Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхностей водоемов и почвы и вследствие транспирации растений. Испарение, в отличие от транспирации, называют еще физическим испарением, а испарение и транспирацию вместе — суммарным испарением.
Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы воды отрываются от водной поверхности или от влажной почвы и переходят в воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Это происходит отчасти вследствие собственного движения молекул; в этом случае процесс распространения молекул газа на возможно большее пространство называется молекулярной диффузией. К молекулярной диффузии в атмосфере присоединяется еще и распространение водяного пара вместе с воздухом: в горизонтальном направлении с ветром, т. е. с общим переносом воздуха, а в вертикальном направлении путем турбулентной диффузии, т. е. вместе с турбулентными вихрями, всегда возникающими в движущемся воздухе.
Но одновременно с отрывом молекул от поверхности воды или почвы происходит и обратный процесс их перехода из воздуха в воду или в почву. Если достигается состояние подвижного равновесия, когда возвращение молекул становится равным их отдаче с поверхности, то испарение прекращается: отрыв молекул с поверхности продолжается, но он покрывается возвращением молекул. Такое состояние называют насыщением, водяной пар в этом состоянии — насыщающим, а воздух, содержащий насыщающий водяной пар, — насыщенным. Упругость водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения.
Упругость насыщения растет с температурой. Это значит, что при более высокой температуре воздух способен содержать больше водяного пара, чем при более низкой температуре. Зависимость упругости насыщения от температуры представлена на рис. 39. Например, при температуре 0° упругость насыщения равна 6,1 мб, при +10°— 12,3 мб, при +20° — 23,4 мб, при + 30° — 42,4 мб. Таким образом, на каждые 10° температуры упругость насыщения и пропорциональное ей содержание насыщающего водяного пара в воздухе возрастают почти вдвое. При температуре +30° воздух может содержать водяного пара в состоянии насыщения в 7 раз больше, чем при температуре 0°.
Капельки жидкой воды (облаков и туманов) часто находятся в атмосфере в переохлажденном состоянии. При температурах до -10° состояние переохлаждения в атмосфере обычно, и лишь при более низких температурах часть капелек замерзает. Поэтому в атмосфере жидкая вода и лед часто находятся в непосредственной близости; многие облака состоят из тех и других элементов одновременно, являются смешанными.
Рис. 6.1. Упругость насыщения в зависимости от температуры.
При отрицательных температурах упругость насыщения по отношению к ледяным кристаллам меньше, чем по отношению к переохлажденным капелькам. Например, при температуре -10° над переохлажденной водой, упругость насыщения 2,85 мб, а надо льдом 2,60 мб. При температуре -20° — соответственно 1,27 и 1,03 мб. Если, например, при температуре -10° фактическая упругость водяного пара 2,7 мб, то для переохлажденных капелек такой воздух будет ненасыщенным, и капельки в нем должны испаряться; но для кристалликов он будет уже перенасыщенным, и кристаллики должны расти. Такие условия действительно создаются в облаках и очень важны для выпадения осадков, к чему мы еще вернемся.
Различие в упругости насыщения над водой и льдом объясняется тем, что силы сцепления между молекулами льда больше, чем между молекулами воды. Поэтому состояние насыщения, и льдом и относительная влажность при насыщении надо льдом в зависимости от температуры, т. е. состояние подвижного равновесия между потерей и приходом молекул, наступает для льда при меньшем содержании водяного пара в окружающем воздухе, чем для жидкой воды.
Рис.6.2. Разность упругости насыщения над водой
Для выпуклых поверхностей, какими являются поверхности капелек, упругость насыщения больше, чем для плоской поверхности воды. Это объясняется тем, что на выпуклой поверхности силы сцепления между молекулами меньше, чем на плоской поверхности. Для крупных капелек это превышение незначительно. Но, например, для капелек радиусом 10-7 см для насыщения нужна втрое большая упругость водяного пара в воздухе, чем для плоской водной поверхности. Это значит, что в воздухе, который насыщен по отношению к плоской водной поверхности, такие мелкие капельки существовать не могут: для них воздух насыщенным не будет, и они быстро испарятся.
Если в воде растворены соли, то упругость насыщения для такого раствора меньше, чем для пресной воды, и тем меньше, чем больше концентрация солей. Поэтому над морской водой насыщение устанавливается при упругости пара меньшей, чем над пресной водой, примерно на 2%. Упругость насыщения понижается, следовательно, и для капелек, содержащих растворенный хлористый натрий и другие соли морской воды. А капли облаков действительно эти соли содержат, поскольку образуются на солевых ядрах конденсации, о которых будет сказано ниже.
