ФизМат БАНК - Почему бывает иней?

ФизМат БАНК / Статьи по физике / Почему бывает иней?

Когда появляется иней?
Покрытые инеем крыши и стекла машин, оставленных ночью на открытых стоянках, словно посыпанный мукой заиндевевший гравий на обочинах дорог, белые клубы воздуха, выдыхаемого спешащими на работу или в школу людьми, — так начинается в Японии холодное зимнее утро.
В какой же день бывает иней? Внимательный наблюдатель ответит, что иней появляется в ясный, безоблачный день, даже тогда, когда вода в лужах не замерзает. Кроме того, известно, что асфальт под машинами и земля, защищенная навесом из соломы, изморозью не покрываются. Кажется, что иней падает с неба в ясную холодную ночь. Однако что же происходит на самом деле?
В действительности ни роса, ни иней не падают с неба.

Пары воды, всегда содержащиеся в воздухе, соприкасаясь с холодными предметами па поверхности Земли, превращаются в воду, образуя капельки росы. Если температура этих предметов ниже пуля, то пар, охлаждаясь, сразу же превращается в кристаллики льда. Это и есть иней.

Водяные пары в воздухе. В воздухе всегда есть пары воды. С ростом температуры воздуха их содержание увеличивается. В душный летний день, когда влажность воздуха велика, стенки стакана, наполненного холодной водой, покрываются капельками росы. Это происходит потому, что воздух вблизи стакана охлаждается, а так как при охлаждении содержание воды в нем должно уменьшиться, часть ее конденсируется на стенках.
Когда открывается дверца холодильника, то в воздухе (вблизи от него) появляется белый туман. Объясняется это тем, что при контакте с холодным воздухом, выходящим из холодильника, окружающий воздух охлаждается, а водяные пары при этом превращается в маленькие капли.
Таким образом, всякое понижение температуры воздуха приводит к тому, что пар, входящий в его состав, конденсируется в воду.
Что же касается изморози и выпадения росы, то они образуются в результате контакта воздуха, содержащего водяной пар, с более холодными, чем он, предметами.
Почему температура предметов на улице может быть ниже, чем у окружающего их воздуха? Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо рассмотреть факторы, которые определяют их температуру.

Процессы переноса тепла. Если тело получает из окружающего пространства больше тепла, чем отдает, то его температура повышается, в противоположном случае — температура понижается. Аналогично, при соприкосновении двух тел (одного — с высокой, другого — с низкой температурой) тепло распространяется в направлении от более нагретого тела к менее нагретому.
Процесс, обусловливающий распространение тепла в твердом теле, называется теплопроводностью. В случае контакта твердого тела с газом или жидкостью тепло между ними переносится за счет теплопередачи. Однако в этой главе, посвященной образованию инея, особое значение имеет перенос тепла за счет теплового излучения. Тепловым излучением называют явление испускания и поглощения электромагнитных волн различными телами при нагревании. Хотя радиоволны, микро волны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и различаются по длине волны, но объединяются под одним названием — электромагнитные волны. При этом инфракрасные лучи обладают сильным тепловым воздействием, видимые —доступны восприятию глаз человека, ультрафиолетовые— способны вызывать химические превращения. Разумеется, эта характеристика далека от полноты и совершенства.
При поглощении энергия электромагнитных волн превращается в тепло. Тепловое действие характерно не только для инфракрасных лучей. Большая часть тепла, получаемого Землей в виде энергии излучения Солнца, приходится на лучи видимого диапазона.

Влажность и тепловое излучение. Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Исключением являются прозрачные вещества, такие как стекло, вода, воздух. Явлению теплового излучения присущи две особенности: первая — при повышении температуры энергия, излучаемая единицей площади, возрастает, вторая—длина волны излучения при этом уменьшается.
При обычных температурах почти все излучение приходится на инфракрасные лучи, которые не воспринимаются человеческим глазом. Часть из них имеет сравнительно короткие длины волн, благодаря чему, используя специальную пленку, их можно зарегистрировать.
Днем солнечные лучи прогревают поверхность Земли и находящиеся на ней предметы и их температура повышается. Это повышение продолжается до тех пор, пока тепло, получаемое телом за счет энергии Солнца, не будет равно теплу, теряемому им в виде теплового излучения. Так, после захода Солнца тело продолжает терять тепло за счет собственного теплового излучения и не получает его извне, вследствие чего температура его падает.

