Туман

Валериан Чупин
ТУМАН
В науке все важно. Г. Гейне
  В наше время туманами интересуются не только поэты и художники. Пожалуй, особенно сильно туманы волнуют сегодня диспетчеров аэропортов, работников морских и речных портов, летчиков, капитанов кораблей, водителей автомашин и, конечно же, огромную армию метеорологов, синоптиков. «Внимание! Видимость на дорогах до 1 км»,— предупреждает нас по радио служба погоды. Это значит, что ожидается слабый туман. При умеренном тумане видимость уменьшается до сотен метров, а при сильном — до нескольких де¬сятков метров. И тогда временно закрываются аэродромы, встают на якорь суда, включаются сирены маяков.
    Туманы хорошо знакомы как живущим в сельской местности, так и жителям городов. Сельский житель обычно рад туману. Он знает, что туман ранней весной предвещает потепление, что туман на утренней заре летом связан с выпадением росы, которая напитает растения влагой.
     Иначе воспринимают туман жители больших современных городов с сильно загрязненным воздухом. Городскому жителю в сильный туман не только трудно ходить по улицам, но и трудно дышать; его физическое состояние резко ухудшается, портится настроение.
    В давние времена он воспринимался не как что-то карающее, а просто как таинственное явление, способное порождать призраки и скрывать предметы, как нечто незаметно подкрадывающееся, обволакивающее. Таинственность тумана рождала суеверные представления, и возникали различные легенды, иногда даже светлые, не лишенные поэзии.
   Туман глазами внимательного наблюдателя представляет собой скопления мелких капелек воды (или мелких ледяных кристалликов), возникающие при определенных условиях в непо¬средственной близости от поверхности земли или водной поверхности. Туман стелется над самой поверхностью земли или воды, образуя слой толщиной примерно от метра до десятков метров (иногда до сотен метров). Он снижает горизонтальную видимость, ограничивает ее расстояниями от ки¬лометра (слабый туман) до не¬скольких метров (очень сильный туман). Когда и где образуется туман? Все знают, что туман часто образуется в низинах, оврагах, боло¬тистых местах, где воздух достаточно влажный. Возникает он и над поверхностью воды (морские, озерные, речные туманы). Туман может образоваться утром, но мо¬жет появиться и вечером — после захода солнца. Иногда туман не прекращается целые сутки. Из огромного разнообразия туманов мы выделим некоторые , опишем их, а впоследствии объясним физику возникновения.
   Предположим, что имеется хорошо прогреваемый солнцем     водоем — пруд,     озеро, мелководная бухта. За ночь воздух над поверхностью воды охлаждается в большей степени, чем сама вода, и его температура оказывается существенно ниже. Над водой возникает утренний туман. Этот утренний туман весьма нестоек. Взойдет солнце, и он исчезнет  без следа. Желая подчеркнуть быстротечность молодости и юных мечтаний, А. С. Пушкин недаром упоминает утренний ту¬ман: «Любви, надежды, тихой славы Недолго нежил нас обман, Исчезли юные забавы, Как сон, как утренний туман». «К Чаадаеву»
Иногда теплый воздух переносится ветром в горизон¬тальном направлении и оказывается над холодной поверхностью. При этом он охлаждается, и в результате возникает туман. Такой туман образуется, например, когда воздушные массы, получившие теплоту от реки, перемещаются к покрытому снегом холодному берегу. Таковы зимние туманы, характерные для С-Петербурга. Воз¬можен и другой случай: слой воздуха, прогревшись над берегом, перемещается в сторону моря и там отдает теплоту холодной морской воде. Эти туманы образуются летними вечерами на море вблизи берега.
Вспомним   у   А. С Пушкина:
Погасло дневное светило,
На   море  синее  вечерний   пал   туман.
      Находящиеся над нагретой водой теплые слои воздуха поднимаются по склону горы вверх и попадают в область относительно холодного воздуха. И уже там, наверху, в процессе охлаждения поднявшегося теплого воздуха образуется туман, который по склону горы опускается затем вниз, к воде.
   После захода солнца нагретая за день земля остывает быстрее, чем воздух. Приповерхностные слои воздуха оказываются теплее; они начина¬ют отдавать теплоту земле и, как следствие, охлаждаются. Возника¬ет вечерний туман, описанный М. Ю. Лермонтовым:
И скрылся день; клубясь, туманы
Одели темные поляны Широкой белой пеленой.
Обратим внимание на подмеченное Лермонтовым свойство тумана клубиться. Но туман не обязательно клубится. Чаще он «ползет».
Это отмечает С.  А.  Есенин: Пряный вечер. Гаснут зори. По траве ползет туман.
Заметим, что подобные картины обычно наблюдают на природе — в полях и лугах, на лесных полянах и среди холмов, о чем сказано в приведенных только что стихотворных строках.
   Какого цвета туман? Легкая туманная дымка над морем имеет голубоватый цвет. Хорошо извест¬ное стихотворение М. Ю. Лермонтова «Парус» начинается так: Белеет парус одинокий В тумане моря голубом... Туману действительно свойствен синеватый цвет. Правда, плотные туманы не голубые, а белые . Не¬удивительно поэтому, что город¬ские жители почти никогда не видят голубых туманов. Они нередко имеют желтоватый отте¬нок, выглядят серыми, грязнова¬тыми. Чтобы любоваться чистыми голубоватыми оттенками туманов, надо ехать на природу - в луга, леса, к морю. При тем¬пературах, не опускающихся ниже - 20°С, туман состоит в основ¬ном из мелких капелек воды, а при более низких температурах из мелких ледяных кристалликов. В дальнейшем мы будем рассмат¬ривать   только   водяные   туманы. Они принимают значения примерно от 0,5 мкм до 100 мкм. В обычном тумане диаметр водяных капелек в основ¬ном порядка 10 мкм. Если в тума¬не преобладают очень мелкие ка¬пельки (диаметр менее 1 мкм), то такой туман называют дымкой. Капли тумана относи¬тельно велики (диаметр порядка 100 мкм), то это так называемая морось. Количество капелек в 1 см3 тумана примерно от 100 до 1000. Общая масса всех водяных ка¬пелек в единице объема тумана называется водностью тумана; эта величина измеряется в единицах плотности, чаще всего в г/м3. Вод¬ность тумана обычно не превышает 0,1 г/м3. В особо плотных туманах она может достигать 1 г/м3. Эти числа кажутся очень малыми, ведь собрав воедино все капельки из тумана, занимающего объем 1000 м3 и имеющего водность 0,1 г/м3, мы получим всего пол¬стакана воды (100 г) и едва смо¬жем утолить жажду. Поэтому кажется удивительным, как быст¬ро намокает вся одежда у того, кто окунулся в промозглую сы¬рость тумана. Однако не следует особенно удивляться. В действительности воды в тумане не так уж мало. Рассмотрим   слой   тумана   толщиной 10 м, висящий над полем площадью 5 км2. Объем такого туман¬ного слоя равен 5*107м3.
При водности тумана 0,1 г/м3 в нем содержится 5 103 л воды(5 тонн воды). Этого вполне достаточно для орошения рассматриваемого поля. (Тарасов Л.В.Физика в природе. М. Просвещение, 1988.).
То, что туманы и росы - суще¬ственный источник влаги, необхо¬димой растениям, хорошо извест¬но крестьянам. Разумеется, они не производили расчетов, просто они знали это из собственного опыта.
   В известном смысле возникнове¬ние тумана есть явление выпаде¬ния росы. Существенно, однако, что выпадение росы происходит в данном случае не на поверхности земли или воды, не на поверхно¬стях листьев или травинок, а в объеме воздуха.
