📷 Сфоткал недавний сильный туман в городе. Похоже на кадр из Silent Hill ?
С физической точки зрения, туман — это аэрозоль, взвесь мельчайших капелек воды в приземном слое атмосферы. Туман образуется при конденсации водяного пара на частицах, присутствующих в воздухе (так называемые ядра конденсации — пыль, соль, продукты горения).
Для этого воздух должен достичь точки росы — температуры, при которой пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Туман по сути есть облако около поверхности Земли.
⚡ Продвинутая физика тумана: от микроскопических капель до крупномасштабных явлений
🔹 1. Нелинейная зависимость видимости от концентрации капель.
Видимость определяется не просто наличием капель, а их общей площадью поверхности. Объем воды в кубометре воздуха может быть постоянным, но если он распределен на большее количество мелких капель, видимость ухудшится катастрофически. Потому что при том же объеме общая площадь поверхности капель обратно пропорциональна их радиусу (площадь ~ N * r², а объем ~ N * r³, значит, площадь ~ 1/r). Чем мельче капли, тем больше их суммарная поверхность для рассеяния света.
🔹 2. Переохлаждение и ледяной туман.
Вода может оставаться в жидком состоянии при температурах ниже 0°C (иногда до -40°C!), если в воздухе нет подходящих ядер конденсации для образования льда (ледяных ядер). Такой туман состоит из переохлажденных капель. Ледяной туман (Ice Fog, Diamond Dust): Образуется при очень низких температурах (обычно ниже -30°C) сразу из пара в лед, минуя жидкую фазу (процесс десублимации). Он состоит из мельчайших кристалликов льда и часто создает красивые оптические явления, такие как гало и "алмазную пыль".
🔹 3. Радиационное охлаждение и инверсия температуры.
Ясной ночью земная поверхность интенсивно излучает тепло в космос. Приземный воздух охлаждается, и его температура становится ниже, чем у воздуха выше. Это явление называется температурной инверсией. Тяжелый холодный воздух не поднимается вверх, что и приводит к конденсации и накоплению тумана в этом приземном слое.
🔹 4. Роль ядер конденсации и уравнение Кёлера.
Туман не может образоваться в идеально чистом воздухе — необходимы ядра конденсации (аэрозольные частицы: соль, пыль, продукты горения). Физику роста капель на таких ядрах описывает уравнение Кёлера. Оно балансирует два эффекта: понижение давления пара над каплей из-за кривизны поверхности (эффект Кельвина), затрудняющее рост маленьких капель, и понижение давления пара из-за растворения в капле (закон Рауля), способствующее росту. Капля стабильно растет только после преодоления критического радиуса.
🔹 5. Адиабатическое охлаждение и туманы склонов.
Когда воздух поднимается по склону горы, он адиабатически расширяется (без обмена теплом с окружающей средой). Совершая работу по расширению, воздух охлаждается. Температура падает примерно на 1°C на каждые 100 метров подъема. При достижении точки росы водяной пар конденсируется, образуя характерный туман или облака на наветренной стороне склона.
🔹 6. Туман как коллоидная система и коалесценция.
Туман — это классический пример аэрозоля, коллоидной системы, где дисперсная фаза (капли жидкости) распределена в дисперсионной среде (воздухе). Его "время жизни" определяется динамикой капель: они сталкиваются и сливаются (процесс коалесценции) под действием броуновского движения, турбулентности и дифференциальной скорости седиментации (оседания). Более крупные капли падают быстрее, "собирая" на своем пути более мелкие.
🔹 7. Оптические явления: рассеяние Ми и глубина проникновения.
Рассеяние света на каплях тумана, размер которых сравним с длиной волны света (1-10 мкм), описывается не упрощенной теорией Рэлея, а полной теорией Ми. Она объясняет, почему туман часто кажется белым: капли достаточно велики, чтобы рассеивать все длины волн видимого спектра практически одинаково. Это интенсивное рассеяние резко ограничивает глубину проникновения света, создавая ощущение непрозрачности и "молочности" среды.
🔹 8. Фотопофорез: как свет "отталкивает" туман.
Мощный луч света (например, лазера или прожектора) может создавать видимый канал внутри тумана. Это происходит из-за явления фотопофореза — движения аэрозольных частиц в среде с неоднородным температурным полем. Сторона капли, обращенная к источнику света, интенсивно поглощает и рассеивает излучение, сильнее нагреваясь. Молекулы воздуха, сталкивающиеся с этой более горячей стороной капли, получают большую среднюю скорость, чем молекулы, сталкивающиеся с холодной стороной. Возникает результирующая сила, направленная от источника света (от горячей стороны к холодной). Эта сила заставляет капли "отплывать" из области луча. В результате вдоль трассы луча формируется область с пониженной концентрацией капель — своеобразный "туннель" с лучшей видимостью, который и делает луч видимым извне. Этот эффект наиболее заметен при использовании интенсивных когерентных источников (лазеров) и в достаточно плотном тумане, где концентрация капель велика.
🔹 9. Принцип работы противотуманных фар.
Почему их ставят низко? Мы помним из факта №3, что туман часто "ложится" на землю, и его верхняя граница может быть не очень высокой. Если направить свет из-под этой границы, луч будет проходить под основным слоем тумана, освещая дорожное полотно.
Противотуманные фары создают не симметричный пучок света (как ближний свет), а очень широкий, горизонтальный и резко обрезанный сверху луч.
- Широкий: Чтобы освещать обочины, так как в тумане важно ориентироваться по краям дороги.
- Плоский и обрезанный: Чтобы минимизировать подсветку тумана прямо перед капотом, которая создает плотную световую "стену" (блики) и ослепляет водителя. Луч "раскладывается" по дороге, а не уходит вверх.
Миф о "жёлтом свете": Распространено мнение, что жёлтый свет лучше проникает в туман. С строго физической точки зрения (рассеяние Ми) для капель размером 1-10 мкм разница в рассеянии между белым и жёлтым светом незначительна. Ключевую роль играет не цвет, а интенсивность и направление луча. Жёлтый свет вызывает меньше хроматической аберрации в хрусталике глаза, что обеспечивает чуть более чёткое изображение и меньшее напряжение для водителя.
Для встречных водителей жёлтый свет в условиях плохой видимости воспринимается как менее ослепляющий.
Раньше единственным способом получить "тёплый" свет было использование ламп накаливания или галогенных ламп с жёлтым фильтром, который отсекал синюю часть спектра (наиболее подверженную рэлеевскому рассеянию, которое в тумане не главное, но всё же вносит вклад).
Задние противотуманные фонари — они должны быть максимально заметными. Поэтому они очень яркие (часто ярче стоп-сигналов) и обычно красного цвета. Их задача — быть "предупредительным маяком" для водителя сзади, чтобы ваш автомобиль не стал внезапным препятствием в молоке тумана.
🔹 10. А ещё с туманом связан алгоритмический трюк из GameDev.
Красивый пример, когда реальная жизнь совмещается с физикой и разработкой игр, а инженерное мышление помогает сделать из этого фичу: Гениальный трюк в игровой индустрии. Знаменитый туман в Silent Hill — это не просто атмосферная деталь. Это гениальное превращение технического ограничения PS1 (слабый процессор не мог отрисовывать далёкие объекты) в главную фишку хоррора. Туман создал атмосферу страха перед неизвестностью и стал визитной карточкой всей серии. Дело в том, что PlayStation 1 банально не тянула отрисовку больших дистанций. Без тумана здания и монстры появлялись бы прямо перед носом, убивая и без того скромный FPS.
💧 Задачи по физике, связанные с учётом относительной влажности
Понравилась статья? Дайте обратную связь в комментариях. Напишите ваше мнение, идеи, мысли 😉
Если Вам нужен репетитор по физике, математике или информатике/программированию, Вы можете написать мне или в мою группу Репетитор IT mentor в VK
Библиотека с книгами для физиков, математиков и программистов
Репетитор IT mentor в VK
Репетитор IT mentor в telegram