4.3.Конденсация в атмосфере.

Конденсация - это переход воды из газообразного в жидкое состояние. В атмосфере она происходит в виде образования мельчайших капелек диаметром порядка нескольких микронов. Более крупные капельки образуются путем слияния мелких или при таянии ледяных кристаллов. Конденсация происходит тогда, когда воздух достигает насыщения, а это чаще всего происходит в атмосфере при понижении температуры. Количество водяного пара, недостаточное для насыщения, с понижением температуры до точки росы становится насыщающим. При дальнейшем понижении температуры избыток водяного пара сверх того, что нужно для насыщения, переходит в жидкое состояние. Возникают зародыши облачных капелек, т.е. начальные комплексы молекул воды, которые в дальнейшем растут до величины обычных облачных капель. Если точка росы лежит ниже нуля, то первоначально возникают такие же зародыши, на которых растут переохлажденные капельки; но затем эти зачаточные капельки замерзают и на них происходит развитие ледяных кристаллов.

Охлаждение воздуха чаще всего происходит адиабатически, вследствие его расширения без отдачи тепла в окружающую среду. Такое расширение происходит преимущественно при подъеме воздуха. Механизмы такого подъема различны. Воздух может подниматься в процессе турбулентности в виде неупорядочных вихрей, в сильных восходящих токах конвекции. Подъем может происходить на атмосферных фронтах или в гребнях атмосферных волн. В зависимости от механизма подъема возникают и различные виды облаков.

В атмосферных условиях происходит не только образование капелек но и сублимация - образование кристаллов, переход водяного пара в твердое состояние. Но термин конденсация обычно применяется в широком смысле, охватывая собственно конденсацию и сублимацию.

Образование капелек при конденсации в атмосфере всегда происходит на некоторых центрах, называемых ядрами конденсации. Как правило, ядрами конденсации являются аэрозольные примеси. Важнейшими ядрами конденсации являются частички растворимых гигроскопических солей, особенно морской соли, которая всегда содержится в воде осадков. Она попадает в воздух при волнении моря и разбрызгивании морской воды. Солевые ядра попадают также при распылении почвы. Возникшие таким путем ядра конденсации имеют размеры порядка десятых и сотых долей микрона. В силу своих малых размеров они не оседают и переносятся воздушными течениями на большие расстояния. При этом в силу своей гигроскопичности они часто плавают в атмосфере в виде мельчайших капелек насыщенного соляного раствора. При повышении относительной влажности они начинают расти, а при значениях влажности в 100% превращаются в видимые капельки облаков и туманов.

При кристаллизации воды неупорядоченное расположение ее молекул сменяется упорядоченным. Кристаллизация воды — сложный физический процесс, который начинается не во всей ее массе, а лишь в тех местах, где условия уже "готовы" к возникновению кристаллов. В твердое состояние сначала переходят небольшие группы молекул воды толщиной в элементарную ячейку пространственной решетки кристалла. По мере понижения температуры критические размеры зародыша льда, обеспечивающие его дальнейший рост, уменьшаются, — поэтому кристаллизация воды становится более вероятной и происходит быстрее.

Как правило, для появления кристаллов льда в облаках нужны инородные твердые частицы, которые способствуют образованию зародышей кристаллов и тем самым убыстряют кристаллизацию. Если в воздухе нет готовых кристаллов или ядер кристаллизации, жидкая вода может долго находиться в переохлажденном состоянии. Опытным путем, при отсутствии ядер кристаллизации, можно охладить воду до -50°С, а то и еще ниже. В природе в облаках температура опускается до -12°С, а временами до -30°С и чуть ниже, а льда все нет и нет. Но если при таких условиях появляются ядра кристаллизации, начинается бурное образование льда.

Конденсация происходит также на гигроскопических твердых частичках, являющихся продуктами сгорания или органического распада. Это азотная кислота, серная кислота, сульфат аммония и пр. В промышленных районах в атмосфере преобладают такие ядра конденсации. Кроме них роль ядер конденсации могут играть не гигроскопические, но смачиваемые достаточно крупные частички. У земной поверхности в одном кубическом сантиметре количество ядер конденсации достигает тысяч и десятков тысяч. С высотой их число уменьшается и на высоте 3-4 км составляет несколько сотен на см³.

Развитие кристаллов в атмосфере долгое время связывали преимущественно с процессами сублимации. Сейчас установлено, что сначала на инородных частицах, называемых ядрами льдообразования или ледяными ядрами, образуются ледяные зародыши и при достаточно низких отрицательных температурах при взаимодействии с ледяным зародышем капельки сконденсированной воды замерзают и дальше на них уже развиваются кристаллы. Образование ледяного зародыша за счет процесса сублимации значительно менее вероятно, чем за счет замерзания.