8 років тому
Немає коментарів

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

В атмосферу попадают частицы самых различных размеров — от гигантских метеоров до мельчайших частичек, которые нельзя разглядеть невооруженным глазом. Первые чрезвычайно редки — настолько, что в дальнейшем мы не будем о них упоминать. У обычных же аэрозолей размеры частиц лежат в пределах от микроскопических до нескольких миллиметров в диаметре.

Из относительно крупных частиц состоят (в порядке увеличения) облака, дождь, снег и град. Все такие частицы, появляющиеся в атмосфере в результате конденсации водяных паров, называют гидрометеорами (от латинского «гидро» — вода).

Гидрометеоры

В последующих разделах мы будем рассматривать такие частицы, у которых размеры еще меньше, чем у обычных капелек в дождевом облаке. Но в начале кратко остановимся на некоторых характеристиках обычных гидрометеоров. Самые важные из них — диаметр, масса, форма, химический состав и скорость выпадения. Эти характеристики частично зависят друг от друга. Зная диаметр и химический состав частицы сферической формы, можно вычислить ее массу и скорость выпадения.

На рис. 5 приведены результаты измерения концентрации капелек внутри дождевого облака, выраженной числом капелек на кубический сантиметр. Следует иметь в виду, что форма капелек внутри облака близка к правильной сфере. Дождевые капли тоже круглые, но они не вполне сферичны, а несколько уплощены снизу: испытывая при падении сопротивление воздуха, они, разумеется, не могут сохранить правильную форму и становятся похожи больше на пышку, чем на футбольный мяч.

Естественно задать вопрос: чем дождевая капля отличается от водяной капельки, находящейся внутри облака? Действительно, это почти одно и то же. Дождевыми обычно называют капли, имеющие диаметр свыше 0,2 мм. Капли значительно меньших размеров падают медленно, быстро испаряются и редко достигают поверхности земли. Капли, диаметр которых значительно превышает 0,2 мм, падают быстро, испаряются медленно и обычно успевают достигнуть поверхности земли.

По мере увеличения размера водяных капелек их содержание в дождевом облаке уменьшается

По мере увеличения размера водяных капелек их содержание в дождевом облаке уменьшается

Обратите внимание на то, что на рис. 5 масштаб по вертикали с увеличением чисел становится все мельче: вверх по оси ординат одинаковым приращениям чисел соответствуют все меньшие расстояния (для тех, кто любит точные определения, заметим, что такая шкала называется логарифмической).

На этом рисунке надо отметить еще несколько особенностей. Вообще говоря, чем больше размер частиц, тем их бывает меньше. Данный факт установлен прямыми наблюдениями, в частности за дождевыми каплями. В большинстве случаев это справедливо также для града и прочих осадков. Более того, это же подтверждается и для более мелких частиц дыма и пыли, взвешенных в атмосфере.

Диаметр дождевых капель лежит в пределах от 0,2 до приблизительно 5 мм. Водяные капли еще большего размера неустойчивы. Под воздействием турбулентных сил они начинают вибрировать и распадаются на более мелкие капли. Типичные концентрации дождевых капель в единице объема гораздо меньше концентрации мелких капелек внутри облака. Представим себе куб с ребром в 1 м; объем такого куба равен одному кубическому метру. Так вот, внутри дождевого облака такого объема вполне может быть около 100 000 мелких капелек, но во время дождя в 1 м3 воздуха будет всего около 100 капель. На первый взгляд такое большое различие концентраций может показаться неожиданным, однако, поразмыслив, вы согласитесь, что это правильно.

Туман есть не что иное, как облако, образующееся вблизи от поверхности земли. Как все мы знаем, он ухудшает видимость. При сильном тумане иногда не удается различить предметы даже на расстоянии 10 м. То же самое случается, когда самолет пролетает через толстый слой облачности. При этом за мириадами водяных капелек иной раз не видны даже концы крыльев. Но во время дождя, даже очень сильного, видимость ухудшается гораздо меньше. В некоторых случаях, когда дождь начинается во время тумана, дождевые капли уносят с собой более мелкие капельки тумана, уменьшают его плотность, и видимость улучшается.

