Tie zaujímavosti súvisia s takzvanými fázovými prechodmi, t. j. so zmenami skupenstva (fázy). Kedy a ako sa mení voda v atmosfére na paru, para opäť na vodu a voda prípadne na ľad? Začnime s tým vyparovaním.
Molekuly sa vo vode pohybujú, a to tým rýchlejšie, čím vyššia je jej teplota (teplota vyjadruje priemernú rýchlosť pohybu molekúl). Molekuly, ktoré sú pri povrchu a pohybujú sa najrýchlejšie, dokážu prekonať vnútorné príťažlivé sily a opustiť hladinu – to je vyparovanie. Tým, že najrýchlejšie sa pohybujúce molekuly opustia kvapalinu, klesá priemerná rýchlosť zvyšných molekúl, takže na udržanie teploty musíme vyparujúcej sa kvapaline dodávať energiu. A je to obrovská energia. Na výpar nejakého množstva vody sa spotrebuje toľko tepla, akým by sme desaťnásobné množstvo vody zohriali o vyše 50 °C. Preto sa naše telo veľmi efektívne chladí vyparovaním potu. Preto, keď chceme niečo vysušiť, je dobré zohrievať to.
Voda sa môže vyparovať len dovtedy, pokým nie je vzduch vodnými parami „nasýtený“. Pri istej teplote sa do vzduchu „zmestí“ len určité množstvo vody vo forme pary. A toto množstvo rastie s teplotou vzduchu. Ak by sme do nejakej dobre uzavretej miestnosti navešali veľa mokrej bielizne, bude schnúť len dovtedy, pokým nebude vzduch v miestnosti nasýtený. Ak sa stane nasýteným, výpar – schnutie prestane. Pomôcť môžeme zvyšovaním teploty alebo vetraním. Pri teplote 20 °C a normálnom tlaku môže byť v 1 m3 vzduchu maximálne 17,3 g vody vo forme pary, pri teplote -12 °C je to len 1,8 g.
Z opisu vyparovania vyplýva aj definícia vodnej pary: sú to molekuly vody, ktoré sa – vo väčšom či menšom množstve – voľne pohybujú medzi inými molekulami zložiek vzduchu. Vodná para je neviditeľná! To, čo vidíme napríklad vychádzať z hrnca s vriacou polievkou alebo z úst pri dýchaní za studeného a vlhkého počasia a čomu bežne hovoríme „para“, je v skutočnosti do kvapôčok skondenzovaná para – teda substancia podobná oblaku alebo hmle. Je to vzduch obsahujúci množstvo mikroskopických kvapôčok vody. .kondenzácia a oblaky
Oblaky a zrážky vznikajú opačným procesom – kondenzáciou vodnej pary. Najčastejšie je to ochladzovaním vzduchu, ktorý obsahuje vodnú paru, pričom najvýznamnejší spôsob ochladzovania vzduchu je dôsledkom jeho rozpínania sa pri výstupnom pohybe. (Pri rozpínaní koná vzduch prácu na úkor svojej vnútornej energie, čo sa prejaví poklesom jeho teploty. Z bežného života poznáme tento jav napríklad pri vypúšťaní plynov z tlakových bombičiek sprejov.)
Stúpajúci vzduch sa ochladzuje a v určitej výške dosiahne kondenzačnú teplotu – stane sa nasýteným vodnou parou, ktorú obsahuje. Pri ďalšom výstupe a poklese teploty by malo nadbytočné množstvo pary skondenzovať, teda prejsť z plynnej do kvapalnej alebo pevnej fázy. Stane sa to však len vtedy, ak sa vo vzduchu nachádzajú takzvané kondenzačné jadrá.
Molekuly vodnej pary sa totiž nevedia len tak samovoľne spájať a vytvárať kvapôčky, potrebujú sa „nalepiť“ na nejakú pevnú časticu. Našťastie, tých je v atmosfére zväčša dostatok. Sú to čiastočky z pôdy, dymu, prachu (aj sopečného), rastlinného peľu a tiež mikroskopických kryštálikov morskej soli, ktoré sa do atmosféry dostávajú v dôsledku vyparovania kvapiek odstrekujúcich z morskej peny. Kondenzačné jadrá majú veľkosť okolo tisíciny milimetra. Len zriedkavo sa stáva (a to len v Arktíde, Antarktíde alebo vo vysokých vrstvách troposféry), že kondenzačné jadrá v atmosfére chýbajú. Vtedy sa vodná para nevyzráža ani pri niekoľkonásobnom presýtení.
