Туманы, их структура и классификация

Структура тумана. Туман представляет собой систему взвешенных в приземном слое атмосферы мельчайших капелек воды или кристаллов льда, когда горизонтальная видимость не превышает 1 км. Если видимость находится в пределах от 1 до 10 км, то такую систему взвешенных капелек воды (кристаллов льда) называют дымкой.

Интенсивность тумана по дальности видимости в нем оценивают по следующей шкале:
- очень сильный туман — видимость менее 50 м;
- сильный туман — видимость 50—200 м;
- умеренный туман — видимость 200—500 м;
- слабый туман — видимость 500—1000 м.

В связи с тем, что интенсивность тумана оценивается по дальности видимости в нем, часто при классификации туманов в их группу включают и явление мглы, которая представляет собой систему взвешенных в воздухе твердых примесей (пыль, дым и т. д.). При мгле видимость также понижается и становится менее 10 км. Однако явление мглы с физической точки зрения не имеет ничего общего с явлением тумана.

Радиус капелек тумана от 1 до 50 мк. Большинство капель при положительных температурах имеет радиус 7-15 мк, при отрицательных 2-5 мк. Число капель в 1 см³ колеблется от 50—100 (слабый туман.) до 500—600 (сильный туман). Средняя водность умеренного тумана при температуре -15/-20° составляет 0,1-0,2 г/м³, а при температуре +5/+10° составляет 0,5-1,0 г/м³.

Наблюдениями установлено, что до температур порядка -20/-25° туман состоит из капелек воды и только при более низких температурах — из кристаллов льда. Таким образом, первоначально образуются переохлажденные капельки воды, а затем они превращаются в кристаллики льда. Относительная влажность в тумане близка к 100% и только при низких температурах она ниже и соответствует состоянию насыщения по отношению ко льду.

Туман образуется обычно в случае охлаждения до точки росы нижнего слоя атмосферы при соприкосновении его с более холодной подстилающей поверхностью. При отсутствии турбулентного перемешивания (только с учетом молекулярной теплопроводности) высота тумана не превышала бы 1—1,5 м; однако наличие турбулентного перемешивания приводит к охлаждению более толстого слоя воздуха и образованию мощного слоя тумана. Туманы могут образовываться также в результате смешения двух близких к насыщению масс воздуха с разной температурой и в том случае, когда испарившиеся с более теплой воды пары поступают в воздух с низкой температурой.

Классификация туманов. По условиям образования туманы подразделяются на адвективные, испарения, смешения, радиационные, фронтальные.

Адвективные туманы образуются в теплой воздушной массе, имеющей большое влагосодержание, при ее движении над относительно холодной подстилающей поверхностью. При этом, чем больше относительная влажность воздуха, тем при меньшем контрасте температур движущегося воздуха и подстилающей поверхности наступает точка росы и образуется туман.

Турбулентное перемешивание в движущемся воздухе способствует распространению охлаждения на большую высоту и появлению тумана, охватывающего слой от поверхности до десятков и сотен метров (иногда до 1,5—2,0 км) и занимающего огромную территорию. Образование адвективных туманов сопровождается образованием температурной инверсии, которая имеет ту же толщину, что и слой тумана.

Адвективные туманы обычно наблюдаются при движении (адвекции) влажного тропического воздуха в более высокие широты, теплого влажного морского воздуха на холодный континент (осенью и зимой), влажного теплого воздуха над холодными течениями, над льдом (в районе кромки льда) и т. п. Типичными туманами такого вида являются туманы Ньюфаундлендской банки, Японского моря, района Курильских островов; их толщина в среднем около 400 м.

Весной в средних и высоких широтах адвективные туманы часто образуются над внутренними морями и океанским побережьем. После того как с континента сойдет снег, а влажность почвы остается еще высокой, благодаря дневному прогреву воздух над сушей становится теплым и влажным, море же сравнительно холодное, особенно в районах стока вод весеннего половодья. Если при этом потоки воздуха направлены с суши на море, то над последним образуется устойчивый и очень плотный туман, который, как правило, разрушается потоками холодного арктического воздуха на район туманов. Чаще всего таким же образом разрушаются и туманы над холодными течениями.