Скорость выпадения частиц

Большое значение имеет тот факт, что скорость выпадения взвешенных в воздухе частиц зависит от их размеров, формы и химического состава. Кроме того, она зависит от свойств того слоя атмосферы, который частицы проходят при своем падении. Рассмотрение факторов, определяющих скорость выпадения частиц, лучше всего начать в предположении, что атмосфера идеально неподвижна, и именно при этом допущении определить, насколько быстро падающая частица достигнет земли. Когда же имеются восходящие или нисходящие воздушные потоки, то решение этой проблемы сильно усложняется.

Из школьного курса физики вы, может быть, помните, что любой брошенный предмет под воздействием силы тяжести падает на землю.

Если бы сила тяжести была единственной силой, действующей на падающие предметы, то скорость падения была бы одной и той же независимо от размеров и массы предмета, будь то мячик для пинг-понга или наковальня. Это легко видеть из формулы знаменитого второго закона Ньютона:

F = та,

т. е. сила = (массе предмета) X (ускорение предмета). В нашем случае направленная вниз сила равна просто весу предмета. Вес равен массе предмета, умноженной на ускорение силы тяжести (обычно его обозначают буквой g). Таким образом, мы можем написать:

Mg = Ma,

тогда, разделив обе части уравнения на М, получим

a=g.

Поскольку около поверхности земли g = 9,8 метра в секунду за секунду (м/сек2), то ускорение падающего предмета тоже равно 9,8 м/сек2 независимо от его массы или любого другого свойства.

По-видимому, сейчас самое время сказать несколько слов относительно понятия массы, которым мы уже несколько раз пользовались. Когда мы ставим какой-нибудь предмет на весы и взвешиваем его, то мы получаем его вес. По определению масса предмета равна его весу, деленному на ускорение силы тяжести. Масса предмета является физической характеристикой вещества, из которого он состоит, и она не зависит от силы тяжести. Предмет, имеющий массу М, будет обладать этой же самой массой независимо от того, где он находится — на поверхности земли, на высоте 3000 км (где ускорение силы тяжести примерно вдвое меньше, чем на поверхности земли) или на Луне (где ускорение силы тяжести приблизительно в 6 раз меньше земного). Вес же этого предмета на поверхности земли будет равен Mg, а на Луне Mg/6, масса любого предмета определяется тем, сколько в нем содержится молекул и каково их строение. Сравним массы одного кубического сантиметра различных веществ. Кубический сантиметр чистой воды имеет массу около 1 г. Масса кубического сантиметра льда равна приблизительно 0,9 г; как видите, она меньше, чем у воды, и именно поэтому лед плавает на ее поверхности. 1 см3 свинца весит 11 г, и, как вы знаете, свинец сразу же тонет в воде. Заметьте, что мы все время говорим о массе одного кубического сантиметра вещества. Эту характеристику вещества (массу единицы объема) называют плотностью. Таким образом, плотность воды 1 г/см3, плотность льда 0,9 г/см3 и плотность свинца 11 г/см3.

Зная объем вещества V и его плотность D, легко можно определить общую массу М по формуле

M = VD.

Таким образом, масса воды, доверху заполняющей сосуд объемом 10 см3, равна 10 г.

Обогатившись этими полезными знаниями, вернемся к вопросу о том, как происходит падение частицы в атмосфере. Важно понять, что в предыдущих рассуждениях о ее ускорении, когда мы считали последнее равным ускорению силы тяжести, мы пренебрегали тормозящим действием воздуха. По существу мы предполагали, что наша частица падает в свободном пространстве. Но воздух, как бы ни была мала его плотность, вовсе не свободное пространство. Он состоит из смеси газов — главным образом азота и кислорода. Любой предмет, падающий в атмосфере, должен пройти сквозь море газовых молекул. Хотя каждая из молекул в отдельности чрезвычайно мала, но их так много и они движутся с такими высокими скоростями, что все вместе образуют некоторое подобие жид­кости. Эта «жидкость» толкает падающее тело вверх, замедляя его движение. По результату это сходно с действием силы трения на какой-либо предмет, скользящий по поверхности пола. Говорят, что на падающую частицу действует сила сопротивления воздуха.

