Точка росы

Вернемся теперь к примеру со стаканом ледяной воды. Так как воздух, окружающий стакан, охлаждается, его относительная влажность возрастает. Через некоторое время она достигнет 100% и наступит насыщение. Дальнейшее охлаждение означает, что воздух становится пересыщенным, т. е. в нем будет молекул пара больше, чем в условиях насыщения. Эти молекулы начинают оседать на поверхности стакана, чтобы вернуть воздух в насыщенное состояние. Все время, пока будет падать температура, будет продолжаться процесс конденсации. Конечно, в нашем примере влажный воздух вблизи стакана непрерывно замещается новыми порциями воздуха. Следовательно, процесс конденсации будет непрерывно продолжаться, и на скатерти образуется мокрое пятно. Если приток воздуха ограничен, то, несмотря на понижение температуры воздуха вокруг стакана, конденсация постепенно замедлится.

Тот момент в процессе охлаждения, при котором начинается конденсация, называется точкой росы. Он наступает тогда, когда относительная влажность достигает 100%. Температура воздуха, при которой начинается конденсация, носит название температуры точки росы. Эта величина зависит от температуры воздуха, содержания влаги и давления. В описанном выше случае, а именно когда температура 26° С и относительная влажность 50%, температура точки росы при нормальном атмосферном давлении равна 15° С.

На постепенно охлаждаемой совершенно чистой металлической или стеклянной поверхности конденсация начинается в тот момент, когда температура этой поверхности становится равной температуре точки росы воздуха. Правда, в случае очень маленьких поверхностей, которые образованы веществами, обладающими сродством к водяным парам, ситуация значительно усложняется.

Прежде всего отметим, что при очень мелких капельках (радиусом, меньшим приблизительно 1 микрона) размеры последних сказываются на значении упругости насыщающих паров. Для того чтобы маленькая капелька находилась в равновесии с окружающим воздухом, относительная влажность должна быть выше 100%.

Например, если имеется чистая вода, то лишь при относительной влажности выше 140% капли радиусом 0,003 микрона смогут избежать мгновенного испарения. По мере увеличения размера капель равновесная относительная влажность будет постепенно приближаться к 100%.

В атмосфере относительная влажность редко превышает 101%, и даже это однопроцентное пересыщение возникает только при очень больших вертикальных перемещениях воздуха во время гроз. Как же все-таки образуются капли? Дело в том, что стремлению очень маленьких капель испариться противостоит стремление некоторых веществ удержать молекулы воды. Крупинка морской oсоли как бы испытывает особую любовь к воде. Как мы уже говорили, для того чтобы началась конденсация на чистой металлической или стеклянной поверхности, необходима относительная влажность 100%. На частице же морской соли или другого гигроскопического вещества конденсация может происходить уже при влажности 50-60%.

Рис. 9. Равновесная относительная влажность для капель воды и соляного раствора как функция диаметра капель (график построен для температуры 0°С)

Рисунок 9 иллюстрирует роль, которую играет частичка соли в росте капли. Пунктирная кривая характеризует те значения относительной влажности над плоской поверхностью, которые необходимы для поддержания в равновесии водяных капель радиусами, показанными на горизонтальной прямой. Легко заметить, что, чем меньше размеры капель, тем выше должно быть пересыщение, чтобы "спасти" капли от испарения. Сплошной кривой показана относительная влажность, которая требуется для поддержания равновесия над каплей, начавшей расти на ядре соли радиусом 0,5 микрона.

Когда крупинка соли такого размера попадает в воздух с относительной влажностью 99,8%, конденсация будет происходить на ней до тех пор, пока капля не вырастет до размера, отмеченного точкой А. В этот момент капелька окажется в равновесии с окружающей средой и будет сохранять этот размер, пока не изменится влажность. Если влажность возрастет до 100,1%, конденсация и рост капли возобновятся. Как только радиус капли "перевалит через горб" на кривой (точка В), капля будет продолжать расти все время, пока относительная влажность больше 100%. К тому моменту, когда размер капли превысит 2 микрона, влияние ее размера, а также раствора соли станет настолько малым, что капля будет вести себя так же, как ровная поверхность чистой воды. Когда это случится, создастся положение, в некоторых чертах напоминающее случай со стаканом ледяной воды. Конденсация будет продолжаться, пока воздух пересыщен (в отношении чистой воды).

До сих пор речь шла о поведении капель, обусловленном значением относительной влажности окружающего воздуха. Чтобы получить более ясное представление об этом процессе, вдумайтесь в эту формулу:

Уже отмечалось, что упругость паров служит мерой количества молекул водяного пара в воздухе. Можно также говорить об упругости пара у поверхности жидкости. Она равна упругости насыщающих паров в непосредственной близости от поверхности и зависит лишь от температуры. Когда воздух вокруг водяной капли пересыщен, т. е. когда относительная влажность больше 100%, упругость паров в воздухе выше, чем в случае насыщения. В результате возникает сила, заставляющая молекулы пара перемещаться из области более высокой упругости в область более низкой упругости, а именно из воздуха в воду. В этом и состоит динамика процесса.

Конденсацию и испарение капель любого размера, формы и состава можно рассчитать, если известно распределение упругости паров вокруг капли.

Резюмируя, можно сказать, что рост отдельной капельки зависит от ее размеров, состава ядра и влажности воздуха. Когда относительная влажность повышается до достаточно большой величины, начинается конденсация паров. Если относительная влажность поддерживается на уровне, несколько превышающем 100%, конденсация будет продолжаться и могут образоваться капли, из которых состоит облако.

Здесь у любознательного читателя могут возникнуть вполне резонные вопросы. Что заставляет большие массы воздуха охлаждаться до температур, при которых образуются облака, застилающие небо? Что происходит, когда миллионы ядер почти одновременно активируются в охлаждающейся массе воздуха? Эти и некоторые другие вопросы будут рассмотрены в следующем разделе.