаще всего выпадают сильно разветвлённые звёздочки, а при более низких температурах — мелкие пла­стинки, призмы и иглы.

При температуре, близкой к 0°, воздух часто бывает пе­ренасыщен водяным паром. В таких условиях снежинки рас­тут быстро и неравномерно; на углах снежных кристаллов образуются рожки, которые затем начинают ветвиться, придавая снежинке форму звёздочки. При очень больших морозах снежинки почти не растут. Поэтому-то в сильные морозы мы и видим иногда искрящиеся на солнце простей­шие кристаллы — алмазную пыль.

Размеры снежных кристаллов весьма малы: большей ча­стью они составляют доли миллиметра. При падении, если температура воздуха близка к 0°, кристаллы могут сли­паться в снежные хлопья размером до одного сантиметра. В отдельных случаях могут возникать и более крупные хлопья. Так, например, 4 декабря 1892 года в Саксонии падали хлопья снега, достигавшие в поперечнике 12 смПри ветре хрупкие снежинки обламываются, крошатся, и на землю падают мелкие обломки кристаллов.

Снег не всегда бывает белым. Бывают случаи, когда вы­падает красный, жёлтый, синий и чёрный снег.

Красный снег выпадал в Германии, близ города Гейдель-берга, а также в Гренландии. Оказалось, что в первом слу­чае цвет его был вызван примесью пыли, содержащей желе­зо, а во втором — примесью мельчайших красных водоро­слей. Жёлтый снег видел в Сибири известный русский геолог академик В. А. Обручев. Чёрный снег наблюдали в Шотландии. И жёлтая и чёрная окраска снега также была вызвана примесями. Жёлтая и чёрная пыль минеральных веществ была, очевидно, поднята с земли ветром в атмосфе­ру, а затем отдельные пылинки послужили ядрами конден­сации при образовании снега.