Вода - это самое удивительное вещество на Земле. Именно ей мы обязаны жизнью, так как она участвует во всех процессах жизнедеятельности. Вода обладает самыми необычными свойствами, и еще не все из них ученым удалось объяснить. Например, выяснилось, что она обладает памятью и может реагировать на разные слова. А самое известное свойство воды - это то, что она - единственное вещество, которое может находиться во всех трех агрегатных состояниях. Жидкое - это, собственно, вода, твердое - это лед. Газообразное состояние воды мы можем наблюдать постоянно в виде пара, тумана или облаков. Обычный человек не задумывается о том, что это все вода, он привык называть этим словом только жидкость. Многие даже не знают, как называется газообразное состояние воды. Но именно эта ее особенность обеспечивает жизнь на Земле.
Значение воды
Эта удивительная влага занимает около 70% поверхности Земли. Кроме того, ее можно встретить на огромной глубине - в толще земной коры и высоко в атмосфере. Вся масса воды в виде жидкости, льда и пара называется гидросферой. Она жизненно важна для всех форм жизни на Земле. Именно под влиянием воды формируется климат и погода во всем мире. А существование жизни зависит от ее способности переходить из одного агрегатного состояния в другое. Эта ее особенность обеспечивает круговорот воды в природе. Особое значение имеет вода в газообразном состоянии. Это ее свойство помогает перенести большие массы влаги на огромные расстояния. Ученые подсчитали, что Солнце испаряет за минуту с поверхности Земли миллиард тонн воды, которая в переносится на другое место, а потом проливается дождем.
Газообразное состояние воды
Особенностью воды является то, что ее молекулы способны при колебании температуры изменять характер связи друг с другом. Основные свойства ее при этом не меняются. Если нагревать воду, ее молекулы начинают двигаться быстрее. Те, которые соприкасаются с воздухом, разрывают свои связи и смешиваются с его молекулами. Вода в газообразном состоянии сохраняет все свои качества, но приобретает также свойства газа. Ее частицы находятся на большом расстоянии друг от друга и интенсивно двигаются. Чаще всего такое состояние называют водяным паром. Это бесцветный прозрачный газ, который при определенных условиях опять превратится в воду. Он повсеместно распространен на Земле, но чаще всего его не видно. Примеры воды в газообразном состоянии - туман или образующийся при кипении жидкости. Кроме того, она везде находится в составе воздуха. Ученые заметили, что при его увлажнении дышать становится легче.
Каким бывает пар?
Чаще всего вода переходит в газообразное состояние при изменении температуры. Обычный пар, который всем знаком, образуется при кипении. Именно это беловатое горячее облако мы и называем водяным паром. Когда жидкость при нагревании достигает а при обычном давлении это происходит при 100°, молекулы ее начинают интенсивно испаряться. Попадая на более холодные предметы, они конденсируются в виде капелек воды. Если нагревается большое количество жидкости, то в воздухе образуется насыщенный пар. Это состояние, когда газ и вода сосуществуют, потому что скорость одинакова. В том случае, когда в воздухе присутствует много водяного пара, говорят о его повышенной влажности. При понижении температуры такой воздух интенсивно конденсирует влагу в виде капелек росы или тумана. Но для образования тумана мало особых условий температуры и влажности. Нужно, чтобы в воздухе находилось определенное количество пылинок, вокруг которых и конденсируется влага. Поэтому в городах туманы из-за пыли образуются чаще.
Переход воды из одного состояния в другое
Процесс образования пара называется парообразованием. Его наблюдает каждая женщина при приготовлении пищи. Но существует и обратный процесс, когда газ превращается обратно в воду, оседая на предметах в виде мельчайших капелек. Это называется конденсацией. Каким же образом чаще всего происходит парообразование? В естественных условиях этот процесс называется испарением. Вода испаряется постоянно под воздействием солнечного тепла или ветра. Искусственно образование пара можно вызвать с помощью кипения воды.
Испарение
Это процесс, когда получается газообразное состояние воды. Он может быть естественным или ускоренным с помощью различных приспособлений. Испаряется вода постоянно. Это ее свойство люди издавна использовали для просушки белья, посуды, дров или зерна. Любой мокрый предмет постепенно высыхает благодаря испарению влаги с его поверхности. Молекулы воды в своем движении одна за другой отрываются и смешиваются с молекулами воздуха. Путем наблюдений люди поняли, как можно ускорить этот процесс. Для этого даже были созданы различные приспособления и приборы.
Как ускорить испарение?