Ak proces kondenzácie pokračuje, oblak rastie do výšky aj do šírky, hustne – kvapôčok (s priemerom do 20 tisícin milimetra) pribúda. Ale ich spájanie do väčších kvapiek, ktoré by padali rýchlejšie, ako je rýchlosť stúpavých pohybov, je veľmi pomalé a trvá veľa hodín. A výsledkom nie sú typické dažďové kvapky – takéto vodné oblaky môžu produkovať len mrholenie alebo veľmi slabý dážď. Bežný dážď vzniká inak. .vznik zrážok
Ako sme už povedali, mechanizmus spájania kvapôčok oblakov do väčších zrážkových kvapiek je veľmi slabý. Ale ak sú v oblaku pri zápornej teplote prítomné kvapôčky aj ľadové jadrá - kryštáliky alebo zmrznuté kvapôčky (malé kvapôčky, čo je ďalšia zvláštnosť, totiž vo väčšej miere mrznú až pri teplote okolo -10 0C) nastáva búrlivý proces tvorby zrážkových elementov: ak sa dostanú do blízkosti podchladené vodné kvapôčky s ľadovými kryštálikmi, kvapky sa vyparujú a para namŕza na ľadové jadro. V turbulentnom pohybe v oblaku a pri padaní ťažších elementov pomedzi ľahšie pokračuje rast častíc aj zrážkami, pri ktorých prechladené kvapôčky namŕzajú na ľadové jadrá.
Kryštáliky či snehové vločky sa teda rôznymi mechanizmami postupne zväčšujú a čoraz rýchlejšie padajú. V závislosti na rýchlosti výstupného pohybu, teplote a štruktúre oblaku vznikajú snehové hviezdice, zrná, krúpky alebo rôzne veľké snehové vločky. Ak tieto zrážky padajú (u nás v lete) cez dostatočne hrubú vrstvu vzduchu s kladnou teplotou, roztopia sa a prší. Teda každý, aj teplý letný dážď, vzniká v oblakoch vo forme snehu. Aj tropické lejaky alebo monzúnové dažde vznikajú takto – ako sneženie. Rozdiel je len v tom, že v trópoch sú pre vznik zrážok vhodné teplotné podmienky o niekoľko kilometrov vyššie ako u nás v miernom pásme. .zmrznutý dážď a krúpy
Niekedy sa stáva aj to, že padajúce (už roztopené) kvapky v studenej prízemnej vrstve znovu zamrznú. Vtedy padá na zem zmrznutý dážď – malé guľôčky ľadu. Častejšie však padajúce mrholenie alebo dážď zamŕza až na studenom povrchu zeme a tvorí sa nepríjemná ľadovka alebo poľadovica.
Krúpy (ľadovec) vznikajú ešte komplikovanejšie. V búrkových oblakoch sú veľmi silné stúpavé prúdy – bežne majú rýchlosť 50 aj 100 km/h. Ak sa padajúce snehové krúpky alebo už roztopené dažďové kvapky dostanú do stúpavého prúdu, ten ich znova vynáša do výšky, kde kvapky znova zamŕzajú. Silné stúpavé prúdy môžu vynášať aj veľké, už rýchlo padajúce krúpy, ktoré pritom ešte ďalej rastú primŕzaním pary či prechladených kvapôčok, alebo primŕzaním ďalších krúp pri vzájomných zrážkach.
V horných častiach búrkových oblakov prevláda rast krúp primŕzaním pary a malých podchladených kvapiek, ktoré zmrznú okamžite po zrážke tak, že sa nestačia rozliať. Tam vzniká biely nepriehľadný ľad so vzduchovými medzerami. V dolnej časti oblakov primŕzajú k padajúcim krúpam väčšie podchladené kvapôčky, ktoré sa stačia ešte pred zamrznutím rozliať, a tak vzniká číry, priehľadný ľad. Väčšie krúpy majú obyčajne niekoľko takýchto vrstiev, čo dokazuje, že v oblaku viackrát putovali hore a dole.
