5.5. Продукти конденсації водяної пари
Основними продуктами конденсації водяної пари є крапельки води й кристалики льоду. Залежно від висоти конденсації з них утворюються наземні гідрометеори, тумани, або хмари (рис. 5.4).
5.5.1. Наземні гідрометеори
Раніше гідрометеорами називали атмосферні опади взагалі. Тепер цей термін здебільшого вживається тільки щодо опадів, які виділяються з повітря на поверхні землі та розташованих на ній предметів.
Опади у вигляді крапель, кристалів або ж аморфних на вигляд атмосферних відкладень льоду, що утворюються при конденсації або сублімації водяної пари безпосередньо на земній поверхні та наземних предметах, становлять групу наземних гідрометеорів. До рідких продуктів наземної конденсації відноситься роса і рідкий наліт; до твердих наземних гідрометеорів – іній, твердий наліт, паморозь, ожеледь та обмерзання літаків. Така класифікація не цілком вдала, оскільки обмерзання літальних апаратів відбувається у вільній атмосфері, а ожеледь утворюється не в результаті конденсації, а внаслідок замерзання на поверхні переохолоджених опадів.
Рис. 5.3. Схема процесів конденсації і сублімації водяної пари в атмосфері
Рис. 5.4. Схема класифікації продуктів конденсації водяної пари
Роса та іній утворюються у тих випадках, коли температура земної поверхні і предметів на ній опускається нижче точки роси. При додатній температурі утворюється роса, а при від’ємній – іній. Звичайно ці явища спостерігають вночі та вранці за ясної і тихої погоди.
Роса – це найдрібніші краплі води, що конденсуються з вологого повітря на ґрунті, рослинах та наземних предметах, поверхня яких сильно вихолодилася упродовж ночі внаслідок радіаційного випромінювання. При рясній росі крапельки води можуть значно укрупнюватися.
Роса виникає не в повітрі над земною поверхнею, а в місці дотикання повітря з цією поверхнею. На тонких сучках та гіллі високо над ґрунтом роси не буває унаслідок їх обтікання порівняно сухим повітрям.
Утворенню роси сприяють відсутність хмар, висока прозорість повітря, малі швидкості вітру (до 2 м/с). При більших швидкостях вітру зростає інтенсивність турбулентного перемішування, внаслідок якого радіаційне охолодження поширюється на досить велику товщу повітря і зниження температури повітря буде несуттєвим.
Низькі вологі місця більш сприятливі для утворення роси, ніж високі і сухі. Особливо рясні роси випадають на початку осені, коли ночі подовжуються, що сприяє сильному охолодженню земної поверхні, а повітря ще достатньо тепле і тому містить багато водяної пари.
Росу можна не тільки спостерігати, але й вимірювати. Такі вимірювання полягають у визначенні маси роси, що осіла на спеціальній пластині, яку з цією метою виставляють на ніч. Зафіксовано випадки, коли за ніч роса давала до 0,2–0,5 мм опадів.
На території Східноєвропейської рівнини випадіння роси в теплий період року збільшує загальну кількість опадів на декілька міліметрів. В умовах теплого і вологого клімату її внесок може бути значно більшим. Так, в тропічних районах, де вміст вологи у повітрі особливо великий, роса може бути настільки інтенсивною, що буквально стікає з дахів будинків та гілля дерев.
Відомо, що в повсякденному житті інеєм називають будь-яке снігоподібне відкладення льоду, спричинене сублімацією водяної пари на поверхні предмета. Однак метеорологи, яким важливо враховувати погодні умови утворення льоду, розрізняють зовні однакові відкладення кристалічного льоду за умовами їх утворення. Тож інеєм в метеорології називається тонкий нерівномірний шар кристалічного льоду, який утворюється шляхом сублімації водяної пари з повітря на поверхні ґрунту, трави, снігового покриву і на верхніх поверхнях предметів унаслідок їхнього радіаційного охолодження до від’ємних температур, нижчих, ніж температура повітря. В горах, де внаслідок виняткової прозорості повітря нічне випромінювання особливо велике, іній може утворюватися на поверхні ґрунту при температурі повітря на висоті 2 м до 10°C тепла.
Снігоподібні відкладення льоду, що утворюються в ясні ночі на поверхні ґрунту унаслідок його радіаційного охолодження нижче 0°C, називають ще радіаційним інеєм. Якщо не виникає плутанини, означення "радіаційний" опускають.
Кристалики інею при слабких морозах мають форму шестикутних призм, при помірних – пластинок, при сильних – тупокінцевих голок.
Найсприятливішими для утворення інею є ясні, тихі ночі і шорсткуваті поверхні тіл з малою температуропровідністю. Так, іржава бляшанка значно легше вкривається шаром інею, ніж полірована металічна пластинка. На масивних тілах, які вночі охолоджуються повільніше, іній також утворюється повільніше. Водночас, на тонкому дроті радіаційний іній не виникає, оскільки його температура не відрізняється від температури повітря, що його обтікає. Ця особливість використовуються спостерігачами для визначення виду ожеледно-паморозевих відкладень за допомогою спеціальних ожеледних станків, якими обладнано метеорологічні майданчики. Кількість таких опадів визначають методом зважування осаду, що утворюється при їх розтоплюванні в приміщенні метеостанції.
