Более точное и полное объяснение этого явления дает так называемая теория Шмауса. Согласно этой теории состояние взвешенных в воздухе частичек аналогично состоянию вещества, находящегося в коллоидальном растворе.
В таких растворах растворяемое вещество не расщепляется на молекулы, как в обычных, а остается взвешенным в растворителе в виде мельчайших частичек, представляющих собой скопление молекул.
Плотность растворенного вещества может оказаться больше плотности растворителя, но его частички совершенно равномерно распределяются во всем объеме растворителя и не осаждаются на дно, как это было бы в обычном растворе. Сила, поддерживающая эти частички, создается в результате беспорядочных ударов молекул растворителя, находящихся в так называемом молекулярном движении. Под действием этих ударов частички приходят в своеобразное зигзагообразное движение, известное под именем броуновского движения. Таким образом, источником силы, поддерживающей частички коллоидальных растворов, служит энергия молекулярного движения растворителя.
Источником силы, поддерживающей в атмосферном воздухе водяные капли, частички твердых тел и пр., служит существующее в нем так называемое конвективное или турбулентное движение. Это — беспорядочное движение отдельных частичек воздуха, вернее небольших его масс, в различных направлениях, независимое от общего потока воздуха.
Возникновение конвективного или турбулентного движения связано с механическим воздействием земной поверхности на движущиеся около нее воздушные массы.
Солнечные лучи неравномерно нагревают отдельные массы воздуха, выводят их из равновесия и заставляют подниматься вверх. Это, в свою очередь, вызывает горизонтальное движение воздуха и создает беспорядочное движение его отдельных частичек, перемешивая воздушные слои. Действие ударов отдельных частичек воздуха на пылинки поддерживает их в воздухе и каждая частичка адсорбирует к себе некоторое количество воздуха.
Получая от пылинки, при действии на нее солнечных лучей, значительное повышение температуры, адсорбированный в ней воздух расширяется и может создать небольшую подъемную силу, заставляющую пылинки медленно подниматься вверх или удерживаться на одном уровне.
Шмаус напоминает, что при растворении вещества в коллоидальном растворе частички его получают некоторый электрический заряд. Этот заряд зависит от природы растворителя и растворенного вещества. Поэтому, — рассуждает он, — несмотря на непрерывное беспорядочное движение частичек растворенного вещества, сцепления между ними не происходит, так как действует сила отталкивания одноименных зарядов.
Аналогично этому и воздушный слой, облекающий пылинку, противодействует ее столкновению с соседними частичками. Если каким-либо образом заряды частичек нейтрализуются, то частички начинают немедленно сцепляться. Происходит образование крупных скоплений растворенного вещества и выпадение его из раствора. Нейтрализация зарядов может производиться введением вещества, принимающего в растворителе заряд, обратный заряду растворенного вещества.
Взвешенные в воздухе частички, так же как частички коллоидальных растворов, по теории Шмауса, имеют некоторый заряд, мешающий им соединяться в крупные капли. Таким образом, облако может долгое время плавать в атмосфере, не выделяя ни капли дождя.
Но вот произошла нейтрализация зарядов капель по причине грозовых разрядов или под влиянием внедрения в-слой облака воздушной массы с частичками противоположных зарядов. Немедленно в таком случае из облака начинают выделяться осадки в твердом или жидком виде. Идет дождь или град.
Теория Шмауса дает чрезвычайно простое и исчерпывающее объяснение таких важных явлений атмосферы, как образование осадков и присутствие в воздухе облачных масс.
В атмосферном воздухе вода находится во всех ее состояниях, и, следовательно, здесь происходят процессы перехода воды из одного состояния в другое. Эти переходы сопровождаются выделением больших количеств тепла, идущего на развитие атмосферных процессов.
Для характеристики условий конденсации и испарения влаги в атмосфере важно отметить то, что водяной пар здесь находится по над гладкой водной поверхностью, а над поверхностью бесчисленных мельчайших капелек воды, взвешенных в воздухе (если конденсационные процессы уже имели место). Вследствие этого, максимальная упругость содержания в воздухе водяных паров несколько возрастает.