Сила сопротивления зависит как от свойств частиц, так и от среды, в которой они падают. Железный шарик будет падать в воздухе быстрее, чем в воде, а в нефть он будет погружаться еще медленнее. Если в летний день вы положили этот шарик в открытую бочку со смолой и взяли бы на себя труд немного подождать, то могли бы увидеть, как он медленно-медленно погружается в смолу. При этом скорость погружения, конечно, зависела бы от температуры смолы. Зимой при низкой температуре смола затвердевает, и шарик в нее вообще не погрузится. Когда температура повышается, смола приближается по свойствам к жидкости, ее вязкость уменьшается и шарик начинает погружаться.

В общем в любой среде и для любого объекта скорость падения зависит от свойств как объекта, так и среды. В нашем случае, когда в воздухе падают сферические водяные капли, главными факторами, которые следует учитывать, являются радиус сферы, плотность и вязкость воздуха. Проблема вычисления скорости падения в этом случае не так уж проста, поскольку сила сопротивления зависит, помимо прочего, еще и от скорости падения капли.

Представим себе частицу, падающую в воздухе. Сила притяжения земли тянет ее вниз, и она начинает разгоняться. Как только частица начинает двигаться, возникает сила сопротивления воздуха, которая направлена вверх. Сначала сила притяжения больше, чем сила сопротивления, и частица продолжает двигаться с ускорением, но по мере роста ее скорости увеличивается и сила сопротивления воздуха. Через короткое время сила притяжения будет полностью уравновешена силой сопротивления. После этого движение частицы не будет ни ускоряться, ни замедляться, и она начнет двигаться с постоянной скоростью, которую называют предельной.

Ниже приводятся значения предельных скоростей в воздухе для частиц различных размеров (на уровне моря).

T_1

Отсюда можно видеть, что дождевые капли падают быстро. В отличие от них частички дыма и пыли падают настолько медленно, что они, можно считать, вообще не падают. Фактически они взвешены в воздухе и движутся вместе с его молекулами. Восходящие потоки воздуха возносят их на большие высоты, перемешивают с чистым воздухом и позволяют распространяться по большим участкам атмосферы.

Само собой разумеется, что выброшенные в атмосферу частицы не остаются в ней вечно. Подсчитано, что за период, примерно равный двум неделям, из атмосферы выпадает такое количество частиц, которое в точности равно количеству содержащихся в ней частиц, т. е. состав частиц как бы полностью обновляется. Этот период называется «временем оборачиваемости» частиц. Не следует думать, что за это время атмосфера полностью очистится и будет ожидать новой порции аэрозолей. Сказанное лишь означает, что скорость удаления частиц такова, что, если бы в течение времени оборачиваемости в атмосферу ничего не выбрасывалось, она могла бы освободиться от загрязнений. На самом деле, конечно, скорость поступления в атмосферу новых частиц примерно такая же, как скорость их удаления. Следовательно, общее содержание дыма и пыли в атмосфере остается приблизительно (но не в точности) одним и тем же. Основываясь на сообщениях, поступающих со всех концов света, можно полагать, что скорость поступления частиц в настоящее время стала несколько превышать скорость удаления. Отсюда следует, что загрязненность атмосферы постепенно увеличивается.

Ранее мы отметили тот факт, что скорость выпадения частиц пыли и дыма очень мала, так что они, можно сказать, совсем не падают. Каким же образом в таком случае мелкие частицы удаляются из атмосферы? Подробным рассмотрением этого вопроса мы займемся в следующей главе; здесь же только отметим, что их захватывают с собой более крупные частицы, в особенности дождевые капли и снежинки.

Метеорологи иногда говорят, что дождь и снег «вычищают» или «отмывают» атмосферу. В справедливости этих выражений вы можете убедиться, наблюдая очень редкий дождь в пыльный, ветреный день. Вы увидите, как капли дождя переносят грязь из воздуха на крыши и окна автомобилей и прочих предметов. Если как раз перед дождем вы помыли свою машину, то такое явление природы, естественно, вас не обрадует. Но, в конце концов, пусть уж лучше будет грязной машина, а не воздух!