ВЛАЖНОСТЬ, ИСПАРЕНИЕ, ТУМАН
СКОЛЬКО ВОДЫ В ВОЗДУХЕ?
Воздух содержит водяные пары, — воду, которая под действием солнечного нагревания испаряется с поверхности океанов, морей, озер, рек. Содержание в нем водяного пара в наших широтах колеблется от 0,3 % до 2 1 / 2 % по весу и зависит от температуры. При каждой температуре существует предел влажности: если влажность выше этого предела, избыток паров выделяется в виде воды. Чем воздух теплее, тем больше может он содержать водяного пара. Число граммов водяного пара в куб. метре воздуха называется его "абсолютной влажностью".
Большее значение в метеорологии и в практической жизни имеет так называемая "относительная влажность", — отношение количества водяного пара, содержащегося в куб. метре воздуха, к тому количеству, которое необходимо для насыщения при данной температуре. Именно степень близости воздуха к насыщению определяет ощущение "сухости" или «сырости"; от нее же зависит выделение избытка влаги в виде росы, дождя, туманов, облаков и т. п.
Относительная влажность выражается в процентах: полному насыщению отвечает 100 %; чаще всего влажность колеблется от 50 до 75 %.
КАК ПРЕДСКАЗЫВАЮТ ПОГОДУ ПАСТУХИ И МОРЯКИ
Пастушеские народы, в частности горцы в Альпах и у нас на Кавказе, часто предсказывают наступление сырой погоды по овцам: шерсть животных легко вбирает влагу из воздуха и при большой относительной влажности отсыревает. Пощупав шерсть своих овец и заметив, что она сырая, пастух иногда может предсказать наступление сырой, дождливой или туманной погоды.
Говорят, что в старое время матросы вечером разбрасывали по палубе судов шерсть, чтоб собрать "Пресную воду, выделяющуюся из воздуха при ночном охлаждении. На первый взгляд кажется, что таким способом не собрать много воды, однако, по старинным наблюдениям, если подвесить вечером над водой колодца фунт шерсти, то к утру он увеличится в весе чуть не вдвое. Уже в начале XV века было предложено кардиналом Николаем Кузанским определять влажность воздуха по увеличению веса кипы шерсти, положенной на чашку весов, — первая идея гигрометра.
Пеньковые волокна, из которых вьются веревки, обладают свойством разбухать при увеличении влажности; поэтому узлы, свободно завязанные в сухую погоду, в сыром воздухе от закручивания веревок стягиваются более туго, и развязать их становится труднее. Так как увеличение влажности обычно служит одним из признаков приближающейся сырой погоды, то моряки и предсказывают ее по стягиванию узлов.
НА ЧТО ГОДИТСЯ ЖЕНСКИЙ ВОЛОС
Долгий женский волос, по непочтительной поговорке связанный с "коротким умом", оказывается таким удобным средством для определения влажности, что его ничем не могут заменить. Человеческий волос, как и другие волокна, обладает свойством удлиняться в сырую погоду и укорачиваться в сухую, притом настолько закономерно, что может служить настоящим измерительным прибором. Гигрометры на русских метеорологических станциях делаются из обезжиренного женского волоса, закрепленного одним концом; другой — соединен со стрелкой, отмечающей на циферблате изменения влажности. Волосы блондинок, более тонкие и мягкие, оказываются более пригодными для гигрометров, чем волосы брюнеток.
Такой прибор нужно, конечно, постоянно сравнивать с более точными приборами: на один женский волос полагаться нельзя… Волосной гигрометр — прибор относительный; для более точных измерений применяются так называемые "психрометры". Когда воздух охлаждается ниже той температуры, при которой наступает насыщение, избыток влаги выделяется в жидком виде. Если известны температура воздуха и та температура, при которой начинается выделение влаги ("точка росы"), то можно, имея таблицы, вычислить относительную влажность. Чтобы определить точку росы, охлаждают посеребренный шарик термометра и смотрят, когда он начинает запотевать; температура, показываемая термометром в этот момент, и есть точка росы. Неудобство такого психрометра — в том, что заметить в точности момент появления росы при охлаждении, или исчезновения при нагревании, бывает очень трудно.
Рис. 20. Волосной гигрометр.
Чаще пользуются иным психрометром, состоящим из двух термометров одинакового типа; шарик одного из них обвязывается батистом, конец которого погружается в стаканчик с чистой водой. Испарение с батиста понижает температуру термометра, и он показывает температуру низшую, чем термометр с сухим шариком. Влажность вычисляется по особым таблицам, по температуре одного и другого термометров ("сухого" и "смоченного"). Когда температура ниже 0°, стаканчик приходится убирать и смачивать батист лишь перед самым наблюдением;" при температуре ниже 5° прибор становится неточным.