Туманы испарения («парение моря») наблюдаются в холодное время года над открытыми от льда водоемами, когда температура воды значительно выше температуры воздуха. В этом случае в результате испарения с поверхности воды пары попадают в холодный воздух и начинают конденсироваться. В нижних слоях воздуха в результате его нагревания появляется неустойчивость, способствующая развитию интенсивного турбулентного тепло- и влагообмена и переносу водяного пара вверх от водной поверхности. Если выше приводного слоя имеет место инверсия температуры, то водяной пар задерживается и, быстро конденсируясь, переходит в туман, занимающий всю толщу от поверхности воды до нижнего слоя инверсии. Обычно разность температур воды и воздуха при туманах испарения достигает 10° и больше. Слабый ветер при этом способствует распространению тумана испарения на большие высоты и их уплотнению. При сильном ветре такие туманы бывают низкими, высота их порядка 2-3 м.

Туманы смешения образуются, когда происходит перемешивание двух близких к насыщению воздушных масс, имеющих различную температуру. С повышением температуры воздуха упругость насыщения возрастает не прямо пропорционально температуре, а быстрее, ввиду чего упругость получившейся в результате смешения воздушной массы иногда может быть больше упругости насыщающего пара при средней температуре смеси; начинается конденсация и образуется туман. Такой туман практически может появиться только при большой разности температур смешивающихся масс воздуха (не менее 10°) и при относительной влажности 95% и выше.

Радиационные туманы образуются в результате лучистого охлаждения земной поверхности. Такие туманы образуются над сушей и над районами сплошных ладов. Процессами турбулентного обмена охлаждение постепенно распространяется на все большую толщину слоя воздуха. Поэтому слабый ветер способствует образованию тумана большой мощности, Такие туманы, как правило, наблюдаются в устойчивых воздушных массах. Летом над континентом они чаще всего образуются в долинах, в низинах, над болотами; утром с восходом Солнца они довольно быстро рассеиваются. Высота таких туманов редко превышает 200-500 м.

Осенью и зимой при ясной устойчивой погоде охлаждение суши или сплошного ледяного покрова, а от них приземного слоя атмосферы, может продолжаться в течение нескольких дней и захватывать толщу атмосферы в 1—2 км; в результате образуются мощные туманы, распространяющиеся до этой же высоты, т. е. до верхней границы наблюдаемой обычно здесь инверсии. Под слоем инверсии в результате скопления ядер конденсации и, следовательно, более раннего начала конденсации плотность тумана может быть даже больше, чем вблизи земной поверхности.

Радиационные туманы могут образовываться у самого побережья незамерзшего моря и даже покрывать некоторую часть водной поверхности. Если же побережье покрыто сплошным льдом, то туман может распространяться на всю область сплошного неподвижного льда.

Фронтальные туманы образуются либо непосредственно во фронтальной зоне, либо за ней, либо перед ней. Причиной их образования является увлажнение воздуха выпадающими осадками. Понижение температуры при этом достигается в основном путем перемешивания теплого и холодного воздуха во фронтальной зоне, адвективным понижением температуры в теплом воздухе,

Остановимся на образовании очень частых летних туманов над арктическими морями. Характерной особенностью таких туманов является то, что у побережья (Мурманское, Канино-Печорекое и далее на восток) они наблюдаются как при нулевых, так и при отрицательных разностях температур воды и воздуха, поэтому не могут быть отнесены к типу адвективных. Известно, что такие туманы наблюдаются при северных ветрах. Из этого можно сделать вывод, что они выносятся из более северных районов морей. Наблюдения показывают, что эти туманы распространяются вплоть до кромки льдов, хотя и проходят полосами.

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