Товщина покрову інею на предметах при його рості упродовж тільки однієї ночі зазвичай не перевищує декількох міліметрів. Багато інею утворюється на сніговому покриві, причому його кристали розташовуються у регулярному порядку (розташування кристалів снігу є хаотичним). Під час полярної ночі кристали інею можуть рости на поверхні снігу по декілька тижнів підряд, досягаючи при цьому значних розмірів.
Ще одним видом наземних гідрометеорів є паморозь. До неї відносять відкладення льоду на гілках дерев, огорожах, проводах та інших наземних предметах при тумані унаслідок сублімації водяної пари (кристалічна паморозь), або намерзання крапель переохолодженого туману (зерниста паморозь). Кристалічну паморозь в метеорології називають просто памороззю, а в побуті – інеєм.
Кристалічна паморозь являє собою шар пухких, снігоподібних кристалів льоду, які наростають в тумані головним чином на навітряній стороні тонких предметів при слабкому вітрі і температурі нижче ‑15°C. За однакової товщини металевого дроту, гілочки дерева або мотузки інтенсивність її відкладання залишається сталою. Водночас швидкість утворення паморозі зростає на предметах малої товщини. Гладенькі великі поверхні, особливо плоскі, майже не вкриваються відкладеннями паморозі. Поодинокі кущики льодяних кристалів виростають тільки на пилинках, що пристали до предмета.
Кристали паморозі нагадують половинки сніжинок, які з одного боку нерухомо закріплюються на предметі і тому ростуть тільки у протилежний бік. Розвинена кристалічна паморозь прикріплюється до предмета тільки невеликою частиною своєї поверхні, а тому легко обсипається при струшуванні.
Зазвичай товщина пухнастого шару паморозі не перевищує 10 мм. На сонці або при зменшенні вологості повітря паморозь сама по собі обсипається, а тому не спричиняє великого збільшення ваги гілля і проводів. Однак при утриманні туману і безвітря декілька діб поспіль, кристалічна паморозь може досягати великих розмірів.
Небезпечні випадки паморозевих відкладень спостерігаються при безпосередньому намерзанні крапель туману. Паморозь, утворена замерзлими краплями туману, називається зернистою. Вона має аморфну будову і значно щільніша за кристалічну. Іноді її поверхня вкривається шершавими або голчастими матово-білими виступами, без ознак кристалічних граней. Зерниста паморозь має матово-білий колір. З часом на її поверхні утворюється кірка насту і вона набуває характерного блиску. Незважаючи на крихкість, зерниста паморозь володіє достатньою міцністю для того, щоб її можна було знімати з проводів шматками.
Утворенню зернистої паморозі сприяє невеликий мороз, густий крупнокрапельний (0,02–0,03 мм) туман, велика швидкість вітру. Якщо утворення кристалічної паморозі зумовлене радіаційним охолодженням, то зерниста паморозь за умовами утворення є адвективною, тобто пов’язаною із вторгненнями теплих повітряних мас. Температура при відкладенні зернистої паморозі зазвичай коливається у межах від ‑2°C до ‑7°C, зрідка – нижче ‑15…‑20°C. Зерниста паморозь особливо часто спостерігається в гірських місцевостях, де її відкладення досягають величезних розмірів, іноді 1–1,5 м. Швидкість росту таких відкладень може перевищувати 2 см/год.
Ожеледь – суцільний шар щільного матового або прозорого льоду, який наростає на проводах та наземних предметах переважно з навітряної сторони, унаслідок намерзання крапель переохолодженого дощу або мряки. Звичайно спостерігається при температурах від 0 до ‑3°, іноді до ‑16°.
Краплі дощу або мряки замерзають повільно, оскільки володіють великим запасом прихованого тепла. Тож, перш ніж замерзнути, вони встигають розтектися і злитися в суцільну плівку води, яка при замерзанні дає щільну, іноді скловидно-прозору кірку льоду. Кірка намерзлого льоду може досягати товщини декількох сантиметрів і спричиняти обламування сучків, обривання проводів тощо.
Ожеледі частіше вражають рівнинні простори. Інколи вони набувають характеру стихійного лиха, завдаючи величезної шкоди живій природі та економіці країни. Так було у 2000 р., коли з 24 листопада по 7 грудня внаслідок проходження середземноморського циклону винятково сильна ожеледь охопила водночас вісім областей України: Житомирську, Хмельницьку, Черкаську, Вінницьку, Кіровоградську, Одеську та Миколаївську. Тоді 4 тис. населених пунктів залишилося без енергопостачання, було відключено декілька блоків атомних станцій, припинився рух автомобільного і залізничного транспорту, знищено багато дерев, загинуло дві людини.
З ожеледдю тісно пов’язане ще одне небезпечне гідрометеорологічне явище – ожеледиця, однак їх не можна плутати. Ожеледицею називається шар льоду або зледенілого снігу, який відкладається на вихолодженій земній поверхні унаслідок замерзання атмосферних опадів або талої води.
