Погода. Радиационный баланс Земли. Локальные ветры и бризы. Движение Земли и погода, страница 27

Статистическая теория показывает, что для образования капелек воды в чистой атмосфере требуется значительное перенасыщение, намного (в несколько раз) превышающее упругость (парциальное давление) насыщенных паров над плоской поверхностью. На самом деле столь значительное перенасыщение не наблюдается, поскольку в атмосфере всегда присутствуют ядра конденсации в виде небольших пылинок, частичек солей и т.п. Правда, и в их присутствии требуется определенное перенасыщение воздуха, тем большее, чем меньше размеры ядер.

Первоначально считалось, что активными ядрами конденсации водяного пара являются пылинки, а также положительные и отрицательные ионы, всегда присутствующие в атмосфере. Однако эксперименты показали, что ионы обычных размеров требуют более чем четырехкратного перенасыщения воздуха паром для образования в нем капелек. Позднее было установлено, что активными ядрами конденсации в атмосфере, являются взвешенные в воздухе частицы, обладающие гигроскопичностью.

Ранее отмечалось, что упругость насыщающего пара над выпуклой поверхностью больше, чем над плоской. С другой стороны, соли, растворенные в воде, снижают упругость насыщающего пара. В частности, для начального образования водяной капли из кристаллика соли или капельки кислоты, требуется упругость пара, соответствующая упругости пара над насыщенном раствором соли (кислоты). Это существенно снижает порог начала конденсации. В частности, конденсация на кристаллах солей может начинаться при относительной влажности 70-80%, а на каплях серной кислоты конденсация происходит при любой относительной влажности. В дальнейшем, по мере роста капли влияние растворенной соли или кислоты снижается из-за всего более сильного разбавления. Поэтому по мере увеличения размеров капли для продолжения роста на первой стадии требуется все большая относительная влажность. Однако по мере роста капель уменьшается кривизна их поверхности, что ведет к снижению упругости насыщающего пара. Поэтому существует некое критическое перенасыщение, после которого при  продолжающейся конденсации давление насыщающих паров  постепенно уменьшается, и относительная влажность, требуемая для продолжения роста капель, постепенно снижается и приближается к 100%.

Капельки облаков постепенно заряжаются вследствие осаждения на них ионов, всегда присутствующих в воздухе. В нижних слоях атмосферы преобладают положительные ионы. Поэтому в случае тумана, его капельки приобретают положительный заряд и вследствие электрических сил отталкивания не могут сливаться в крупные капли и осаждаться. В такого рода несмачивающих туманах капли обнаруживают значительные положительные заряды (от 350 до 2000 элементарных зарядов на каплю). В случае нестойких смачивающих туманов, капли воды обладают небольшими зарядами разных знаков, и это способствует их слиянию.

Очевидно, что в атмосфере присутствуют также и ядра сублимации, служащие центрами превращения водяного пара непосредственно в лед. Считается, что в качестве таких ядер выступают мельчайшие ледяные кристаллики, а также пылинки, в частности, кварцевые песчинки, имеющие одинаковую кристаллическую структуру со льдом, что благоприятно для эффективной сублимации. Следует помнить, что насыщение по отношению ко льду наступает при меньшей упругости водяного пара, чем по отношению к воде. Для сублимации требуется перенасыщение до 15%. Такое перенасыщение по отношению ко льду, наступает в насыщенном по отношению к воде воздухе при температуре ниже -10  - -20 ^оС. Число ядер сублимации в воздухе обычно невелико и составляет 0.01 – 10 частиц в 1 см³. Поэтому при отрицательных температурах возможны значительные перенасыщения воздуха относительно льда.