Chmury i aerozole

Dowiedz się więcej!

Tworzenie się kropli

Chmura tworzy się kiedy para wodna zawarta w atmosferze skrapla się, czyli kiedy wilgotne powietrze ochładza się. Jakie zależności występują między temperaturą a wilgotnością powietrza? A jaki jest rozmiar kropelek wody tworzących chmurę?

Nasycenie powietrza parą wodną

Ilość pary wodnej, która może się pomieścić w danej objętości powietrza zależy od jego temperatury. Dla danej temperatury, stosunek ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu w danej chwili do największej ilości, którą może ono pomieścić to wilgotność względna.

Mówimy, że powietrze jest nasycone parą wodną kiedy zawiera maksymalną możliwą ilość pary wodnej. Powietrze nasycone ma zatem wilgotność względną równą 100%. Powietrze przesycone ma wilgotność względną większą niż 100%.

Tabela poniżej prezentuje największe możliwe ilości pary wodnej, które powietrze może zawierać zanim zacznie się kondensacja, przy różnych wartościach temperatury powietrza:

zobacz także krzywą saturacji.

Wyobraź sobie pewną objętość powietrza o temperaturze 20°C, w której zawartość pary wodnej wynosi 9,4 g/m³. Wilgotność względna jest równa 100 x (9,4/17,3) = 54,3%. Załóżmy, że ochładzamy powietrze do 10°C (np. poprzez przemieszczenie tej objętości powietrza w górę w atmosferze): wilgotność względna wynosi teraz 100%. Powietrze jest nasycone. Wyobraź sobie, że temperatura dalej spada aż do 0°C. W tej temperaturze powietrze może pomieścić pary wodnej nie więcej niż 4,8 g/m³. Nasza objętość powietrza staje się więc przesycona parą wodną (9,4 - 4,8) = 4,6 g. Ta dodatkowa woda skrapla się na cząsteczkach aerozolu, które są dostępne i tworzy kropelki chmury. Wilgotność względna rozważanej objętości powietrza wraca do poziomu 100%, z zawartością pary wodnej równą 4,8  g/m³.

Czym cieplejsze powietrze, tym więcej pary wodnej może pomieścić. Z tego powodu używamy ciepłego powietrza aby coś osuszyć, gdyż pochłania ono wilgoć. Z drugiej jednak strony, ochładzanie nasyconego powietrza powoduje kondensację wody. To właśnie dlatego zimna puszka z napojem pokrywa się kropelkami wody: z powietrza wokół puszki wytrąca się para wodna. 

Krople chmurowe

Rozmiary kropel chmurowych wahają się od kilku mikrometrów do ponad 100 µm (0,1 mm), a średnio wynoszą około 10 µm. Chmury tworzące się nad lądem mają zazwyczaj krople o mniejszej średnicy, zaś chmury tworzące się nad oceanami charakteryzują się większymi średnicami kropel i mniejszą ich koncentracją. Zwykle gęstość kropel w chmurze wynosi od 25 000 do 1 miliona kropel na litr powietrza.
Odległość między 2 kroplami wynosi około 1,4 mm, co odpowiada 70-krotnej wartości ich średnicy (to tak jakby ustawić jedną piłkę co 20-30 metrów).
Aby mógł wystąpić opad atmosferyczny, krople muszą zwiększać się aż osiągną rozmiar około 1 mm, co oznacza, że muszą stać się sto razy większe niż były na początku!

W "ciepłych chmurach" (czyli nie zawierających kryształków lodu), krople mogą się powiększać do rozmiarów koniecznych do wystąpienia opadu poprzez łączenie się. W miarę upływu czasu krople stają się coraz większe, aż stają się zbyt ciężkie aby pozostać zawieszone w powietrzu dzięki wstępującym prądom powietrza, które równoważą opadanie kropel. Przykładowo, w chmurach Cumulonimbus  prądy pionowe są bardzo silne, co wyjaśnia dlaczego krople deszczu w czasie burzy są tak duże.

Objaśnienia do ilustracji obok:
force down = mass x gravity - siła skierowana ku dołowi = masa x przyspieszenie grawitacyjne ziemskie,
resistance of the air - opór powietrza

Chmury zimne składają się z kryształków lodu, wody w stanie ciekłym i pary wodnej. Para wodna kondensuje na kryształkach lodu, a kropelki wody zamarzają przy kontakcie z nimi. Gdy stają się coraz większe to kryształki lodu opadają jako śnieg, albo jako deszcz jeśli ulegną stopieniu przed zetknięciem z ziemią.

O tej stronie:

Autor: J. Gourdeau, LAMP Clermont-Ferrand, Francja
Recenzent: Pr Jean-François Gayet, LaMP CNRS, Francja
Ostatnia aktualizacja: 2004-04-22
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków