Конденсация и сублимация водяного пара

Конденсация в атмосфере наблюдается лишь тогда, когда содержащийся в ней водяной пар имеет упругость большую, чем упругость насыщения над поверхностью, над которой происходит конденсация. Этого условия достаточно для начала конденсации водяного пара над водной поверхностью или над сушей. Так образуется роса, а зимой иней и изморозь. Однако в чистом воздухе, даже при перенасыщении его водяным паром в несколько раз (до 800%), конденсация водяного пара не наступает.

Важнейшим условием начала процесса конденсации водяного пара в атмосфере, а следовательно, и образования облаков и туманов, является наличие в воздухе микроскопических твердых и жидких частиц, которые должны служить как бы очагами, где осаждается сконденсированная влага. Эти частицы называются ядрами конденсации; их размеры от десятых долей микрона до нескольких десятков микрон.

В случае, если точка росы имеет отрицательные значения, то водяной пар может переходить не только в жидкое состояние (конденсация), но и непосредственно в твердое (сублимация). За последние годы установлено, что сублимация может наблюдаться лишь при очень низких температурах воздуха; в большинстве же случаев сначала образуются переохлажденные капли воды, а затем они замерзают и вокруг ядер конденсации образуются кристаллы.

Ядра конденсации над океанами представляют собой в основном частицы солей, которые образуются после того, как брызги морской воды в атмосфере высыхают. В связи с этим во время и после шторма количество ядер конденсации увеличивается от 100—200 до 400—600 штук в 1 см³. С приближением к берегу их количество увеличивается до 10³—10⁴ в 1 см³, что является результатом попадания в атмосферу над морем частиц, выносимых с континента.

Чем больше размеры ядер конденсации и чем богаче они растворенными в воде солями, тем меньше необходима упругость насыщения для начала конденсации. При некоторых сочетаниях качеств ядер конденсации последняя может начинаться при относительной влажности ниже 100%.

Количество ядер конденсации в атмосфере зависит от степени турбулентности потоков: чем она больше, тем больше ядер конденсации. Поэтому под инверсиями наблюдается увеличение количества ядер конденсации. На одном и том же уровне количество ядер конденсации непостоянно, а будучи связано с процессами турбулентного и конвективного перемешивания имеет суточный ход и, кроме того, зависит от характера подстилающей поверхности.

Турбулентность и распределение ЯК: Современные модели крупных вихрей (LES) и полевые эксперименты (например, с использованием беспилотников и лидаров) подтверждают, что турбулентное перемешивание:

1. Увеличивает вертикальный и горизонтальный перенос аэрозолей (ЯК, ЯС) из приземного слоя в вышележащие.

2. Под инверсионными слоями ведет к накоплению аэрозолей (и, следовательно, ЯК) из-за подавления вертикального обмена, что регистрируется увеличенными концентрациями.

3. Обуславливает суточный ход концентрации ЯК у поверхности, связанный с развитием/разрушением конвективных пограничных слоев и изменением интенсивности наземных источников (например, антропогенных выбросов).

Значение для современной науки: Понимание процессов конденсации и сублимации, свойств и источников ЯК и ЯС критически важно для:
1. Точного моделирования облачности и осадков в климатических моделях (CMIP) и моделях прогноза погоды (NWP), где неопределенность аэрозоль-облачных взаимодействий остается значимой.

2. Оценки радиационного воздействия аэрозолей на климат: облака являются главным регулятором приходящей солнечной и уходящей длинноволновой радиации. ЯК влияют на количество и размеры облачных капель, изменяя альбедо облаков (эффект Твиди-Рамана).

3. Прогноза опасных явлений: туманов, обледенения, экстремальных осадков.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: Н. И. Егоров, И. М. Безуглый, В. А. Мнежинский, и др.

Источник: Морская гидрометеорология

Данные публикации будут полезны для курсантав морских учебных заведений и капитанаов/штурманов гражданского флота, интересующимся глубоким пониманием гидрометеорологии