1. Люди заметили, что быстрее этот процесс протекает при высокой температуре. Например, летом мокрая дорога высыхает моментально, чего не скажешь об осени. Поэтому сушат предметы люди в более теплых местах, а в последнее время созданы специальные сушилки с подогревом. А в морозную погоду испарение тоже происходит, но очень медленно. Это свойство используют для просушки ценных
древних книг и рукописей, помещая их в специальные морозильные камеры.
2. Испарение происходит быстрее, если площадь соприкосновения с воздухом большая, например из тарелки вода исчезнет быстрее, чем из банки. Это свойство используют при сушке овощей и фруктов, нарезая их тонкими ломтиками.
3. Еще люди заметили, что высыхают предметы быстрее под воздействием ветра. Это происходит потому, что потоком воздуха уносятся молекулы воды, и они не имеют возможности опять конденсироваться на этом предмете. Эта особенность была использована при создании фена и воздушных сушилок для рук.
Свойства воды в газообразном состоянии
Водяной пар в большинстве случаев невидим. Но при высокой температуре, когда воды испаряется сразу много, его можно заметить в виде белого облака. То же самое происходит и в холодном воздухе, когда молекулы воды конденсируются в виде мельчайших капелек, которые мы и замечаем.
Вода в газообразном состоянии может растворяться в воздухе. Тогда говорят, что повысилась его влажность. Существует предельно возможная концентрация водяного пара, которую называют «точкой росы». Выше этого предела происходит конденсация ее в виде тумана, облаков или капелек росы.
Молекулы воды в газообразном состоянии двигаются очень быстро, занимая большой объем. Особенно это заметно при высокой температуре. Поэтому можно наблюдать, как при кипении у чайника прыгает крышка. Это же свойство приводит к тому, что при горении дров слышен треск. Это испаряющаяся вода разрывает волокна древесины.
Водяной пар обладает упругостью. Он способен сжиматься и расширяться при изменении температуры.
Применение свойств водяного пара
Все эти свойства давно изучены людьми и используются для бытовых и промышленных нужд.
- Впервые газообразное состояние воды применили в Много лет это была единственная возможность приводить в движение транспорт и машины в промышленности. Паровые турбины используются и сейчас, а в транспортных средствах бензиновый двигатель уже давно вытеснил паровой. И теперь паровоз можно увидеть только в музеях.
- Повсеместно и давно пар применяют в кулинарии. Приготовление мяса или рыбы на пару делает их нежными и полезными для всех.
- Горячий пар используется также для обогрева домов и процессов в промышленности. очень эффективно и быстро завоевало популярность у населения.
- Газообразное состояние воды используется сейчас в огнетушителях специальной конструкции, которые применяются для тушения нефтепродуктов и других горючих жидкостей. Нагретый пар перекрывает доступ воздуха к очагу возгорания, прекращая горение.
- В последние годы стали использовать газообразное состояние воды для ухода за одеждой. Специальные отпариватели не только разгладят деликатные вещи, но и выведут некоторые пятна.
- Очень эффективно использование водяного пара для стерилизации предметов и медицинских инструментов.
Когда водяной пар вреден?
Есть на Земле и такие места, где вода в газообразном состоянии находится почти всегда. Это долины гейзеров и окрестности действующих вулканов. Находиться человеку в такой атмосфере невозможно. Там тяжело дышать, а повышенная влажность препятствует испарению влаги с кожи, что может привести к перегреву. Также можно сильно обжечься тем паром, который образуется при кипении воды. А туманы могут снижать видимость, приводя к авариям. Но во всех остальных случаях свойство воды переходить в газообразное состояние используется человеком себе на благо.
Анюта потерла глаза и сладко потянулась – будильник прозвенел, значит, уже нужно было вставать. Она осмотрелась, очень удивившись – было темно. Девочка подошла к окну и выглянула. Казалось, что улицу залили разбавленным в воде молоком.
– Мама! – радостно закричала девочка. – Там туман!
Мама грустно вздохнула в спальне, а папа отчего-то с досадой застонал…
Наверняка, каждый из нас нет-нет, да задумывался – откуда же появляется эта белесая дымка, которая окутывает город, принося детям столько радости, а взрослым добавляя хлопот.
На самом деле, туман, как и облака, это не что иное, как водяные пары, которые, в свою очередь, состоят из мельчайших капелек воды. Так что если среди читателей есть романтики, что всегда мечтали прикоснуться к облаку – им стоит лишь дождаться тумана, или поехать в Ньюфаундленд, что находится в Канаде. Этот город считается самым «туманным» местом на планете.