Оказывается, что уже при размерах капелек около 1.6х10~7см конденсация водяных паров будет происходить только при 400%-ной относительной влажности, т. е. в том случае, когда упругость водяных паров будет в 4 раза больше нормальной для данной температуры. Ясно, что при отсутствии капель конденсация паров вообще не может происходить.
Действительно, как показали опыты, в совершенно чистом, свободном от каких бы то ни было примесей воздухе содержание водяных паров может быть доведено до значений, во много раз больше предельных. В действительных условиях атмосферного воздуха это явление может произойти только в исключительных случаях.
Дело в том, что образование капель, как показали тщательные исследования Вильсона и Томсона, значительно облегчается, если в воздухе имеются так называемые ядра конденсации. Последними могут служить, прежде всего, ионы — твердые частички, имеющие тот или иной электрический заряд. Кроме того, осаждение влаги происходит на различного рода пылинках, взвешенных в воздухе. Эти пылинки играют также весьма большую роль в атмосферных процессах.
Особенно интенсивно происходит конденсация влаги на частичках веществ с гигроскопическими свойствами, т. е. способных осаждать на себе влагу даже до того, как пары достигнут предельной упругости. К таким веществам, встречающим я в атмосфера в распыленном состоянии, относятся аммиак, соляная кислота, хлористый магний и пр.
Конденсированная в капельки влага остается взвешенной в воздухе при его достаточном насыщении. Она поддерживается ударами частичек воздуха, находящегося в турбулентном состоянии.
На каплях создается электрический заряд, но соединение их в крупные и выпадение капель в виде дождя происходит только после того, как заряд нейтрализован под действием того или другого фактора.
Капельное состояние влаги в атмосфере может удерживаться не только при положительных температурах. Оказывается, что и при температурах около — 10°, даже — 20° капли остаются иногда в жидком виде, но, конечно, в сильно переохлажденном состоянии. Если поток воздуха с переохлажденными частичками встретит какой-либо твердый предмет, почти все эти частички немедленно осядут на поверхности его. Замерзнув, эти частички образуют ледяную корку большей или меньшей толщины.
Затвердевание переохлажденных капель может происходить также и в том случае, если в их среду ввести достаточное количество кристаллов льда. Максимальная упругость паров над ледяной поверхностью меньше упругости над водной; поэтому немедленно после образования первых ледяных кристалликов начинает выделяться вода из капель и отчасти из газа в виде кристаллических частичек. При медленном ходе этого процесса (если пересыщение водяными парами незначительно) кристаллы льда получают нормальную гексагональную форму. Будучи взвешены в воздухе, при достаточном их количестве эти кристаллы дают различные световые круги вокруг Солнца и Луны, известные под общим именем гало.
Пересыщение воздуха влагой изменяет процессы кристаллизации. Прекрасной иллюстрацией этого служит следующий опыт Ледоана. Дан вид пересыщенного раствора йодоформа. В нем находятся кристаллики того же вещества. Вокруг кристаллика образуется пространство, где концентрация йодоформа неодинакова.
У самой поверхности мы будем иметь только насыщение (так как предполагается, что избыток йодоформа отложился на поверхности кристалла). По мере удаления от этой поверхности содержание йодоформа постепенно возрастает, все более и более превосходя предельное его содержание.
Линии равных концентраций вблизи поверхности кристалла будут идти параллельно его плоскостям. Удаляясь от него, линии разных концентраций превращаются в окружности, огибающие кристалл. На некотором расстоянии концентрация достигает максимум и далее остается постоянной.
Возможно, будет интересно, как атмосферные явления влияют на погоду в доме и финансовый достаток. Государство предусмотрело налоговый вычет на обучение. Теперь, если Вы получаете высшее образование, то сможете расчитывать на возврат средств.