Роджер Ристо (Институт материаловедения Университета штата Коннектикут, Сторрс, США)
Ледяные узоры
Иногда холодным утром замечаешь, что окна домов и машин покрыты морозным узором в форме листьев, папоротника и ветвей. Как это происходит?
Боб Кларк (Нью-Майнас, Канада)
Разукрашенные морозом окна спален по утрам — это уже дело прошлого благодаря центральному отоплению и изоляционным свойствам окон с двойным остеклением. Но если у вас до сих пор окна с одинарным остеклением, тогда, проснувшись зимним утром, вместо улицы вы увидите папоротникообразные узоры на стекле. В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед. Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется затравочный кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры. Если взглянуть на этот кристалл с очень близкого расстояния, можно заметить множество химических связей, отходящих от точек его поверхности. Молекулы водяного пара цепляются за эти химические связи, и кристаллы быстро растут. Структура замысловатых разветвлений зависит от температуры и влажности воздуха, а также от степени гладкости и чистоты стекла. Если воздух сухой, молекулы воды медленно конденсируются из воздуха, группируясь в устойчивые шестигранники. Шесть прямых относительно гладких граней этих кристаллов имеют очень мало свободных связей, так что молекулам воды почти не за что зацепиться. Узоры в виде перьев, как правило, формируются на чистых оконных стеклах, когда воздух насыщен молекулами воды. В этих условиях большое количество молекул водяного пара бомбардируют затравочный кристалл и устойчивые шестигранники не успевают сформироваться. Молекулы цепляются за свободные связи, торчащие из выпуклостей кристалла, вследствие чего эти выпуклости увеличиваются в размерах еще быстрее и в итоге вырастают в большие ответвления, а выпуклости на ответвлениях, в свою очередь, превращаются в кружевные листья.
Автор-составитель
Непогода
Можно ли путем наземных наблюдений вычислить, сколько воды содержится в том или ином облаке? Если это возможно, как это можно сделать? Имеют ли значение размер и цвет облака? Если нет, как определить содержание воды в облаке более научными методами?
Я хочу произвести впечатление на друзей. Джеймс Даун (Хемел-Хемпстид, Великобритания)
Как объясняется ниже, существует метод приблизительных расчетов, благодаря которому вы произведете впечатление на друзей. А чтобы получить точный ответ, вам понадобятся система доплеровской радиолокации и крупный правительственный грант. Автор-составитель В облаке содержится столько же воды, сколько в окружающем его чистом воздухе. Однако если в прозрачном воздухе содержатся водяные пары, то, конденсируясь, они образуют облако. Различия между состояниями определяет, скорее, разность температур, а не количество воды. Цвет облака не имеет большого значения. В верхней части облака вода находится в форме кристаллов льда. Нижняя часть облака состоит из смеси льда и воды. Цвет облака зависит главным образом от этой смеси льда и воды и размера водяных капель, в меньшей степени — от общего содержания воды. Содержание воды в облаке можно определить по количеству дождя, выпадающего из облака. Если бы вся атмосфера была насыщена водой, вода лилась бы непрерывным потоком, что составило бы 35 мм осадков. На самом деле из самых тяжелых облаков выпадает около 20 мм осадков. Во время ливня может выпасть более 50 мм осадков, но для этого потребуется дополнительная влага из окружающей атмосферы. Соответственно, ливни — локализованные явления. Количество выпавшей воды при самом сильном ливне можно вычислить по следующей формуле: количество осадков в миллиметрах равно коэффициенту 6,5, умноженному на корень квадратный из значения времени в минутах, в течение которого шел дождь. При более типичном ливне выпадает слой воды в несколько миллиметров с интенсивностью приблизительно 0,1 мм/мин. Обычно 1 мм осадков соответствует 1000 м3 воды, имеющей вес 1000 т в объеме облака 1 км3, хотя самые тяжелые облака могут содержать в 20 раз больше воды. Также можно определить содержание воды в облаке по его объему. Частичка облака, насыщенного водой, составляет 0,0001 % его объема. Площадь поперечного сечения облака можно измерить по его тени. Маленькое облако размером 500×500×100 м имеет объем 25 млн м3, из которых примерно 25 м3 составляет вода весом 25 т. Даже если вы не можете вычислить точное количество воды в облаке, эти цифры должны произвести впечатление на ваших друзей.
Альберт Зиджлстра (физический факультет Института науки и техники при Манчестерском университете, Великобритания)
К сожалению, просто взглянув на облако, нельзя установить точное содержание в нем воды. Цвет облака зависит исключительно от положения наблюдателя по отношению к нему и от его физической структуры. Кажущийся размер облака зависит от того, на какой высоте оно находится, а с одной точки наблюдения это, как правило, трудно определить. Но синоптикам, чтобы дать точный прогноз погоды, необходимо знать содержание воды в облаке. К счастью, в Великобритании есть очень современные информационные системы, например в Центральной лаборатории научного совета Чилболтонской обсерватории. Это учреждение использует доплеровский радиолокатор. Очень важно настроить луч радиолокатора на правильно выбранную частоту. Если луч будет слишком активно взаимодействовать с водой в облаке, так что вода будет отражать либо смягчать его сигнал, то радиолокатор, соответственно, будет получать неполную информацию о структуре облака. Если же взаимодействие с водой будет слишком слабое, тогда и вовсе не будет поступать никакой информации. Чилболтонская установка может анализировать и извлекать самые разные данные. Ее максимальный радиус действия — 160 км. С ее помощью получают сведения о концентрации капель, их размере и интенсивности выпадения, а также о том, что представляют собой эти капли — воду или лед. Используя эту установку, ваш корреспондент мог бы относительно точно вычислить содержание воды в облаке и, на основе данных о структуре облака определить, когда пойдет дождь. В последние годы этот метод широко применяется на Уимблдонских теннисных турнирах, где матчи часто прерываются из-за дождей. Такие радиолокаторы позволяют получить подробные сведения о состоянии атмосферы: помогают отслеживать ураганы, составлять ежедневные прогнозы погоды и предсказывать зоны турбулентности на авиатрассах.
Дейв Ричардс (Кембридж, Великобритания)
Ливень или морось
Отчего дождь бывает разный? Порой он льет «прутьями» — удлиненными каплями, падающими с огромной скоростью и высоко отскакивающими от земли. А иногда это просто туманная изморось — мелкие брызги, роящиеся на ветру. Почему порой дождь льет с такой силой, что может причинить физическую боль, а иногда просто обволакивает влажной пеленой? При каких условиях образуются промежуточные разновидности дождя?