На самом деле клубы пара, который мы выдыхаем при морозе это тоже туман, как и закипающий чайник – принцип появления у всех этих дымок одинаков, с одной лишь разницей – туман держится чуть дольше. Хотя, со временем, конечно, он тоже конденсируется в капельки воды и оседает на землю.
Но, чтобы раньше времени не вдаваться в подробности, давайте узнаем – один ли вид тумана существует? Оказывается, что нет.
Метеорологи выделяют два вида тумана.
Первый, наиболее знакомый нам, это туман охлаждения, когда холодный воздух смешивается с теплым водяным паром. Это происходит или в холодные ночи около влажной почвы, но такие туманы к утру расходятся, или над поверхностью воды. Именно из-за этого в Санкт-Петербурге и Лондоне так часты туманы – большое количество воды и ночной охлажденный воздух создают плотную белесую занавесь. Причем, нужно отметить, что в городах туман обычно плотнее, чем рядом с деревнями или в отдаленных от человека участках. Это происходит не из-за того, что воды около большого скопления людей много, а скорее, потому что в состав тумана – крошечные капельки воды – подмешивается городской смог и выхлопы, которые окрашивают воду в непрозрачный, грязный цвет и делают туман плотнее. Со стороны таких тонкостей, конечно, не видно, но чем грязнее город и чем больше рядом с ним воды – тем плотнее нём будут туманы.
Чаще всего туманы можно встретить осенью, когда вода и почва прогреты теплым солнцем, а воздух уже начинает холодать.
Второй вид туманов, туман испарения, более необычен. Если в первом случае видимый водяной пар появляется от соприкосновения теплой поверхности с холодной, то здесь всё наоборот. Так называют туман, который должен был конденсироваться в росу, но по тепловым показателям – охлаждение воздуха ниже необходимой точки – не стал этого делать.
Так же, вне видов, существует так называемый «сухой» туман – туман, состоящий из частичек пыли, копоти, золы и прочего подобного. По сути своей это и не туман вовсе, так как не содержит влаги, но носит такое название из-за схожих свойств по уменьшению ясности зрения населению.
Образование тумана в воздухе связано чаще всего с процессами его охлаждения. В результате охлаждения воздуха создается избыток водяного пара, который переходит из газообразного состояния в капельно-жидкое (конденсация) или непосредственно в твердо-кристаллическое (сублимация). При обилии в приземном воздухе продуктов конденсации или сублимации водяного пара, то есть мельчайших капелек влаги или ледяных кристалликов, прозрачность воздуха уменьшается так, что горизонтальная дальность видимости падает до 1 км или того меньше. В таком случае говорят о наступлении метеорологического явления, называемого туманом. Туманы могут возникать не только из-за охлаждения воздуха, но и вследствие усиленного испарения влаги с теплой водной поверхности, температура которой на 10°C или более превышает температуру воздуха. Их так и называют: туманы охлаждения и туманы испарения.
Прогноз туманообразования, таким образом, сводится к прогнозу условий, благоприятствующих этим двум процессам: прогнозу охлаждения воздуха до температуры конденсации или сублимации, при которой водяной пар начнет превращаться в капельки воды или кристаллики льда, или же, если есть обширный водоем и предполагается, что температура воды будет значительно выше, чем температура воздуха, – прогнозу интенсивного испарения.
Охлаждение воздуха может происходить вследствие интенсивного излучения земной поверхности, когда отток тепла от земной поверхности больше его притока к ней, то есть так называемым радиационным путем – при тихой малооблачной погоде – или же путем переноса воздуха из одной местности в другую. В первом случае возникают ночные или утренние, так называемые радиационные, туманы, обычно рассеивающиеся днем при нагревании воздуха. Для их прогноза у синоптиков есть различные методы расчета температуры и времени туманообразования, есть также графики, облегчающие выполнение таких расчетов. Во втором случае возникают адвективные (переносимые) туманы, они могут быть и при значительном ветре. Для их прогноза используются другие методы и требуется выполнение несколько иных и более сложных расчетов, связанных с учетом переноса влажного воздуха и его взаимодействия с поверхностями суши и воды. Адвективные туманы могут оставаться плотными и днем.
Из сказанного ясно, что прогноз тумана – довольно сложная задача, при решении которой надо учитывать состояние и возможное изменение целого комплекса метеорологических величин, в том числе температуры и влажности воздуха, наличия облачности, ветра. Нужно также принимать во внимание состояние почвы, ее способность испарять влагу и т. п.
Можно ли предсказать туман?