При каких условиях возникает туман? Таких условий два. Во-первых, необходимо, чтобы в воздухе содержалось достаточно большое число так называемых ядер кон¬денсации - центров, на которых происходит конденсация пара. На¬ряду с отдельными молекулами воздуха или пара, а также со случайно образующимися скоплениями молекул, роль ядер конденса¬ции играют ионы, капельки воды, пылинки, частички сажи и вообще всевозможные мелкие загрязне¬ния,  которые по тем или иным причинам могут появиться в воз¬духе. В городском воздухе, вследствие его относительно сильной загрязненности, плотность ядер конденсации в 10... 100 раз больше, чем в воздухе сельских, морских, горных районов. Именно поэтому городские туманы отличаются, как правило, более высокой плотностью и устойчивостью.
Во-вторых, для возникновения тумана необходим не просто на¬сыщенный, а пересыщенный пар; его плотность должна быть в несколько раз больше плотности насыщенного пара.
Итак, различные виды туманов можно разделить на две группы — туманы охлаждения и туманы ис¬парения.
Некоторые   подробности   физики возникновения тумана. Отметим, что физический механизм образо¬вания тумана описан выше лишь в самых общих чертах. В действи-тельности  он  значительно  сложнее. Необходимое для образования тумана пересыщение пара зависит от плотности и характера ядер конденсации, а также от темпера¬туры. Разделение туманов на ту¬маны испарения и охлаждения достаточно условно; обычно про-цесс образования тумана вклю¬чает как охлаждение воздуха, так и испарение в него дополнитель¬ного количества пара.
Взять хотя бы обсуждавшийся ранее утренний туман над мелко¬водной бухтой. Мы отнесли его к туманам испарения — с поверхности теплой воды испаряется в остывший воздух дополнительная масса паров. Однако нельзя забывать, что, прежде чем остыть, прилегающий к воде слой воздуха был теплым и поэтому был обогащен влагой. Так что туман начал образовываться уже во время остывания воздуха, а на этой стадии туман следует рассматривать как туман охлаждения.
Достаточно сложен сам про¬цесс формирования тумана, иначе говоря, процесс возникновения и роста водяных капель, взаимодействия их друг с другом. Любопытно, что в процессе формирования тумана относительная влажность воздуха понижается. Это связано с несколькими причинами: неко¬торым уменьшением абсолютной влажности за счет частичной конденсации пара, повышением плот¬ности насыщенного пара над выпуклой поверхностью (над поверх¬ностью капли), повышением плотности насыщенного пара в резуль¬тате увеличения температуры вследствие выделения теплоты па¬рообразования при конденсации пара. Поэтому процесс формирования тумана, начавшись, развивается затем отнюдь не лавинообразно, а наоборот, довольно быстро прекращается. Недаром, как мы уже отмечали, в водяные капли тумана конденсируется не более 1%  массы паров.
Процесс возникновения и фор¬мирования тумана весьма чувствителен к степени пересыщения пара и к плотности ядер конден¬сации. Обе величины могут ме¬няться как во времени, так и от одной точки пространства к другой; это приводит к соответствую¬щим изменениям во времени и пространстве плотности тумана. В результате туман клубится, вол¬нуется, ползет. Туман и цвет. Цвет тумана опре¬деляется световыми волнами, ко¬торые, рассеиваясь на капельках воды, попадают в глаз наблюда¬теля. Капельки диаметром много больше микрометра практически одинаково рассеивают свет во всем интервале длин волн, воспри¬нимаемых глазом. Этим объяс¬няется молочно-белый и белесо¬ватый цвет плотных туманов. Мелкие же капельки, диаметр ко¬торых меньше 1 мкм, рассеивают преимущественно более короткие световые волны, поэтому  не слишком плотные туманы, а тем более туманная дымка окрашены в синеватые и голубоватые тона.
 Как уже отмечалось, городские туманы нередко имеют желтоватые оттенки, выглядят серыми, грязными. Это объясняется сильной загрязненностью воздуха многих больших городов, присутствием в нем пыли и частичек сажи. Надо иметь в виду также, что хи-мические соединения, отравляющие воздух городов, растворяясь в каплях тумана, могут окрашивать их в различные цветовые тона, в том числе желтоватые.
©- Чупин Валериан Дмитриевич -2015 г.