Najčastejšie sú krúpy malé, asi ako hrach. Zriedkavejšie majú veľkosť bobúľ hrozna, orechov alebo aj tenisových loptičiek. Pravdepodobnosť, že sa padajúce krúpy znova dostanú do stúpavého prúdu alebo že budú dlho zotrvávať v silnom stúpavom prúde a tak ďalej rásť do extrémnych rozmerov, sa totiž rýchlo zmenšuje. Najväčšou krúpou, ktorá je známa v meteorologickej literatúre, je hruda ľadu, ktorá spadla v roku 1850 v Azerbajdžane. Jej priemer bol 40 cm a hmotnosť 10 kg. .čo by bolo, keby...?
Nakoniec môžeme trochu pouvažovať „čo by bolo, keby“. Ak by pre vznik zrážok bolo menej obmedzujúcich podmienok, oblaky by sa rýchlo vypršali blízko miesta ich vzniku a významný transport vlahy na veľké vzdialenosti z oceánov nad pevninu by bol minimálny. Vo vnútrozemí veľkých kontinentov by bola púšť (existencia dvoch suchých púštnych pásiem obopínajúcich Zem má inú príčinu). Ak by, naopak, zrážky v oblakoch vznikali ťažšie, Zem by bola zväčša zahalená v oblakoch, výpar by bol menší a zrážok tiež menej. Nezostáva iné, než konštatovať, že je to nastavené veľmi dobre – tak akurát.
Molekuly sa vo vode pohybujú, a to tým rýchlejšie, čím vyššia je jej teplota (teplota vyjadruje priemernú rýchlosť pohybu molekúl). Molekuly, ktoré sú pri povrchu a pohybujú sa najrýchlejšie, dokážu prekonať vnútorné príťažlivé sily a opustiť hladinu – to je vyparovanie. Tým, že najrýchlejšie sa pohybujúce molekuly opustia kvapalinu, klesá priemerná rýchlosť zvyšných molekúl, takže na udržanie teploty musíme vyparujúcej sa kvapaline dodávať energiu. A je to obrovská energia. Na výpar nejakého množstva vody sa spotrebuje toľko tepla, akým by sme desaťnásobné množstvo vody zohriali o vyše 50 °C. Preto sa naše telo veľmi efektívne chladí vyparovaním potu. Preto, keď chceme niečo vysušiť, je dobré zohrievať to.
Voda sa môže vyparovať len dovtedy, pokým nie je vzduch vodnými parami „nasýtený“. Pri istej teplote sa do vzduchu „zmestí“ len určité množstvo vody vo forme pary. A toto množstvo rastie s teplotou vzduchu. Ak by sme do nejakej dobre uzavretej miestnosti navešali veľa mokrej bielizne, bude schnúť len dovtedy, pokým nebude vzduch v miestnosti nasýtený. Ak sa stane nasýteným, výpar – schnutie prestane. Pomôcť môžeme zvyšovaním teploty alebo vetraním. Pri teplote 20 °C a normálnom tlaku môže byť v 1 m3 vzduchu maximálne 17,3 g vody vo forme pary, pri teplote -12 °C je to len 1,8 g.
Z opisu vyparovania vyplýva aj definícia vodnej pary: sú to molekuly vody, ktoré sa – vo väčšom či menšom množstve – voľne pohybujú medzi inými molekulami zložiek vzduchu. Vodná para je neviditeľná! To, čo vidíme napríklad vychádzať z hrnca s vriacou polievkou alebo z úst pri dýchaní za studeného a vlhkého počasia a čomu bežne hovoríme „para“, je v skutočnosti do kvapôčok skondenzovaná para – teda substancia podobná oblaku alebo hmle. Je to vzduch obsahujúci množstvo mikroskopických kvapôčok vody. .kondenzácia a oblaky
Oblaky a zrážky vznikajú opačným procesom – kondenzáciou vodnej pary. Najčastejšie je to ochladzovaním vzduchu, ktorý obsahuje vodnú paru, pričom najvýznamnejší spôsob ochladzovania vzduchu je dôsledkom jeho rozpínania sa pri výstupnom pohybe. (Pri rozpínaní koná vzduch prácu na úkor svojej vnútornej energie, čo sa prejaví poklesom jeho teploty. Z bežného života poznáme tento jav napríklad pri vypúšťaní plynov z tlakových bombičiek sprejov.)