БУДЕТ ЛИ НОЧЬЮ МОРОЗ?
Это — вопрос, чрезвычайно важный для огородников, садоводов и сельских хозяев. Ответить на него с полной определенностью нельзя; но некоторые указания все же можно получить при помощи наблюдений над температурой воздуха. Если температура воздуха достигла "точки росы", то дальше она, вообще говоря, понижаться не должна, так как выделение влаги, а с нею и скрытой теплоты, уже повышает температуру. Если, поэтому, точка росы вечером лежит выше 0°, вероятность мороза очень мала. Так как самую точку росы определить трудно, приходится основываться на температурах смоченного и сухого термометров и по ним, пользуясь данными опыта заключать о точке росы. Способов предсказания заморозков по сухому и смоченному термометрам есть много, хотя и нет пока ни одного абсолютно верного. Один из признаков такого рода дан для средней полосы СССР проф. Михельсоном: если в 9 час. вечера (вечерний срок наблюдений на метеорологических станциях) смоченный термометр показывает в мае и июне больше 5°, в апреле и сентябре — больше 6°, то заморозок мало вероятен.
В вопросе о предсказании заморозков дело осложняется тем, что на станциях по большей части ведутся наблюдения над температурой воздуха на высоте 2 метров, а наименьшая температура оказывается обычно на поверхности земли и в прилегающих слоях; если же на земле имеются посевы, то самая низкая температура получается на их верхней поверхности. Чтобы предохранить растения от замерзания, на плантациях, например, сахарной свеклы, сажают коноплю; с одной стороны, она защищает посевы от потери тепла лучеиспусканием, с другой — образует ту высокую поверхность растительного покрова, где получается самая низкая температура.
Так как для решения вопросов о заморозках важно иметь как можно больше метеорологических наблюдений в разных местностях, а приборы, даже самые простые, требуют все же и затраты средств, и известной подготовки в наблюдениях, — некоторые специалисты по сельскому хозяйству рекомендуют употреблять в качестве "термометров" чувствительные к морозу растения: огурцы, вьющуюся фасоль и др. Помещая такие растения в различных местах поля, на разных высотах и т. п., можно определить места, особенно страдающие от заморозков, распространение мороза в высоту, его силу и т. п.
Рис. 21. Модель, которая была выставлена на гигиенической выставке в Лондоне: такой груз сажи приходится на каждого лондонского жителя.
ОТЧЕГО В ГОРОДЕ БОЛЬШЕ ТУМАНОВ, ЧЕМ ЗА ГОРОДОМ?
Если сравнительно теплый и притом влажный воздух охлаждается от лучеиспускания или от внезапного притока более холодного воздуха, то, дойдя до точки росы, он выделяет избыток влаги в виде мельчайших капелек, которые и образуют пелену тумана. Туман именно потому чаще всего образуется над болотами, озерами, реками и т. п., что там воздух более влажен и легче переходит в состояние насыщения. В сухих местностях не бывает туманов и при холоде, так как паров там настолько мало, что и при значительном охлаждении воздуха они не доходят до предела насыщения.
В городе, казалось бы, нет никакой особой сырости, а между тем в городе туманов бывает больше. Вы не раз, наверное, замечали, что, выехав в туманный день из города, вы уже на небольшом сравнительно расстоянии встречаете ясную погоду без всякого тумана. В чем же тут дело?
Оказывается, что для выделения паров в виде капелек воды (для так называемой конденсации) еще недостаточно, чтоб температура упала ниже точки росы. Бывает так, что, судя по температуре, влажность воздуха уже должна бы достигнуть 100 %, однако воздух не выделяет водяного пара, а остается, как говорят, в перенасыщенном состоянии; это потому, что в нем слишком мало так называемых "ядер конденсации". Эти ядра так малы, что простым глазом невидимы; это электрически заряженные частицы "ионы", или мельчайшие пылинки, частицы соли, дыма и т. п., которые носятся в воздухе. И однако, если их нет, если воздух очень чист, выделение водяного пара происходит с опозданием или вовсе не происходит.
Вот почему над городом чаще бывают туманы: от уличной пыли, дыма печей и особенно фабричных труб в городском воздухе все готово для образования тумана, будь только подходящие условия температуры и влажности. Города Англии с сильно развитой фабричной промышленностью — Лондон, Ливерпуль, Манчестер и др. — при вообще влажном климате Англии особенно страдают от туманов. Один английский метеоролог подсчитал, что на каждого лондонского жителя в сутки приходится весьма солидный груз угля, образующегося из сажи, которая носится в воздухе (см. рисунок); каждый житель платит в среднем около 10 руб. в год на излишние расходы, связанные с загрязнением воздуха; сюда входят: частая стирка белья, расходы на освещение, на ремонтирование зданий, которые разъедаются частичками химических веществ, отлагаемых туманами, и т. п.
