Конденсація водяної пари в атмосфері. Ядра конденсації. Процеси коагуляції
Конденсація – процес переходу води з газоподібного стану в рідкий. Відбувається в атмосфері у вигляді утворення дрібних крапельок, діаметром близько кількох мікронів. Більші краплі утворюються шляхом злиття дрібних крапельок або шляхом танення льодяних кристалів.
Конденсація починається тоді, коли повітря досягає насичення, а це частіше всього відбувається в атмосфері при зниженні температури. Кількість водяної пари, що недостатня для насичення, при пониженні температури до точки роси стає достатньою. При подальшому пониженні температури надлишок водяної пари понад ту кількість, що потрібна для насичення, переходить у рідкий стан. Виникають зародки хмарних крапельок, тобто початкові комплекси молекул води, які в подальшому ростуть до величини хмарних крапель. Якщо точка роси знаходиться значно нижче нуля, то спочатку виникають такі ж зародки, на яких ростуть переохолоджені краплі, але потім ці зародкові краплі замерзають, і на них відбувається розвиток крижаних кристалів.
Охолодження повітря найчастіше відбувається адіабатично внаслідок його розширення без передачі тепла в навколишнє середовище. Таке розширення відбувається переважно при підйомі повітря. Повітря може підніматися в процесі турбулентності у вигляді невпорядкованих вихорів, у висхідних потоках конвекції, а також в гребенях атмосферних хвиль. При утворенні туманів головною причиною охолодження повітря вже є не адіабатичний підйом, а віддача тепла з повітря до земної поверхні.
В атмосферних умовах відбувається не тільки утворення крапель, а й сублімація – утворення кристалів, перехід водяної пари в твердий стан. Термін конденсація часто використовується до конденсації та сублімації разом.
Утворення крапель при конденсація в атмосфері відбувається на деяких центрах, що називаються ядрами конденсації. Роль ядра конденсації полягає в тому, що воно завдяки своїй гігроскопічності збільшує стійкість утвореного зародка краплі. Якщо повітря штучно очистити від ядер конденсації, то конденсації не буде навіть при великому перенасиченні. Аерозольні домішки в повітря значною мірою можуть слугувати ядрами конденсації. Найважливішими ядрами вважаються частинки розчинних гігроскопічних солей, особливо морської солі, яка постійно виявляється у воді опадів. Вони потрапляють в повітря у великих кількостях при хвилюванні моря і розбризкуванні морської води , а також при подальшому випаровуванні крапель. Гігроскопічні ядра також потрапляють в атмосферу при розпиленні грунту. Утворені таким шляхом ядра конденсації мають розміри порядку десятих і сотих долів мікрона, тому завдяки своїй малості вони не осідають самі і переносяться повітряними течіями на великі відстані. Конденсація також проходить на гігроскопічних твердих частинках і краплях, що є продуктами згорання чи органічного розпаду. Це азотна кислота, сірчана кислота, сульфат амонію тощо. Кількість ядер конденсації в 1 см³ повітря біля земної поверхні близько десятків тисяч. З висотою кількість ядер швидко зменшується.
Зародкові краплі та кристали мають розмір близько 0,01-2 мкм в радіусі. При їх виникненні одразу ж починається їх ріст за рахунок дифузного притоку водяної пари. На першому етапі ріст відбувається дуже швидко, і зародкові краплі та кристали в лічені секунди виростають з ядра конденсації до 2-3 мкм, перетворюючись в хмарні елементи. Однак надалі ріст сповільнюється і збільшення починає відбуватися за рахунок інших факторів. Основним процесом збільшення хмарних елементів до розмірів опадів є коагуляція – злипання частинок колоїду. Коагуляція відбувається за рахунок відмінності швидкостей падіння більших та дрібніших частинок. Таким чином, конденсація є ефективним постачальником дрібних хмарних крапель, не перевищуючих за розмірами елементи мряки, тоді як опади виникають в хмарах за рахунок збільшення хмарних елементів шляхом їх коагуляції.