Образование и трансформация туманов

Процесс перехода водяного пара в жидкое или твердое агрегатное состояние, происходящий в приземном слое воздуха, называется образованием тумана.

Трансформацией тумана называется изменение его характеристик в результате взаимодействия с окружающей средой.

Туманы образуются водой в атмосфере, находящейся в жидком или твердом агрегатном состоянии. Эта вода образуются из водяного пара в результате процессов конденсации, сублимации, коагуляции и кристаллизации (замерзания), рассмотренных в лекции 8.

При трансформации туманов происходит также явление укрупнения капель или снежинок в результате их столкновения, которое называется коагуляцией (слипанием). Коагуляция происходит лишь при столкновении капель. Мелкие капли (диаметрами менее 1-2 микрона) участвуют в броуновском движении, что вызывает их столкновения и коагуляцию.

Коагуляция есть результат неравенства нулю относительных скоростей движения различных капель. Относительное перемещение капель приводит к уменьшению расстояний и столкновениям между ними.

Чем выше температура воздуха, тем этот процесс интенсивнее. Этот вид коагуляции называют - молекулярно- кинетическим.

Крупные капли (диаметрами более 15 микрон) осаждаются под действием силы тяжести быстрее, чем мелкие. Поэтому в процессе своего осаждения крупные капли догоняют и перегоняют мелкие. При этом возможны столкновения между ними и т. н. гравитационная коагуляция.

При наличии ветра в приземном слое атмосферы причиной столкновения капель может быть их увлечение атмосферной турбулентностью. Это т. н. турбулентная коагуляция.

При некоторой упругости водяного пара в тумане могут встретиться капли, над поверхностью которых эта упругость больше насыщающей, а также капли, над поверхностью которых она меньше насыщающей. Очевидно, что первые будут укрупняться за счет конденсации, а вторые – испаряться. Так как насыщающая упругость водяного пара над каплями тем меньше, чем больше их радиус, то конденсация происходит лишь на крупных каплях; мелкие испаряются.

Как видим, одним из результатов трансформации тумана, вызванной его тепломассообменом с окружающей средой, является уменьшение дисперсии распределения его капель по их диаметрам. Среднее значение распределения купель по их диаметрам может при этом как увеличиваться, так и уменьшаться. Мода в ходе указанного процесса, как правило, приближается к среднему значению. Рост капель тумана в результате описанного процесса называется конденсационным.

Рост капель в результате коагуляции, как правило, происходит медленнее, чем при конденсационном механизме.

В процессе трансформации туманов при отрицательных температурах воздуха происходит также кристаллизация.

Кристаллизация может происходить как непосредственно, путем замерзания жидких капель, так и путем т. н. переконденсации.

Переконденсация - это процесс роста кристалликов льда при одновременном испарении капель воды в тумане, содержашем как капепьки воды, так и кристаллики льда Переконденсация может происходить при постоянной температуре и без тепломассообмена с окружающей средой.

Рассматриваемый процесс возникает потому, что насыщающая упругость водяного пара надо льдом меньше, чем над водой. В результате этого, по отношению к поверхности льда водяной пар может быть насыщенным и даже пересыщенным, а по отношению к поверхностям капель воды – ненасыщенным. Процесс идет до тех пор, пока все капли в тумане (облаке) не испарятся, а ледяные кристаллы достигнут максимальных размеров.

Увеличению водности тумана способствует поступление в него дополнительных количеств водяного пара, либо понижение его температуры. Того же результата можно достичь, внося в него микроскопические твердые либо жидкие частицы – упомянутые выше атмосферные ядра конденсации.

Уменьшению водности тумана способствуют выпадение из него атмосферных осадков, повышение температуры воздуха и рассмотренный выше процесс переконденсации.