В предыдущей статье я описал своё видение модели строения твёрдого атома и процесса испарения твёрдых молекул воды из жидкой фазы в газообразную форму водяного пара. Теперь необходимо описать и обратный процесс, то есть конденсацию пара в жидкую воду, который не менее сложен и интересен чем процесс испарения из массива жидкой воды.
Все мы знакомы с процессом конденсации воды в виде тумана в крупных масштабах на примере слоёв тумана над водой по вечерам и облаков тумана высоко в небе. Также мы знакомы с процессом испарения и конденсации в малых масштабах, когда наблюдаем испарение и появления туманных облачков над чашкой горячего чая.
Теория газов нам сообщает, что двухатомные газы (кислород О2, азот N2), из которых на 99% состоит атмосфера Земли, не излучают до температуры в 3000К и не поглащают излучение, то есть являются абсолютно прозрачной средой для солнечного света и теплового излучения земли.
А вот трёхатомные газы (углекислый газ СО2, водяной пар Н2О) очень даже хорошо способны поглощать излучение при вполне земных нормальных температурах (см рис.1.)
Рис.1. Поглощение солнечного света в толще атмосферы Земли трёхатомными газами паров воды (Н2О) и углекислого газа (СО2).На правом графике: 1-Излучение солнца по длинам волн за пределами атмосферы Земли, 2- излучение Солнца по длинам волн после прохождения атмосферы до уровня моря, 3-Теоретический график излучение абсолютно чёрного тела с температурой 5800К. Около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны к = 170 ... 4000 нм, в том числе 48% приходится на видимую часть спектра (к = 390 ... 760 нм), 45% — на близкую инфракрасную (к = 760 ... 4000 нм) и около 7% — на ультрафиолетовую (к < 400 нм).
Именно этой способности к лёгкому излучению и поглощению излучения мы обязаны огромному влиянию паров воды и самой жидкой воды на климат земли. Кстати, этот же рисунок показывает, что основное влияние на тепловые процессы в атмосфере оказывает водяной пар, а не углекислый газ. Ведь только жидкая капельная вода и водяной пар при взаимном фазовом переходе способны выделять и поглощать огромные количества энергии, тогда как углекислый газ не совершает энергоёмких фазовых переходов в существующих атмосферных условиях и способен лишь к небольшому нагреву, немедленно переизлучая лишнее тепло во все стороны вокруг себя.
Приведём несколько цифр для понимания масштаба тепловых эффектов фазовых превращений воды в воздухе. Также нужно привести примеры скоротечности данных процессов в весьма наглядных картинках.
Так после жаркого солнечного дня вечером над тёплой водой возникает хорошо заметный слой тумана, а на траве к утру мы видим большое количество мелких капель воды. Это всё следствие ночной конденсации паров воды, испарившихся за день с поверхности земли и водной глади водоёмов.
Так как сухой воздух сам по себе быстро остыть не может из-за крайне малой теплопроводности и неспособности к самостоятельному излучению при существующих атмосферных температурах, то функции охлаждения и нагрева воздушных масс передаются парам воды. Если происходит выпадении в туман всего одного грамма паров воды, то воздух в объёме одного кубометра мог бы нагреется на 2 градуса Цельсия, но этого не происходит. При вечернем охлаждении воздуха под ясным летним небом воздух не нагревается, а тепло конденсации тумана излучается непосредственно в космос сквозь чистый и прозрачный безоблачный слой атмосферного воздуха. Кстати , радиационная температура чёрного безоблачного неба летней ночью, замеренная оптическим фотометром, может достигать глубоких отрицательных значений до минус -120С. Именно эта глубокая отрицательность температур космического пространства, куда безвозвратно проваливается любое излучение, и определяет столь быструю способность к охлаждению за счёт излучения при энергоёмком процессе конденсации воды. Именно по этой причине роса выпадает интенсивно на открытых пространствах под чистым небом, но уже не выпадает под навесами или под сенью деревьев. Даже небольшое прикрытие угла обзора холодного неба с боков высокими домами резко снижает интенсивность выпадения росы и инея внутри городских дворов. Так прослеживается явно более сильное вымораживание с интенсивным инеем в центре двора среди высоких многоэтажек, а вблизи домов в этом же дворе инея почти нет.
Вызывает интерес вопрос: Как отдельные молекулы газа водяного пара так резко переходят в жидкий мелкодисперсный капельный вид тумана при столь незначительных перепадах температуры, свойственным воздуху атмосферы Земли?
При температуре +20С максимальное содержание воды при 100% относительной влажности составит около 18г/м.куб. (см.граф.1.)
Граф.1. I-D диаграмма влажного воздуха.
А при температуре +15С максимальное содержание воды при 100% относительной влажности составит около 13г/м.куб.
Имеено эта разница в 5г/м.куб выпадает в виде тумана а за тем и росы при вечернем охлаждении летнего воздуха от +20С днём до +15С ночью.
Теперь представим себе на сколько должны сблизится молекулы пара для образования капель если 18г воды – это ровно 1 моль воды или 22,4л пара.
