Туман глазами внимательного наблюдателя. Туман представляет собой скопления мелких капелек волы (или мелких ледяных кристалликов), возникающие при определенных условиях в непосредственной близости от поверхности земли или водной поверхности. Туман стелется над самой поверхностью земли или воды, образуя слой толщиной примерно от метра до десятков метров (иногда до сотен метров). Он снижает горизонтальную видимость, ограничивает ее расстояниями от километра (слабый туман) до нескольких метров (очень сильный туман).

Когда и где образуется туман? Все знают, что туман часто образуется в низинах, оврагах, болотистых местах, где воздух достаточно влажный. Возникает он и над поверхностью воды (морские, озерные, речные туманы). Туман может образоваться утром, но может появиться и вечером — после захода солнца, Иногда туман не прекращается целые сутки.

Из огромного разнообразия туманов мы выделим пять конкретных примеров, опишем их, а впоследствии объясним физику возникновения.

Первый пример. Предположим, что имеется хорошо прогреваемый солнцем водоем — пруд, озеро, мелководная бухта. За ночь воздух над поверхностью воды охлаждается в большей степени, чем сама вода, и его температура оказывается существенно ниже, Над водой возникает утренний туман.

Второй пример. Холодный воздух переносится ветром в горизонтальном направлении и оказывается над теплой водой. И тут же над водой начинает образовываться туман. Такой туман можно наблюдать, например, в Арктике, когда слои холодного воздуха над льдами перемещаются па открытую воду.

Третий пример. Теплый воздух переносится ветром в горизонтальном направлении и оказывается над холодной поверхностью. При этом он охлаждается, и в результате возникает туман. Такой туман образуется, например, когда воздушные массы, получившие теплоту от- реки, перемещаются к покрытому снегом холодному берегу. Таковы зимние туманы, характерные для Ленинграда. Возможен и другой случай: слой воздуха, прогревшись над берегом, перемещается в сторону моря и там отдает теплоту холодной морской воде. Эти туманы образуются летними вечерами на море вблизи берега.

Вспомним у А. С. Пушкина:

Четвертый пример. Находящиеся над нагретой водой теплые слои воздуха поднимаются по склону горы вверх и попадают в область относительно холодного воздуха. И уже там, наверху, в процессе охлаждения поднявшегося теплого воздуха образуется туман, который по склону горы опускается затем вниз, к воде.

Именно эту ситуацию описал И. А. Бунин в своем стихотворении “Сумерки”:

Обратим внимание на подмеченное Лермонтовым свойство тумана клубиться. Но туман не обязательно клубится. Чаще он “ползет”. Это отмечает С. А. Есенин:

. Заметим, что подобные картины обычно наблюдают на природе — в полях и лугах, на лесных полянах и среди холмов, о чем сказано в приведенных только что стихотворных строках. Городские же туманы, как правило, более плотные и на первый взгляд неподвижны. Вспомним у Верхарна:

“Сплошными белыми пластами залег туман между домов”.

Туману действительно свойствен синеватый цвет. Правда, плотные туманы не голубые, а белые или, точнее говоря, белесые. Неудивительно поэтому, что городские жители почти никогда не видят голубых туманов. Густые городские туманы могут походить на “белый войлок плотный”. Они нередко имеют желтоватый оттенок, выглядят серыми, грязноватыми. Чтобы любоваться чистыми голубоватыми оттенками туманов, надо ехать на природу — в луга, леса, к морю. Луна или солнце, наблюдаемые сквозь неплотный туман, кажутся красноватыми. Напомним прекрасные пушкинские строки:

Городские огни в тумане также выглядят красноватыми. В “Приключениях Оливера Твиста” Ч. Диккенса есть, например, такая сцена: “Ночь была очень темная, погода стояла плохая… Над –рекой навис туман, сгущая красные, отблески огней, которые горели на маленьких судах.

Туман под микроскопом. При температурах, не опускающихся ниже —20°С, туман состоит в основном из мелких капелек воды, а при более низких температурах из мелких ледяных кристалликов. В дальнейшем мы будем рассматривать только водяные туманы.

Справа на с. 45 можно видеть фотографию тумана, снятую при значительном увеличении. На фотографии видны капельки различного диаметра. Они принимают значения примерно от 0,5 мкм до 100 мкм. В обычном тумане диаметр водяных капелек в основном порядка 10 мкм. Если в тумане преобладают очень мелкие капельки (диаметр менее 1 мкм), то такой туман называют дымкой. Если же капли тумана относительно велики (диаметр порядка 100 мкм), то это так называемая морось. Количество капелек в 1 см³ тумана примерно от 100 до 1000.

Общая масса всех водяных капелек в единице объема тумана называется водностью тумана; эта величина измеряется в единицах плотности, чаще всего в г/м³. Водность тумана обычно не превышает 0,1 г/м³. В особо плотных туманах она может достигать 1 г/м³. Эти числа кажутся очень малыми, ведь собрав воедино все капельки из тумана, занимающего объем 10³ м³ и имеющего водность 0,1 г/м³, мы получим всего полстакана воды (100 г) и едва сможем утолить жажду. Поэтому кажется удивительным, как быстро намокает вся одежда у того, кто окунулся в промозглую сырость тумана.