Рис. 23. Важность солнечного света для здоровья человека. Нижняя пунктирная кривая изображает количество солнечного сияния в городе в процентах относительно количества его за городом; верхняя — смертность в городе на 1000 чел. С оздоровлением городского воздуха и приближением солнечного освещения к деревенскому смертность падает.
ТУМАНЫ И ПОЛИТИКА
Пока в наших городах не было такого количества фабрик, как в Лондоне, и воздух у нас был значительно чище. Однако и у нас заметно было обилие туманов в городе сравнительно с окрестностями. И вот что интересно: в первые годы революции число туманов в Ленинграде (согласно подсчетам, сообщенным автору одним из наших молодых научных работников) заметно упало, а затем по мере развития и восстановления промышленности вновь пошло вверх. При этом туманы пошли на убыль уже в 1915–1916 гг. когда, казалось, промышленность еще работала полным ходом. Причина в том, что в те годы наши фабрики, зависевшие до революции преимущественно от ввозимого угля, в значительной мере перешли с угольного на древесное топливо, а известно, что именно каменный уголь дает особенно много сажи и дыма. С другой стороны, в настоящее время в Лондоне, отчасти вследствие перехода на другие виды топлива, но очевидно и вследствие кризиса, остановившего большое число фабрик, наблюдается уменьшение числа густых туманов, которые жители называют "гороховым супом". Оказывается, нет худа без добра! Но выход нужно искать в рационализации топлива, а не в остановке фабрик…
СВЕРХУ ИЛИ СНИЗУ
Часто говорят: "роса упала", "иней сел на деревья", и для многих это не поэтические образы, а истинное изображение явления. Между тем и роса и иней не "садятся", не "падают", а образуются на самой поверхности охлажденных предметов. Когда в ясные безветренные ночи земная поверхность под влиянием лучеиспускания теряет тепло, часть водяных паров из ближайшего к земле слоя, не успевшего охладиться, выделяется в виде капель на холодных листьях растений, на траве и т. п. Это — роса; зимой и вообще при температурах ниже 0° вместо капель получаются ледяные кристаллы — иней.
В общежитии часто называют инеем пушистый слой иглистого, рыхлого льда, который появляется зимой на деревьях, на проволоках и т. п. в туманную, но морозную погоду. Про него и говорят чаще всего: "после тумана сел иней". Но это не иней, а изморозь: она тоже не садится, а нарастает с наветренной стороны, достигая, в отличие от инея, очень значительной толщины. В некоторых — правда, редких — случаях она ломает не только ветви кустарников, но даже деревья и телеграфные столбы. Во Франции на горе Пюи-де-Дом на мачте над метеорологической станцией наблюдалась изморозь толщиной до целого метра.
Еще хуже в смысле своих разрушительных действий гололедица, или, как ее в последнее время называют "гололед". Иногда и при температуре даже значительно ниже 0° вода не замерзает, а находится в "переохлажденном" состоянии, оставаясь в жидком виде. Если такой переохлажденный дождь или туман соприкасается с твердыми предметами, он мгновенно замерзает, образуя на них гладкую, иногда очень толстую ледяную кору. Гололедица еще чаще, чем более "воздушная" изморозь, ведет к обрыву проводов и иным авариям; предсказание ее имеет поэтому очень большое значение для железных дорог, почты и телеграфа. Весьма серьезное значение имеет такое оледенение для самолетов и дирижаблей
Рис. 24. Иней на траве
Оледенение, как известно, было одной из причин гибели дирижабля "Италия" при экспедиции Нобиле к сев. полюсу.
В Одессе в феврале 1897 г. наблюдался случай гололедицы, когда тонкий стебель дикой травы весом в 12 г увеличился в весе в 25 раз; на тонких проводах образовался слой льда в 3 см толщины. Деревья под тяжестью льда гнутся так, что вершины их касаются земли. Вот одно из красивых описаний гололедицы: "Буквально все древесные породы и деревья всех размеров были на площади в 2600 десятин закованы в прозрачный, — сверкающий на солнце мириадами разноцветных искр ледяной панцырь, превышавший толщину тонких ветвей в 5—10 раз, толстых — в 2–3 раза". На горах, особенно в приморских местностях, где в воздухе имеется большой запас влаги, наружные метеорологические инструменты так оледеневают, что превращаются в бесформенные массы.
