Для чего необходимо ядро?

Каждому известно, что в теплый сырой день наружная стенка стакана с ледяной водой мгновенно запотевает. Это значит, что происходит конденсация водяных паров, содержащихся в воздухе, на холодной поверхности стекла. Воздух, окружающий стакан, охлаждается, при этом возрастает его относительная влажность, т. е. отношение количества водяных паров, находящихся в воздухе при данной температуре, к тому количеству паров, которое могло бы содержаться в нем при той же температуре. Если относительная влажность достигла 100%, то воздух становится насыщенным. При дальнейшем незначительном понижении температуры начнется конденсация. Но что произойдет, если охлаждать воздух при отсутствии твердых предметов, вроде стакана? Для выяснения этого вопроса было поставлено множество опытов, и мы теперь хорошо представляем картину явления.

Предположим, что мы тщательно очистили воздух от частиц любого вида, в том числе и от частиц с мельчайшими электрическими зарядами (такие частицы называются ионами). Тогда относительная влажность может повыситься до весьма значительной величины, прежде чем произойдет конденсация паров. По сути дела, в этом случае для начала конденсации, т. е. образования мелких капелек облака, необходимо, чтобы количество водяных паров в несколько раз превышало то количество, которое насыщает воздух при нормальных условиях. О воздухе, который содержит водяных паров больше, чем ему требуется для насыщения, говорят, что он пересыщен.^* В воздухе, абсолютно свободном от частиц, можно получить пересыщение в несколько сотен процентов; это означает, что в нем находится в несколько раз больше молекул водяного пара, чем их было бы при насыщении. Многие ученые теоретически исследовали причины, почему требуется столь большое пересыщение для возникновения капель.

^* (Правильнее было бы говорить не о воздухе, пересыщенном водяным паром, а о некотором объеме, в котором наблюдается пересыщение. Это явление отмечается вне зависимости от того, заполнен ли этот объем воздухом или там содержатся только водяные пары. (Прим. ред.))

Сущность процесса конденсации заключается в том, что большое количество молекул водяного пара сближается, образуя жидкость. При отсутствии посторонней поверхности, например поверхности холодного стакана или ядра, молекулы пара слипаются лишь в результате случайных соударений. Группы молекул непрерывно возникают и тотчас же распадаются, так как молекулы находятся в хаотическом движении. Однако ученые показали, что если имеются условия для объединения достаточно большого числа молекул, то они образуют частицу, которая уже не испаряется, а постепенно растет. Чтобы избежать неопределенного выражения "достаточно большое число молекул водяного пара", будем считать, что молекулы концентрируются, образуя мельчайшие шарообразные тела. Тогда можно говорить о радиусе этих шаров, который должен быть достигнут для формирования устойчивых капель воды. В 1870 году известный английский ученый Кельвин впервые получил уравнение, позволяющее вычислять эти критические радиусы. Они зависят от температуры воздуха, а также от степени пересыщения. Чем выше пересыщение, тем больше вероятность того, что критическое число молекул пара сгруппируется в каплю, которая будет постепенно расти.

Теоретические исследования, подкрепленные лабораторными экспериментами, показали, что при отсутствии поверхности, на которой может конденсироваться пар, необходимо весьма большое пересыщение для того, чтобы началось образование капель. В естественных условиях атмосферы даже в результате быстрого охлаждения воздуха может быть достигнуто пересыщение всего лишь 1-2% (а не несколько сотен процентов), и тем не менее облака представляют собой обычное явление. Это объясняется, очевидно, тем, что в атмосфере всегда присутствуют ядра, на которых могут собираться молекулы водяного пара в количестве, достаточном для образования устойчивых капель.

Мы уже говорили о ядрах, состоящих из мельчайших крупинок морской соли. Тот факт, что водяные пары легко конденсируются на соли, общеизвестен. Вам, конечно, приходилось солить пищу в сырой летний день, и вы замечали, что частицы соли, впитав в себя водяные пары из воздуха, слипались в крупные куски и, хотя вы встряхивали солонку, кусочки соли никак не могли пройти сквозь отверстия солонки. Дело в том, что стоит кристаллику соли намокнуть, как он растворяется в воде, причем образовавшийся раствор поглощает все больше и больше водяных паров и непрерывно увеличивается в объеме.

Кристаллики соли в атмосфере могут иметь самые различные размеры: от 0,01 до 10 микрон^*. В следующем разделе мы расскажем о методах улавливания этих маленьких частиц и их измерения.

^* (1 микрон равен 0,001 мм.)

Существует еще одна большая группа ядер, которая детально изучалась К. Э. Юнге (бывшим сотрудником Кембриджского научно-исследовательского центра военно-воздушных сил США). Это мельчайшие капельки, содержащие химические соединения типа сульфатов. Они появляются в атмосфере в результате сжигания веществ, в которых содержится сера. Например, когда уголь сгорает в печи, вместе с дымом вылетает газообразная двуокись серы - соединение, состоящее из серы и кислорода. В присутствии кислорода этот газ постепенно превращается в трехокись серы, а та в свою очередь в присутствии водяного пара переходит в серную кислоту Н₂S0₄. Солнечный свет ускоряет процесс преобразования двуокиси серы в серную кислоту. Юнге показал, что многие ядра состоят из сульфата аммония.

Мелкие капельки азотной кислоты образуются путем соединения азота, кислорода и водяных паров при высоких температурах. Необходимые для этого условия возникают при лесных пожарах и особенно во время гроз. Кроме того, некоторые промышленные предприятия выбрасывают азотную кислоту в атмосферу.

Маленькие капельки кислоты служат ядрами конденсации, так как они, подобно соли, гигроскопичны, т. е. обладают сродством к воде. Пары начинают конденсироваться на них при относительной влажности, даже меньшей 100%. Размеры ядер этого типа всего несколько десятых долей микрона; они обнаружены в большом количестве на всем земном шаре.

Частицы почвы, уносимые ветром с поверхности земли, - третий важнейший тип ядер конденсации. Тяжелые частицы с диаметром, превышающим 10-20 микрон, быстро падают обратно на землю, зато меньшие частицы могут подниматься на большую высоту и переноситься на значительные расстояния. Эффективность частиц почвы как ядер конденсации зависит от их свойств. Наиболее активными являются те частицы, которые обладают гигроскопичностью, т. е. легко смачиваются водой и растворяются в воде.

Рис. 1. Три группы ядер конденсации

Ядра конденсации удобно разделить на три группы (рис. 1). Наименьшие из них имеют диаметр - менее 0,4 микрона; в 1 см³ может быть от 1000 до 5000 подобных ядер. Их обычно называют ядрами Айткена по имени ученого, который в 1880 году показал, что водяные пары конденсируются на ядрах. Вторая группа носит название больших ядер. Они имеют диаметр от 0,4 до 1 микрона, а концентрация их составляет несколько сотен частиц в 1 см³. Диаметр гигантских ядер лежит в пределах 1-10 микрон; они встречаются в количестве от 0,1 до 1 частицы в 1 см³. Большие ядра состоят в значительной части из сульфатов, а гигантские - главным образом из морской соли.