Однако не следует особенно удивляться. В действительности воды в тумане не так уж мало. Рассмотрим слой тумана толщиной 10 м, висящий над полем площадью 5 км². Объем такого туманного слоя равен 5•10⁷м^з. При водности тумана 0,1 г/м³ в нем содержится 5-10³ л воды. Этого вполне достаточно для орошения рассматриваемого поля.

То, что туманы и росы — существенный источник влаги, необходимой растениям, хорошо известно крестьянам. Разумеется, они не производили расчетов, просто они знали это из собственного опыта. Недаром сказка “Король Туманной горы”, о которой мы говорили выше, заканчивается так: “...И не было больше удачи этим людям. Каждое лето засуха причиняла им большой урон, хлеба и травы погибали, потому что по ночам не опускался над ними освежающий туман. Король Туманной горы гневался на людей, которые хотели предать смерти его питомицу”.

Насыщенный водяной пар. Прежде чем переходить к объяснению физики возникновения тумана, надо предварительно поговорить о насыщенном водяном паре.

Предположим, что мы находимся на берегу какого-нибудь водоема и глядим на поверхность воды. Она представляется нам спокойной. Но в действительности перед нами совершается великое множество микрособытий, недоступных нашему взору. Наиболее быстрые молекулы воды, преодолев притяжение со стороны других молекул, выскакивают из водной массы и образуют пар над водной поверхностью. Мы называем это испарением воды. Молекулы водяного пара сталкиваются друг с другом и с молекулами воздуха, часть молекул пара переходит обратно в жидкость. Это есть конденсация пара. При данной температуре устанавливается своеобразное равновесие (его называют динамическим), когда число молекул воды, покидающих за единицу времени жидкость, в среднем равно числу молекул воды, возвращающихся за то же время обратно. Можно сказать, что процессы испарения и конденсации взаимно компенсируются. Водяной пар, находящийся в этом случае над поверхностью воды, называют насыщенным.

Если температура вдруг повысится, пар станет ненасыщенным: процесс испарения начнет преобладать над процессом конденсации, в результате давление пара начнет расти. Это будет продолжаться до того момента, пока снова не установится динамическое равновесие между испарением и конденсацией, иначе говоря, пока пар снова не станет насыщенным.

Если, напротив, температура вдруг понизится, пар станет перенасыщенным — теперь уже конденсация начнет преобладать над испарением. В результате давление пара будет понижаться до тех пор, пока не будет снова достигнуто динамическое равновесие, т. е. состояние насыщения пара.

Мы видим, таким образом, что давление насыщенного пара зависит от температуры: оно возрастает с увеличением температуры и падает с ее уменьшением. Часто вместо давления пара рассматривают его плотность  (массу водяных паров в единице объема). Ясно, что плотность насыщенного пара  растет с увеличением температуры и падает с ее уменьшением. На рисунке приведен график зависимости плотности насыщенного пара от температуры;

первая величина измеряется в данном случае в г/м³, а вторая — в °С. Из графика видно, что при повышении температуры, например, от 5 °С до 40 °С плотность насыщенного пара возрастает более чем в 10 раз.

Заметим, что изображенный график подходит для плоской водной поверхности. Над выпуклой поверхностью плотность (и давление насыщенного пара при данной температуре больше, чем над плоской поверхностью, а над вогнутой, наоборот, меньше). Дело в том, что в случае с выпуклой поверхностью имеются более благоприятные условия для преобладания испускания над конденсацией, тогда как вогнутая форма поверхности более благоприятствует конденсации.

Сделанное замечание имеет прямое отношение к туману. Представьте себе, что возникла и постепенно растет капелька воды в тумане. Она растет за счет конденсации водяных паров. А конденсируются они на выпуклой поверхности капельки. Но не будем забегать вперед — разговор о физике возникновения тумана еще впереди.

Теперь мысленно уберем поверхность воды и представим себе некий объем воздуха, содержащий какое-то количество водяных паров. Пусть плотность этих паров равна плотности насыщенного пара при данной температуре. Предположим, что температура воздуха в рассматриваемом объеме вдруг уменьшилась. Тогда водяной пар окажется пересыщенным, начнется конденсация пара и на стенках объема появится влага — выпадет роса. Это будет продолжаться до тех пор, пока плотность водяных паров в рассматриваемом объеме не снизится до значения,  равного плотности насыщенного водяного пара при новой температуре.

Задача, имеющая отношение к возникновению тумана. Предварительно поговорим о том, что такое относительная и абсолютная влажность. Относительная влажность при данной температуре определяется как отношение давления Р водяных паров при этой температуре к давлению Р насыщенных паров, соответствующему рассматриваемой температуре. Обычно относительную влажность измеряют в процентах. Плотность водяных паров, находящихся в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью воздуха (для рассматриваемой температуры). Это есть общая масса водяных паров в единице объема воздуха в том или ином конкретном случае. (Ее не надо путать с водностью тумана — общей массой водяных капелек в единице объема; масса пара — это одно, а масса водяных капелек (масса воды) — это, очевидно, другое.)

Точка росы. Это такая температура, при которой пар, содержащийся в воздухе, оказывается насыщенным. Иначе говоря, если температура есть точка росы, то плотность насыщенного пара есть абсолютная влажность. Значит, график на рисунке 3.1 можно рассматривать двояко:

 А знаете ли Вы?    Физика в походе    Биофизика    Биографии   Астрономия