Охлаждение за счет излучения.
Если тело окружить оболочкой, пропускающей тепловое излучение извне, но не пропускающей его в противоположном направлении, температура тела не будет уменьшаться. Однако, если эту оболочку убрать, потеря тепла за счет теплового излучения приведет к уменьшению температуры. Если она при этом опустится ниже точки замерзания воды, его поверхность покроется изморозью. При этом температура воздуха может оставаться довольно высокой. Когда такое охлаждение почвы происходит неожиданно, то наносится ущерб растениям.
Прослушав по радио прогноз погоды, предвещающий иней, крестьяне спешат разжечь на полях костры. Дым, окутывая насаждения, исключает возможность появления на них изморози. В Токио были случаи, когда иней наблюдался и в мае, и в октябре. Иней видели даже на острове Новая Гвинея, находящемся вблизи экватора.
Поэтому с наступлением осени теплолюбивые растения укрывают различными изолирующими материалами, используя их свойство предотвращать охлаждение почвы за счет теплового излучения. Под соломенными навесами инея также не бывает (поскольку такая крыша препятствует теплоотдаче). Из-за этого в старину считалось, что иней выпадает с неба.
Когда небо покрыто тучами, тепловые лучи, отразившись от них, возвращаются на Землю. Таким образом, тучи становятся вторичным излучателем тепла, благодаря чему процесс охлаждения земной поверхности замедляется. Этим объясняется, что иней выпадает преимущественно в ясную, звездную ночь.
Отметим теперь, что порывы сильного ветра передают тепло поверхности Земли (температура воздуха выше). Это частично компенсирует понижение температуры поверхности Земли, вызванное ее тепловым излучением, в результате чего в ветреный день изморози не бывает.

Термические свойства воздуха. Почему же воздух, в отличие от поверхности Земли и находящихся на ней предметов, не способен к тепловому излучению? Воздух является чрезвычайно прозрачным, так как очень слабо поглощает световые лучи. Слабо поглощая излучения, он, естественно, почти ничего не излучает. В ясный день, когда Солнце находится в зените, земной поверхности достигает 70—80 % солнечного излучения. Теряющаяся часть энергии приходится на поглощение и рассеяние в воздухе. Таким образом, несмотря на большую толщину атмосферы, поглощением света в ней, а следовательно, и тепловым излучением можно пренебречь. Прозрачность воздуха приводит к тому, что большая часть энергии, излучаемой Солнцем, достигает поверхности Земли, а температура предметов, находящихся на ее поверхности, повышается. Поэтому воздух вблизи нее имеет большую температуру, чем в верхних слоях атмосферы, расположенных несколько ближе к Солнцу.
В то же время теплый воздух, благодаря конвекции, поднимается вверх и переносит тепло в более высокие слои атмосферы. Перемещение воздуха вверх в область более низкого давления приводит к тому, что он расширяется и при этом охлаждается. Так что его температура с увеличением высоты уменьшается.
Благодаря наличию вокруг Земли атмосферы часть инфракрасных лучей, излучаемых с ее поверхности, поглощается, рассеивается и отражается в разных слоях воздуха. Это приводит к тому, что поверхность Земли охлаждается меньше, чем поверхность Луны, не имеющей атмосферы. Следует отметить, что отражение и поглощение инфракрасных лучей обусловлено наличием в атмосфере углекислого газа. Этим и объясняется то, что увеличение процентного содержания углекислого газа в воздухе препятствует потере Землей тепла и вызывает повышение температуры на ее поверхности.

Стекла для теплиц. Существуют вещества, прозрачные для видимого и непрозрачные для инфракрасного излучения. Стекло обладает почти такими же свойствами и поэтому применяется при изготовлении теплиц. Стекла в теплице пропускают большую часть энергии излучения Солнца и не пропускают теплового излучения, идущего изнутри и являющегося, ввиду невысокой температуры, преимущественно инфракрасным. Поэтому лучистая энергия Солнца, попадая в теплицу, задерживается в виде тепла и в ясный день температура в теплице выше, чем в окружающем пространстве. Это явление называют тепличным эффектом.