Статистические данные о ядрах конденсации

Как уже говорилось, ученые приступили к измерению ядер конденсации более 60 лет назад. Первые исследования Айткена и других дали сведения только о числе ядер, содержащихся в единице объема и участвующих в образовании капель воды при очень высоком пересыщении. О свойствах этих частиц было известно немногое. Лишь созданная за последние 20 лет усовершенствованная техника позволила узнать об их размерах и составе.

Многочисленные измерения показали, что количество ядер изменяется в очень широких пределах в зависимости от места и времени наблюдения. В 1938 году X. Э. Ландсберг сопоставил данные измерений ядер Айткена, произведенных в самых различных местах (табл. 2). Из табл. 2 следует, что число ядер в городах значительно больше, чем в сельской местности, и уж совсем велико по сравнению с количеством их над поверхностью океана. Фактическая концентрация в данный момент времени и в данном месте зависит от многих факторов, например от характера промышленных объектов, вида почвы, скорости ветра, от того, прошел ли недавно дождь или нет. Однако приведенные в табл. 2 данные показывают, что основные источники ядер Айткена находятся на континентах и что человеческая деятельность повышает число этих ядер в воздухе.

Таблица 2 Сравнение концентрации ядер Айткена

Еще раз отметим, что ядра Айткена обычно столь малы, что для начала конденсации на них требуется очень высокая степень пересыщения. Это следует хотя бы из того, что нормальная концентрация капель в облаке лежит в пределах 10-1000 на 1 см³, тогда как число ядер Айткена примерно в 100 раз больше. Только самые крупные и наиболее эффективные ядра Айткена могут участвовать в образовании-облаков.

Таблица 3 Результаты подсчетов ядер конденсации по числу капель (в 1 см3). По А. Дессану

Концентрация крупных ядер уже приближается к числу капель в единице объема облака. В табл. 3 приведены результаты некоторых наблюдений, полученные Дессаном при помощи паутины. Паутиновая сетка экспонировалась при протекании определенного объема воздуха, причем число и размеры частиц регистрировались, когда относительная влажность в атмосфере составляла 78%. Даже вдали от населенных пунктов были обнаружены существенные колебания числа частиц в различные дни, но диапазон изменения этих величин оказался несравненно меньше, чем для ядер Айткена.

Из табл. 3 ясно, что, чем меньше частицы, тем больше их в известном объеме воздуха. Хотя гигантские ядра, т. е. частицы радиусом от 1 до 10 микрон, встречаются в концентрации не более одного в 1 см³, но именно они играют чрезвычайно важную роль в процессе образования осадков.

Рис. 5. Среднее распределение кристаллов морской соли различных размеров по высоте. Размеры частиц были определены после осаждения их в камере с относительной влажностью 99%. Измерения производились над океаном вблизи Гавайских островов на трех высотах: ниже основания облаков, в слое облаков, над верхней границей облаков (по А. Вудкоку)

Мы уже отмечали, что Вудкок произвел многочисленные измерения частиц морской соли. На рис. 5 изображены графики, опубликованные в одной из его работ. Они показывают зависимость концентрации гигантских ядер от их радиуса, за который принят тот радиус, который должна иметь частица при относительной влажности 99%. В столь влажном воздухе частицы соли будут находиться в виде раствора.

По существу, для всех частиц в атмосфере справедлива следующая закономерность: по мере увеличения размеров частиц число их в единице объема падает. Количество частиц радиусом 5 микрон колеблется от 10³ до 10⁵ на 1 м³ (т. е. от 0,001 до 0,1 на 1 см³). Таким образом, в обычном облаке гигантских ядер мало по сравнению с числом капель.

Твердо установлено, что океаны являются основными поставщиками гигантских солевых ядер. Вудкок производил наблюдения над океаном в самых различных условиях. Он обнаружил, что, чем выше скорость ветра, тем больше концентрация ядер. Этот результат легко объясним. Действительно, при сильном ветре выше вздымаются волны и больше капель морской воды попадает в атмосферу. Вудкок и ряд других ученых исследовали также ядра морской соли на различных высотах. Как и следовало ожидать, по мере подъема над поверхностью океана концентрация этих ядер уменьшается. А. Вудкок и А. Спенсер показали, что, когда горячая лава, образовавшаяся при извержении вулканов на Гавайских островах, падает в океан, в атмосферу выбрасывается очень много частиц морской соли.

Над континентами концентрация гигантских ядер ниже, так как они либо оседают на землю, либо вымываются из воздуха вместе с осадками. И тем не менее гигантские ядра соли иногда обнаруживаются и в глубине континентов. X. Бауэрс и другие сотрудники Чикагского университета брали пробы с самолета над центральной частью Соединенных Штатов Америки. В отдельные дни они обнаруживали солевые ядра диаметром более 5 микрон в концентрации от 100 до 1000 частиц на 1 м³.

Резюмируя, можно сказать, что атмосфера заполнена разнообразными частицами диаметром от 10 до 0,01 микрона и даже меньше. Чем меньше частицы, тем их больше. В облаках концентрация водяных капель колеблется от 10 до 1000 штук в 1 см³, а это значит, что лишь малая доля находящихся в воздухе ядер действительно принимает участие в образовании капель, из которых состоят облака. К важнейшим факторам, определяющим, станет ли данная частица ядром облачной капли, следует отнести размеры частицы и ее состав. Большие частицы, которые состоят из веществ, обладающих сродством к воде, находятся в наиболее благоприятном с этой точки зрения положении.