Образование тумана в воздухе связано чаще всего с процессами его охлаждения. В результате охлаждения воздуха создаётся избыток водяного пара, который переходит из газообразного состояния в капельно-жидкое (конденсация) или непосредственно в твёрдо-кристаллическое (сублимация). При обилии в приземном воздухе продуктов конденсации или сублимации водяного пара, то есть мельчайших капелек влаги или ледяных кристалликов, прозрачность воздуха уменьшается так, что горизонтальная дальность видимости падает до 1 км или того меньше. В таком случае говорят о наступлении метеорологического явления, называемого туманом. Туманы могут возникать не только из-за охлаждения воздуха, но и вследствие усиленного испарения влаги с тёплой водной поверхности, температура которой на 10°С или более превышает температуру воздуха. Их так и называют: туманы охлаждения и туманы испарения.
Прогноз туманообразования, таким образом, сводится к прогнозу условий, благоприятствующих этим двум процессам: прогнозу охлаждения воздуха до температуры конденсации или сублимации, при которой водяной пар начнёт превращаться в капельки воды или кристаллики льда, или же, если есть обширный водоём и предполагается, что температура воды будет значительно выше, чем температура воздуха, - прогнозу интенсивного испарения.
Охлаждение воздуха может происходить вследствие интенсивного излучения земной поверхности, когда отток тепла от земной поверхности больше его притока к ней, то есть так называемым радиационным путём - при тихой малооблачной погоде - или же путём переноса воздуха из одной местности в другую. В первом случае возникают ночные или утренние, так называемые радиационные, туманы, обычно рассеивающиеся днем при нагревании воздуха. Для их прогноза у синоптиков есть различные методы расчёта температуры и времени туманообразования, есть также графики, облегчающие выполнение таких расчётов. Во втором случае возникают адвективные (переносимые) туманы, они могут быть и при значительном ветре. Для их прогноза используются другие методы и требуется выполнение несколько иных и более сложных расчётов, связанных с учётом переноса влажного воздуха и его взаимодействия с поверхностями суши и воды. Адвективные туманы могут оставаться плотными и днем.
Из сказанного ясно, что прогноз тумана - довольно сложная задача, при решении которой надо учитывать состояние и возможное изменение целого комплекса метеорологических величин, в том числе температуры и влажности воздуха, наличия облачности, ветра. Нужно также принимать во внимание состояние почвы, её способность испарять влагу и т. п.
Очутившись посреди белого сплошного облака, настолько плотного, что на расстоянии вытянутой руки практически ничего невозможно различить, нередко задаёшь себе вопрос: почему образовался такой густой туман, почему он белого цвета и начинаешь раздумывать о том, как долго это явление обычно длится, а также почему любой туман рассеивается.
Туманы формируются во время скопления в воздухе в нижних слоях атмосферы капель или ледяных кристалликов, из-за чего вдоль земной поверхности образуется напоминающая облака пелена, ограничивающая видимость настолько, что далее одного километра пространство не просматривается, а в некоторых случаях предметы становятся трудноразличимыми уже на расстоянии нескольких метров.
Если температура окружающей среды превышает -10°С, пелена пара состоит лишь из капель. Если температурные показатели колеблются от -10 до -15°С – из капелек воды и ледяных кристалликов, а когда на улице -15°С – туман состоит из мелких ледяных кристаллов, переливающихся при свете ночных фонарей.
Почему образуется этот феномен, ответить несложно: своим появлением он обязан или испарению воды с тёплой поверхности в холодный воздух, или охлаждению насыщенных влагой тёплых воздушных потоков. Например, за возникновением наземных облаков можно нередко наблюдать вечером или с утра после понижения температуры грунта и растительности (травы), нижние слоя атмосферы настолько сильно охлаждаются, что начинают выделять лишнюю влагу в виде водяных капель.
Ещё одним примером, на этот раз – зимним, является туман над рекой, озером или другим водоёмом, на льду которого образовалась прорубь: в морозы над ней всегда стоит пелена, стелющаяся над водной поверхностью. Происходит это потому, что температура воды во время морозов теплее окружающего её льда и воздуха, соприкасающегося с ним (из-за этого воздух над водой всегда теплее остального и туман над рекой в районе проруби стоит почти всегда).
После того как тёплый воздух смешивается с холодными воздушными потоками, он начинает охлаждаться, выделяя пар и образовывая у самой поверхности Земли облако. Поэтому туман над рекой и другими водоёмами обычно устойчивый и длительный: здесь постоянно смешиваются холодные и тёплые воздушные потоки и течения.
