Метеорологи подсчитали, что Солнце испаряет на Землю за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его температура сильно понижается, и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду – ее мельчайшие капельки образуют облака. Энергия Солнца, поднятая с водяным паром вверх неминуемо должна выделиться обратно, когда он превращается в облака. Эта энергия переходит в тепловую, нагревая воздух. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земли чудовищно огромное количество энергии – 2,2·10¹⁸ Дж. Столько энергии за то же время могли бы выработать сорок миллионов электростанций по миллиону киловатт каждая. Это та же энергия, которая переносит сотни миллиардов тонн воды во воздуху в облаках и орошает дождями всю поверхность Земли. Это та энергия, за счет которой дуют ветры, возникают бури, рождаются ураганы и штормы. А только один развившийся ураган выделяет энергию, эквивалентную энергии 30 тыс. атомных бомб.

Погода управляется, безусловно, физическими законами. Однако главная трудность проблемы управления погодой объясняется тем, что энергия движущихся воздушных масс, которые управляют погодой, как было отмечено выше, очень велика. Для того чтобы изменить направление движения воздушной массы, занимающей район диаметром 100 км, нужна энергия, вырабатываемая в течение часа 40 тыс. крупных электростанций. Таким образом, чтобы управлять погодой наперекор естественным атмосферным процессам, необходимы слишком большие затраты энергии, которыми человечество еще не располагает.

Однако уже теперь человек в состоянии активно воздействовать на погоду, но лишь на небольших территориях. Можно, затратив небольшую энергию, в момент неустойчивости метеорологического процесса так "подтолкнуть" его, чтобы он продолжал развиваться в нужном для нас направлении, например, чтобы вместо града выпал бы дождь или рассеялся туман в районе аэропорта. Но пока люди только в самом начале трудного пути управления погодой.

Будет ли завтра дождь – это интересует всех. Но какова причина выпадения атмосферных осадков? Как объяснить с точки зрения физики образование росы или инея?

Воздух, содержащий водяные пары, которые под действием солнечной энергии испаряются с поверхностей океанов, морей и других водоемов, называется влажным.

Давление воздуха, содержащего водяной пар, согласно закону Дальтона, складывается из давления сухого воздуха Р_СВ и давления паров воды Р_П, то есть атмосферное давление равно

(6.11)

О влажности воздуха можно судить или по величине давления, производимого паром, или по его плотности ρ_П. Количество водяных паров (в граммах), содержащихся в 1 м³ воздуха, называется абсолютной влажностью. Отношение плотности ρ_П водяного пара при данной температуре к плотности насыщенного пара ρ_НП при этой же температуре называется относительной влажностью. Относительная влажность воздуха обычно выражается в процентах:

(6.12)

Иначе, используя связь между плотностью и давлением в виде

(6.13)

выражение для относительной влажности можно представить формулой

(6.14)

Напомним, что насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. В этом состоянии плотность пара над жидкостью и давление, производимое паром на стенки сосуда (упругость пара), больше не меняются и имеют максимальное значение для данной жидкости при данной температуре.

Пар, давление и плотность которого меньше давления и плотности насыщенного пара при данной температуре, называется ненасыщенным.

Очевидно, что при изотермическом увеличении объема, занимаемого насыщенным паром, или при его изохорическом нагревании насыщенный пар переходит в ненасыщенный. Напротив, при изотермическом сжатии ненасыщенного пара или при его изохорическом охлаждении ненасыщенный пар становится насыщенным. Поэтому при понижении температуры воздуха и при постоянном содержании водяного пара относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар подходит к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то определенной температуре относительная влажность становится равной 100 % и дальнейшее понижение температуры приводит к конденсации водяного пара.

Температура, при которой пар становится насыщенным в результате изохорического охлаждения, называется точкой росы. При температуре ниже точки росы появляется туман, "запотевают окна", на траве оседают капельки росы.

Отметим, что для конденсации пара еще недостаточно, чтобы температура понизилась. Если в воздухе мало так называемых "центров конденсации", то водяной пар в воздухе остается, как говорят, в перенасыщенном состоянии. Центры конденсации – это мельчайшие пылинки различных веществ, вокруг которых образуется водяная пленка. Она быстро растет в перенасыщенном воздухе. Вот почему над городом часто бывают туманы: в городском воздухе много пыли. Туман образуется тогда, когда возникают подходящие условия по температуре и влажности.

Это интересно