То есть водяной пар составляет 22,4/1000=0,0224 объёма или 2,24%.
То есть 2,2 молеукулы воды на 100 молекул воздуха или 1 молекула на 44 молекул воздуха.
Кубический корень из 44 равен 3,54, то есть две молекулы водяного пара разделяет более 3,54 диаметра молекул воздуха в среднем.
Для температуры +15 С и максимальном влагосодержании 13г/м.куб критическим расстоянием становится уже 22,4*13/(18*1000)=0,0162 или 1,62% объёма,
То есть 1,62 молеукулы воды на 100 молекул воздуха или 1 молекула на 62 молекулы воздуха.
Кубический корень из 62 равен 3,95, то есть две молеклы водяного пара разделяет более 3,95 диаметра молекул воздуха в среднем.
Каким- то образом, молекулы водяного пара при более близком соседстве, чем 3,95 или 3, 54 диаметра при температурах +15С и +20С соответственно, начинают уже слипаться в капли воды, оставляя расстояние между другими оставшимися молекулами пара на этом докритическом уровне.
Это расстояние крайне важно, так как при испарении воды минимальный отрыв отдельной молекулы от слоя был намного меньше по моей ранее описанной модели. То есть в предыдущую модель «Испарения воды» надо внести корректировку, а именно: Вылетевшая слоя воды при испарении молекула воды отрывается от поверхности ещё в очень «холодном» состоянии, и уже на некотором отдалении от слоя воды она разогревается за счёт поглощения излучения от всего массива воды под собой.
Теперь оценим, с какой скоростью реагируют молекулы водяного пара на нарушение этих минимальных расстояний.
Это можно проследить в быстротекущих динамических процессах с резким кратковременным адиабатическим расширением воздуха при прохождении волн плотности (ударные волны при взрыве, локальные разряжения над крылом скоростного самолёта).
Рис.2. Небольшой шлейф тумана в зоне разряжения над крылом самолёта в относительно сухом воздухе на низкой скорости полёта.
Рис.3. Интенсивное туманообразование в зонах разряжения позади самолёта при скоростном пролёте во влажном воздухе над морской поверхностью.
Рис.4. Интенсивное туманообразование в зонах разряжения позади самолёта при скоростном пролёте во влажном воздухе на высоте вблизи слоя облачности.
Глядя на картинки с самолётами, можно легко посчитать скорость протекания и длительность процессов конденсации и последующего испарения. Скорость полёта боевых самолётов на фото лежит в диапазоне 500-1500км/ч (140-500м/с). Таким образом, весь процесс образования тумана и последующего испарения протекает за время пролёта самолётом длины туманного шлейфа, что при длине шлейфа 3м и скорости 150м/с составляет около 3/150=0,02с., или при длине шлейфа 10м и скорости 500м/с составляет те же 10/500=0,02с.
Для ударной волны атомного взрыва трудно определить глубину слоя тумана на фото (см.рис.5), а потому не можем посчитать длительность процесса, даже зная скорость ударной волны в воздухе. Хотя для некоторых фото обычных взрывов (см.рис.6) можно достаточно точно измерить толщину туманного слоя позади ударной волны, и там цифры будут близкие с самолётными.
Рис.5. Туманное облако в зоне разряжения позади ударного фронта взрывной волны атомного надводного взрыва. Чётко видно границу прохождения прозрачной ударной волны высокого давления по белому кругу на поверхности воды, а уже за ним возникает туманное облако в зоне мгновенного охлаждения при адиабатном расширении воздуха позади фронта ударной волны. Такой же эффект происходит и при мощных взрывах обычных бомб, но из-за меньшего масштаба взрывов обычных бомб хуже просматриваются детали на фото, снятого с безопасных расстояний.
Рис.6. Туманное облако в зоне разряжения позади ударного фронта взрывной волны обычного наземного взрыва.
Было бы интересно измерить процент выхода воды в состояние тумана над крылом самолёта.
Возможно, что при некоторой скорости нарастания разряжения все молекулы пара считают необходимым выпасть в жидкую фазу, даже не успевая слипнутся с ближайшими соседками для образования капель, так как трудно себе представить механизм их активного сближения сквозь 3-4 ряда молекул воздуха , тем более на фазе расширения всего объёма газа.
Экспериментально это можно проверить по интенсивности излучения на спектральных частотах воды от объёма тумана вокруг самолёта, так как мы знаем, что вся энергия конденсации должна быть выброшена излучением наружу из туманного облака.
Зная, что энергия конденсации составляет 2,4кДж/г, то при длительности скоротечного процесса всего в 0,02с, мы можем получить мощность излучения 2,4/0,02=120кВт на каждый грамм сконденсировавшейся в туман воды. Такую локализованную мощность излучающего объекта достаточно легко замерить даже с достаточно большого расстоянии, не говоря уже об установленных на борту самолёта датчиков.
Получение этих цифр при устойчивом туманообразовании над крылом самолёта позволит лучше понять механизмы процессов испарения и конденсации, а также глубже понять атомную структуру молекул воды в жидком и газообразном состоянии.