Ярким примером этого явления считается расположенный в Атлантическом океане канадский остров Ньюфаундленд. Из-за того, что здесь сталкиваются друг с другом два течения – тёплое Гольфстрима и холодное Лабрадорское, местные жители вынуждены проводить среди марева около ста двадцати туманных дней в году.
Формирование наземных облаков
Когда насыщенный водяными парами воздух охлаждается или смешивается с более холодными воздушными потоками, в атмосфере начинают выделяться капли. После этого при наличии над земной поверхностью мельчайших частичек пыли, они начинают к ним прилипать, наслаиваясь друг на друга и формируя капли более крупных размеров (чем больше в воздухе пыли, тем быстрее образуется облако, поэтому крупные города практически всегда окутаны слабой почти незаметной пеленой).
В тёплое время года размер такой капли колеблется от 5 до 15 мкм, во время морозов – от 2 до 5 мкм, поэтому зимний холодный туман не такой густой, как летний. Как только капли достигают необходимых объёмов, предметы оказываются расплывчатыми и трудноразличимыми: воздух при сильном тумане приобретает беловатый оттенок и синеватый – при слабом.
Ответ на вопрос, почему это явление бывает разных окрасов, прост: более мелкие капли лучше рассеивают короткие синие лучи, тогда как в густых наземных облаках капли более крупных размеров и световые волны рассеивают все лучи одинаково вне зависимости от их длины.
Водность таких облаков обычно не превышает 0,5 г/м3, но иногда густой туман может содержать до 1,5 г/м3 (этой воды достаточно, чтобы растения получили необходимую влагу, особенно это важно для растительности засушливых районов планеты). Насколько непроницаемой окажется пелена, во многом зависит от влажности воздуха, которая во время возникновения наземных облаков обычно составляет от 85 до 100%:
- если видимость не превышает 50 метров, наблюдается густой туман, а количество капель – 1200 на один кубический сантиметр;
- если пространство просматривается на расстоянии от 50 до 500 метров – умеренный (водяных капель в этом случае от 100 до 600);
- если видимость составляет километр – слабый (капель – от 50 до 100).
Нередки туманы и во время морозов, при этом явление можно увидеть даже тогда, когда влажность не превышает пятидесяти процентов. Обычно их можно наблюдать в городах, особенно на железнодорожных и автобусных вокзалах, где пелена образуется за счёт пара, который появляется во время сгорания топлива и выбрасывается в воздух через дымоходы и выхлопные трубы.
Виды
Своим происхождением наземные облака далеко не всегда обязаны лишь природе: большое число туманов возникает в городах, а потому состоят они не только из капель и пыли, но также дыма, копоти, которые выбрасываются фабричными или печными трубами, или возникают после или во время пожаров, когда горит лес, торф или степь. По происхождению метеорологи делят туманы на сухие (в их образовании как раз и виноваты дым, копоть и т. п.) и влажные (задействованы лишь вода и пыль), при этом нередко вторая форма перетекает в первую.
В свою очередь, влажные туманы, на образование которых непосредственно повлияла природа – это вечерний, ночной или утренний туман (именно этот период является оптимальным для возникновения стелющихся по земле облаков), метеорологи также делят на группы:
- Поземный. Вечерний или утренний туман, который низко стелется над земной поверхностью или водоёмом (например, туман над рекой). Пелена может быть сплошная, а может идти отдельными клочьями, а видимость не будет превышать километра.
- Просвечивающийся. Несмотря на то, что вдоль поверхности видимость невысока и в некоторых случаях не превышает нескольких метров, на небосводе вполне можно различить облака. К этому виду относят ночной, вечерний, и утренний туман.
- Сплошной. Видимость густого тумана очень ограничена и часто не превышает пятидесяти метров. Небо почти не просматривается, поэтому облака различить почти невозможно. В основном это вечерний, ночной и утренний туман, а во время холодов при повышении температурных показателей холодный туман можно увидеть и днём.
Почему исчезают туманы
Продолжительность этого явления различная и может составлять от получаса до нескольких суток (особенно во время холодов или при столкновении тёплых и холодных воздушных и водных потоков, например, туман над рекой). Основной причиной того, почему любой туман рассеивается, является прогревание воздуха. Поскольку пелена образуется возле поверхности, после того, как солнечные лучи её прогревают, нагревается и воздух, вследствие чего капли испаряются и превращаются в пар.
Чем выше над земной поверхностью, тем туман рассеивается слабее, так как в верхних слоях атмосферы температура воздуха снова начинает понижаться, пар преобразовывается в водяные капли и формирует облака.