В холодний період року при підвищенні температури повітря на кам’яних стінах, стовбурах дерев та інших предметах, які повільно прогріваються, утворюється плівка води. Це – рідкий наліт, який появляється в результаті конденсації водяної пари на холодній поверхні масивних наземних предметів, температура яких нижча за точку роси.
Рідкий наліт часто утворюється при адвекції теплого і вологого повітря. При цьому може спостерігатися посилення вітру і низька суцільна хмарність, які, однак, безпосереднього стосунку до його формування не мають.
За ясної погоди рідкий наліт може утворитися і вдень, і вночі, причому вдень – переважно на затінених частинах предметів, які не прогріваються сонячним промінням. В ясну ніч рідкий наліт може утворитися при сильному вітрі, що відрізняє його від роси. За тихої ясної погоди роса і рідкий наліт утворюються одночасно. Роса осідає на верхній поверхні предметів, а наліт – на будь-якому боці, але тільки масивного предмета.
Твердий наліт – білий наліт у вигляді снігу або льоду, що утворюється внаслідок сублімації водяної пари або намерзання крапель туману, мряки або дощу на предметах, які мають значно нижчу від'ємну температуру, ніж повітря. Твердий наліт утворюється тільки при потепліннях і тільки на масивних предметах з великою термічною інерцією, завдяки якій вони повільно нагріваються. На відміну від паморозі та ожеледі, товщина твердого нальоту не перевищує декількох міліметрів.
Найтовщий шар нальоту утворюється на випуклій і полірованій поверхні масивних тіл: гранітних колонах, сходах, фундаментах, елементах споруд із гладкої цегли, металу тощо. Водночас, на гострих виступах предметів, які добре обдуваються вітром, а також на предметах із дерева, поверхні яких швидко набувають температуру навколишнього середовища, твердий наліт виражений значно слабше або й взагалі не виникає.
При дуже сильних і різких потепліннях твердий наліт утворюється навіть на порівняно невеликих кам'яних та металевих предметах, на стовбурах дерев, але не на дротах.
Розрізняють декілька видів твердого нальоту: кристалічний, зернистий та льодяний.
Кристалічний наліт виникає при послабленні морозів (іноді до слабкої відлиги) за відсутності мряки або дощу. Він виявляє явну кристалічну структуру, яка закладається під час сублімації водяної пари на поверхні масивних наземних предметів. Пухнастий шар кристаликів льоду часто вкриває стіни печер і кам’яних будинків. Таку ж природу мають морозні візерунки на вікнах та снігоподібний наліт на трубах холодильника. Утворенню кристалічного нальоту сприяє висока вологість повітря.
Якщо після сильних морозів наступає відлига і виникає крупнокрапельний туман, то на поверхні наземних предметів одночасно із сублімаційним ростом кристалів відбувається ще й намерзання крапель туману. Відкладення аморфних снігоподібних мас, які при цьому утворюються, називаються зернистим нальотом. Цей вид твердого нальоту нагадує покрив злежалого весняного снігу: при його огляді дзеркальні грані льодяних кристалів уже не виявляються.
Гладенька кірка льодяного нальоту утворюється тільки при відлизі і слабкому дощі або мряці на предметах, температура поверхні яких повільно змінюється. При додатній температурі повітря краплі дощу або мряки на холодній поверхні предмета замерзають не одразу. Якщо до замерзання дрібні краплі встигають зливатися між собою, то предмет буде вкриватися прозорою і щільною плівкою льоду. У випадку неповного зливання крапель плівка льоду міститиме численні пухирці повітря. Вона буде матовою і відносно нещільною. Як тільки товщина плівки досягне 2–3 мм, подальший її ріст припиняється, оскільки вона ізолює відносно холодну поверхню предмета від теплого повітря, усуваючи тим самим першопричину відкладення льоду.
Усі види твердого нальоту можуть відкладатися у будь-який час доби при надходженні теплої маси повітря, що супроводжується похмурою і вітряною погодою. Іноді може відбуватися одночасне утворення двох видів нальоту. При сильному вітрі і слабкому дощі навітряний бік предмета може вкриватися льодяним нальотом, тоді як підвітряний бік у місцях, куди не потрапляють краплі дощу, може вкриватися кристалічним нальотом. Відомі також випадки поєднання його з іншими формами льодяних відкладень, з памороззю зокрема.
Обмерзання літаків полягає у відкладенні льоду на зовнішніх поверхнях літальних апаратів при польоті у переохолоджених хмарах або зоні дощу. Льодяна кірка, що утворюється на виступаючих поверхнях літальних апаратів, становить велику небезпеку для них.
При обмерзанні літаків можуть спостерігатися три основних типи відкладень льоду: гладенький лід – склоподібний досить прозорий наліт; малопрозорий наліт молочного кольору із шорсткуватою поверхнею, часто зернистої або кристалічної структури (найбільш небезпечний тип); кристалічний наліт незначної товщини при температурах нижче ‑10°C.