ПРИКЛЮЧЕНИЕ С ПРОФЕССОРОМ
Проф. Б. П. Вейнберг в своей книжке "Снег, лед, град" рассказывает забавный случай с одним из своих коллег:
"Я помню одну гололедицу в Одессе, когда телеграфные проволоки рвались от тяжести покрывшей их толстым слоем хрустальной, прозрачной ледяной оболочки и валили телеграфные столбы… когда, например, один весьма почтенный профессор, подъехав вечером к своей квартире, мог перебраться через тротуар к подъезду, только надев калоши на руки и пойдя на четвереньках"…
Конечно, кроме переохлаждения воды, для образования гололедицы необходимо еще, чтоб поверхность, на которую падает такой дождь, имела также температуру ниже 0°; одного "запаса холода" в капле хватило бы только на то, чтоб обратить в лед не более ее 1 / 8 части.
КАК ЛЮДИ ЗАМОРОЗИЛИ МОРЕ
У Жюля Верна в романе "Гектор Сервадак" есть страница, картинно иллюстрирующая явление переохлаждения.
Компания лиц различных национальностей, случайно унесенных кометой на обломке Земли при столкновении ее с кометой, с нетерпением ждет замерзания водоема, названного ими "Галльским морем".
«Несмотря на низкую температуру, море еще не замерзло. Это происходило от его абсолютной неподвижности: ни одно дыхание воздуха не возмущало его поверхности. В этих условиях вода может охладиться на несколько градусов ниже 0 и не замерзнуть; но незначительный толчок может обратить ее в лед. Маленькая Нина и ее друг Пабло также поспешили явиться на собрание. — Милая девочка, — сказал капитан Сервадак, — сумеешь ты бросить в море кусок льда? — Ну, конечно, — ответила девочка, — но мой приятель Пабло сумеет бросить гораздо дальше. — Ничего, попробуй! — продолжал Гектор Сервадак, вкладывая маленький кусочек льда в ручку Нины. И прибавил: — Вот погляди, Пабло, какая волшебница наша маленькая Нина. Нина примерилась, взмахнула рукой два-три раза и бросила кусок льда в спокойную воду. Тотчас же послышалось хрустение, которое, казалось, наполнило весь воздух и простиралось до самых пределов горизонта. Галльское море замерзло сразу на всем своем протяжении».
Хотя "Галльское море" было не очень велико, но и в таких размерах явление вряд ли могло бы иметь место в природе. В более же скромных размерах, в виде гололедицы, мы можем наблюдать его почти каждую зиму. Сущность гололедицы, как мы знаем, — именно переохлаждение воды.
ЗАМЕРЗАНИЕ ВОДЫ ПРИ 9° ТЕПЛА
Во время экспедиции на Эльбрус в августе 1927 года наблюдался такой интересный случай.
"Для характеристики малой относительной влажности 23 августа, — пишет один из участников экспедиции М. В. Вылов, — приводим следующий факт: после 5 часов один из нас принес ведро воды для хозяйственных нужд экспедиции из ручья, стекавшего с ледника Малый Азау. К 6 часам вода покрылась ледяной пленкой при температуре воздуха + 8°,8, что показывает большое земное излучение, вызванное малым содержанием водяных паров в атмосфере". — К этому можно еще добавить: и большое испарение.
Рис. 26. Гололедица на телеграфных столбах.
САМЫЕ СУХИЕ МЕСТА НА ЗЕМЛЕ
В пустынях — в Сахаре, в Центральной Азии, у берегов Мертвого моря — влажность в отдельные, особенно сухие дни доходила до 2°/0. Если вспомнить, что даже влажность около 25 % уже ощущается человеком, как чрезмерная сухость, то можно себе представить ощущение при 2 % относительной влажности. Губы, а иногда и кожа лица трескаются; появляется непрерывная жажда, беспокойство и т. п.
Очень маленькие влажности наблюдаются также и на высоких горах вследствие убывания содержания водяных паров с высотой. При подъеме на Эверест в 1924 г. путешественники сильно страдали от большой сухости воздуха. Они описывают, как однажды, спустившись с высоты 7 км в нижний лагерь, изнемогали от сухости в горле и мечтали только о питье, даже не об отдыхе; а в палатках, по несчастной случайности, не оказалось не только воды, но даже сосуда, в котором можно было бы растопить снег.
В отдельных случаях, при особых условиях погоды, весьма малые значения влажности могут встречаться и в средних широтах; это, например, бывает при т. наз. "суховеях" на юго-востоке нашего Союза, а также в горных странах (Альпы, Кавказ, Байкал и т. д.) при фенах, о которых будет речь дальше.