Продолжение. См. № 18, 20, 22/05
К.Ю.Богданов,
школа № 1326, г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru
Где собака зарыта?
4. Что такое туман?
Почему самолёт оставляет в небе белый след? По той же причине, по которой при дыхании на морозе появляется туман или иней. В турбинах самолёта сгорает углеводородное топливо, а одним из продуктов горения является вода, её пар, нагретый до высокой температуры. Горячие водяные пары, вылетая из сопла турбины, сразу начинают конденсироваться, образуя нитеобразное облако, состоящее из мельчайших капелек воды или кристалликов льда, т.к. температура на такой высоте ниже –40 °С. Иногда воздух на высоте бывает перенасыщен влагой, которая не может конденсироваться только из-за отсутствия так называемых ядер конденсации – мельчайших частиц, например, пыли. В таких случаях пролетающий самолёт, оставляющий за собой частицы сажи (продукт неполного сгорания топлива), вызывает конденсацию перенасыщенных паров в атмосфере. Поэтому по интенсивности белого следа от летящего самолёта можно судить о влажности воздуха в верхних слоях тропосферы, а значит, и о предстоящей погоде. Быстроисчезающий и едва заметный след говорит о том, что воздух на высоте сухой, а погода будет безоблачной. Ну а если белый след тянется через всё небо, то следует ждать ухудшения погоды.
На фотографиях, сделанных со спутников, Земля во многих местах накрыта плотной белой сеткой следов от пролетевших самолётов. Было показано, что в некоторых случаях следы превращаются в облака площадью от 4000 до 40 000 км2, оказывая влияние на климат. Прекращение на три дня полётов над территорией США после трагедии 11 сентября 2001 г. резко увеличило прозрачность атмосферы, в результате разница между средней дневной и ночной температурами увеличилась на градус. Таким образом, белые следы от самолётов служат одним из факторов глобального «затемнения» планеты, противодействующих её глобальному потеплению.
На сделанной со спутника над территорией США фотографии видна плотная сетка белых следов от пролетевших самолётов. Сплошными (жёлтыми) линиями показаны границы штатов. Справа – Атлантический океан, слева внизу – Мексиканский залив
Чем опасны и полезны для человечества водяные пары? Опасны они тем, что относятся к так называемым парниковым газам. В отличие от остальных молекул воздуха (N2, O2 и CO2) молекула воды асимметрична и имеет постоянный дипольный момент, что делает её спектр поглощения очень густым и сложным, а также обеспечивает поглощение инфракрасного излучения в широком спектре частот. Это значит, что водяные пары, находясь в атмосфере, свободно пропускают через себя солнечную коротковолновую радиацию с пиком на длине волны около 0,6 мкм, но задерживают инфракрасное излучение Земли с длиной волны около 11 мкм.
Различные типы колебательных движений молекулы воды (а–в) и вращательное движение (г). Стрелками схематически показаны направления движений атомов в этих движениях
Парниковый эффект водяного пара сравним по величине с эффектом углекислого газа. Многие, однако, считают, что, если бы парникового эффекта водяных паров не было, то наша планета никогда бы не отогрелась от космического холода, а температура на её поверхности составляла около 30 К, и жизни на ней, конечно, не было бы. Но в последнее время концентрация водяных паров в тропосфере неуклонно возрастает и больше всего в тропических широтах, где каждые 10 лет она увеличивается на 13%. Происходит это из-за постепенного нагревания нашей планеты. Полезен же пар тем, что образующиеся из него облака отражают часть солнечного излучения, борясь, таким образом, с глобальным потеплением.
Как разгоняют облака? Наиболее плотные облака, защищающие нас от солнечного света и содержащие много влаги, находятся, как правило, на высоте 2–3 км и содержат много мельчайших капелек (10–100 мкм) переохлаждённой воды при температуре ниже –10 °С. Чтобы уничтожить облако, необходимо вызвать появление крупных капель (более 1 мм) и кристаллов льда в тумане, состоящем из мельчайших капелек воды и микрокристалликов льда. После чего образовавшиеся крупные капли и кристаллы упадут на землю, и облако исчезнет. Для этого в облаках распыляют микрочастицы, которые служат так называемыми ядрами кристаллизации для образования крупных капель и кристаллов. В качестве таких частиц часто используют йодид серебра, кристаллическая структура которого очень похожа на гексагональную структуру кристаллов льда, из-за чего адгезия кристаллов льда и капелек воды к частичкам йодида серебра велика. Поэтому в облаке к кристалликам йодида серебра прилипают молекулы воды и, став тяжёлыми от прилипшей воды, начинают падать на землю, унося с собой часть облака. Другой способ осаждения облака – его охлаждение. Для этого над облаком разбрасывают кристаллы «сухого льда» (СО2), которые, охлаждая облако, вызывают усиленную конденсацию с образованием крупных капель и кристаллов льда. Есть и другие методы борьбы с облаками. Например, можно разбрасывать в облаках микроскопические крупинки гигроскопических солей (NaCl или KCl), которые, попав в облако, будут притягивать к себе влагу и разбухать, становясь зародышами больших капель. Однако этот метод, как и использование цементной пыли для осаждения облаков, считают экологически небезопасным.
Как искусственный туман помогает сельскому хозяйству? Наиболее эффективной технологией выращивания растений является метод зелёного черенкования, которым можно размножать многие растения – розы, хризантемы, виноград, многие плодовые и ягодные культуры, даже помидоры. Чтобы растение прижилось, влажность воздуха должна быть близка к 100%, т.к. зелёные черенки с листьями не имеют собственной корневой системы и влагу, а также питание, могут получать только через листья. Поэтому выращивают саженцы в теплицах, где время от времени распыляется вода, подаваемая под давлением несколько десятков атмосфер, образуя туман, состоящий из капелек размером не более 30 мкм. Туман из более крупных капелек быстро оседает.
Туман в теплице не только насыщает воздух влагой, но и может понижать температуру в ней на несколько десятков градусов, отнимая теплоту, необходимую для испарения, что даёт возможность использовать теплицы в условиях жаркого климата. При выращивании в открытом грунте создание искусственного тумана во время ночных заморозков направляет тепло, излучаемое Землёй, на согревание растений. Это происходит из-за того, что водяные пары интенсивно поглощают инфракрасное излучение.
Искусственный пар в теплице