Условия конденсации и сублимации водяного пара в атмосфере

Переход водяного пара в жидкое состояние называется конденсацией, в твердое состояние, минуя жидкую фазу, – сублимацией. Конденсация и сублимация водяного пара происходят как в атмосфере, так и на земной поверхности, на находящихся на ней предметах и на растительном покрове.

Водяной пар, содержащийся в атмосфере, может переходить в жидкое или твердое состояние лишь в том случае, когда его парциальное давление превышает давление насыщенного пара, т. е. когда е > Е. Поэтому для начала конденсации или сублимации либо парциальное давление водяного пара в воздухе должно увеличиваться до значения, превышающего давление насыщенного пара, либо температура воздуха должна опуститься ниже точки росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление водяного пара не может превышать максимально возможного. Поэтому оно тоже понижается, а избыток пара непрерывно конденсируется.

Иначе происходит конденсация пара в объеме воздуха, лишенном примесей, на которых могли бы осаждаться молекулы пара, т. е. в воздухе, не содержащем ядер конденсации. Во влажном воздухе, очищенном от примесей, капельки воды образуются только при 6—8-кратном пересыщении пара. Следовательно, для начала конденсации парциальное давление должно в 6–8 раз превысить давление насыщенного пара при данной температуре. Зародышевые капли в этом случае возникают в результате объединения молекул водяного пара в комплексы. Размеры этих комплексов сначала очень малы, а максимальное парциальное давление водяного пара над мелкими выпуклыми частицами значительно больше, чем над плоской поверхностью. Поэтому дальнейшая конденсация на таких малых комплексах может идти только при значительном пересыщении окружающего их пара. Если пересыщения нет, то возникающие комплексы сразу же разрушаются.

Понижение температуры воздуха ниже точки росы возможно вследствие:

а) охлаждения деятельной поверхности путем излучения и последующего охлаждения прилегающего слоя атмосферы;

б) соприкосновения теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью;

в) смешивания двух масс воздуха, содержащих насыщенный или близкий к насыщению водяной пар, но имеющих разную температуру;

г) адиабатического поднятия воздуха.

Конденсация водяного пара происходит вследствие охлаждения земной поверхности путем излучения и последующего охлаждения прилегающего слоя атмосферы.

В ясную тихую погоду после захода Солнца земная поверхность и наземные предметы под влиянием излучения начинают охлаждаться. Охлаждается и прилегающий к ним слой атмосферы. Водяной пар, содержащийся в этом слое, приближается к состоянию насыщения. Когда температура земной поверхности и наземных предметов опускается ниже точки росы воздуха, водяной пар из воздуха конденсируется на них, образуя капли росы. Охлаждение приземного воздуха ниже точки росы может привести к конденсации водяного пара также и в воздухе. При этом образуется туман.

Если на некоторой высоте над земной поверхностью находится слой с большим содержанием пара, то при радиационном излучении и соответствующем охлаждении этого слоя в нем также могут произойти конденсация и образование облаков.

При адиабатическом поднятии воздух с ненасыщенным паром охлаждается на 1 °C на каждые 100 м подъема. После того как водяной пар станет насыщенным, дальнейший подъем воздуха и связанное с ним охлаждение вызывает конденсацию пара. Адиабатическое охлаждение поднимающегося влажного воздуха является наиболее обычным процессом, приводящим к конденсации водяного пара в свободной атмосфере, и служит основной причиной облакообразования. В результате именно этого процесса образуется наибольшее количество продуктов конденсации.

При сублимации водяного пара сначала возникают жидкие зародышевые капельки на обычных ядрах конденсации. При достаточно низких отрицательных температурах они замерзают, и лишь после этого на них развиваются кристаллы. В атмосфере водяные капельки не замерзают, а остаются переохлажденными даже при температурах значительно ниже 0 °C. Например, в облаках и туманах переохлажденные капли иногда встречаются при температуре —40 °C. Однако большая часть капель переходит в твердое состояние уже в пределах температур от —12 до —17 °C.

Воздух, соприкасающийся с холодной почвой и наземными предметами, может охладиться до точки росы. При дальнейшем его охлаждении избыток пара начинает конденсироваться на поверхности охлажденных предметов. При этом выпадает роса и образуются жидкий налет, а также твердый налет, иней и кристаллическая изморозь. Кроме того, результатами процесса сублимации являются гололед, зернистая изморозь и обледенение, которые возникают при оседании и последующем замерзании переохлажденных капель и при непосредственном оседании ледяных кристаллов на земной поверхности и наземных предметах.