5.4. Умови конденсації водяної пари

Конденсація і сублімація. Як відомо, конденсацією (від лат. condensatio – згущення, ущільнення) називається перехід газу або пари в рідину або тверде тіло внаслідок охолодження чи стиснення їх. У метеорології даний термін використовується і в більш вузькому смислі слова – щодо переходу в рідкий стан; тоді безпосереднє перетворення водяної пари у лід називається сублімацією. Завдяки сублімації відбуваються безпосереднє осідання льоду з вологого повітря та утворення кристалів в атмосфері. Зауважимо, що в фізиці і хімії термін "сублімація" (лат. sublimatio, від sublimo – підіймаю, підношу) має протилежне значення: випаровування твердої речовини. Конкретний зміст цих термінів стає зрозумілим із контексту.

Умови конденсації водяної пари. Конденсація водяної пари відбувається як в атмосфері, так і на земній поверхні, на предметах, що перебувають на ній, і на рослинному покриві. Для цього необхідно, щоб повітря перебувало у стані насичення або навіть перенасичення. Такий стан досягається або зниженням температури повітря до точки роси, особливо при адіабатичному підніманні повітря, або ж збільшенням вологовмісту повітря шляхом випаровування. В природних умовах конденсація або сублімація зумовлюється переважно завдяки зниженню температури повітря і порівняно рідко у зв’язку зі збільшенням парціального тиску водяної пари.

Інтенсивне зниження температури повітря можливе при розвитку висхідних течій (при нестійкій стратифікації атмосфери, ), при піднятті теплого повітря гірськими схилами або по клину холодного повітря, при безпосередньому контакті теплого повітря з холодною підстильною поверхнею, а також внаслідок радіаційного випромінювання атмосфери. Сприятливі умови для конденсації водяної пари створюються і при випаровуванні води з поверхні, яка має вищу температуру, ніж температура повітря, а також при змішуванні двох повітряних мас, насичених (або майже насичених) водяною парою, але з різними температурами. Останній випадок реалізується завдяки нелінійному характеру зміни тиску насичення водяної пари при зміні температури (див. рис. 5.1).

Крім цього, для конденсації водяної пари обов’язково потрібно, щоб у повітрі були ядра конденсації – зважені у повітрі тверді або рідкі частинки, на яких конденсується водяна пара. У ролі природних ядер конденсації виступають дрібні частинки морської солі і ґрунту, продукти вулканічних вивержень, частинки космічного пилу, сажі тощо.

Аерозольні частинки, навколо яких за певних умов може розпочатися замерзання води хмарної краплі, називаються ядрами замерзання. Однак навіть при достатньо низьких від’ємних температурах в атмосфері виникають виключно рідкі зародкові крапельки води. Вони замерзають тільки після появи у них так званих центрів кристалізації, тобто зародків льоду. Тому у хмарах і туманах переохолоджені краплі води зустрічаються навіть при температурах ‑40°C і нижче. Водночас значна частина крапель переходить у твердий стан уже при температурі від ‑12 до ‑17°C. За відсутності в атмосфері льодяних кристалів дрібні краплі замерзають при нижчих температурах, ніж крупні.

Загальну схему процесів конденсації і сублімації водяної пари показано на рис. 5.3.