Stúpajúci vzduch sa ochladzuje a v určitej výške dosiahne kondenzačnú teplotu – stane sa nasýteným vodnou parou, ktorú obsahuje. Pri ďalšom výstupe a poklese teploty by malo nadbytočné množstvo pary skondenzovať, teda prejsť z plynnej do kvapalnej alebo pevnej fázy. Stane sa to však len vtedy, ak sa vo vzduchu nachádzajú takzvané kondenzačné jadrá.
Molekuly vodnej pary sa totiž nevedia len tak samovoľne spájať a vytvárať kvapôčky, potrebujú sa „nalepiť“ na nejakú pevnú časticu. Našťastie, tých je v atmosfére zväčša dostatok. Sú to čiastočky z pôdy, dymu, prachu (aj sopečného), rastlinného peľu a tiež mikroskopických kryštálikov morskej soli, ktoré sa do atmosféry dostávajú v dôsledku vyparovania kvapiek odstrekujúcich z morskej peny. Kondenzačné jadrá majú veľkosť okolo tisíciny milimetra. Len zriedkavo sa stáva (a to len v Arktíde, Antarktíde alebo vo vysokých vrstvách troposféry), že kondenzačné jadrá v atmosfére chýbajú. Vtedy sa vodná para nevyzráža ani pri niekoľkonásobnom presýtení.
Ak proces kondenzácie pokračuje, oblak rastie do výšky aj do šírky, hustne – kvapôčok (s priemerom do 20 tisícin milimetra) pribúda. Ale ich spájanie do väčších kvapiek, ktoré by padali rýchlejšie, ako je rýchlosť stúpavých pohybov, je veľmi pomalé a trvá veľa hodín. A výsledkom nie sú typické dažďové kvapky – takéto vodné oblaky môžu produkovať len mrholenie alebo veľmi slabý dážď. Bežný dážď vzniká inak. .vznik zrážok
Ako sme už povedali, mechanizmus spájania kvapôčok oblakov do väčších zrážkových kvapiek je veľmi slabý. Ale ak sú v oblaku pri zápornej teplote prítomné kvapôčky aj ľadové jadrá - kryštáliky alebo zmrznuté kvapôčky (malé kvapôčky, čo je ďalšia zvláštnosť, totiž vo väčšej miere mrznú až pri teplote okolo -10 0C) nastáva búrlivý proces tvorby zrážkových elementov: ak sa dostanú do blízkosti podchladené vodné kvapôčky s ľadovými kryštálikmi, kvapky sa vyparujú a para namŕza na ľadové jadro. V turbulentnom pohybe v oblaku a pri padaní ťažších elementov pomedzi ľahšie pokračuje rast častíc aj zrážkami, pri ktorých prechladené kvapôčky namŕzajú na ľadové jadrá.
Kryštáliky či snehové vločky sa teda rôznymi mechanizmami postupne zväčšujú a čoraz rýchlejšie padajú. V závislosti na rýchlosti výstupného pohybu, teplote a štruktúre oblaku vznikajú snehové hviezdice, zrná, krúpky alebo rôzne veľké snehové vločky. Ak tieto zrážky padajú (u nás v lete) cez dostatočne hrubú vrstvu vzduchu s kladnou teplotou, roztopia sa a prší. Teda každý, aj teplý letný dážď, vzniká v oblakoch vo forme snehu. Aj tropické lejaky alebo monzúnové dažde vznikajú takto – ako sneženie. Rozdiel je len v tom, že v trópoch sú pre vznik zrážok vhodné teplotné podmienky o niekoľko kilometrov vyššie ako u nás v miernom pásme. .zmrznutý dážď a krúpy
Niekedy sa stáva aj to, že padajúce (už roztopené) kvapky v studenej prízemnej vrstve znovu zamrznú. Vtedy padá na zem zmrznutý dážď – malé guľôčky ľadu. Častejšie však padajúce mrholenie alebo dážď zamŕza až na studenom povrchu zeme a tvorí sa nepríjemná ľadovka alebo poľadovica.
Krúpy (ľadovec) vznikajú ešte komplikovanejšie. V búrkových oblakoch sú veľmi silné stúpavé prúdy – bežne majú rýchlosť 50 aj 100 km/h. Ak sa padajúce snehové krúpky alebo už roztopené dažďové kvapky dostanú do stúpavého prúdu, ten ich znova vynáša do výšky, kde kvapky znova zamŕzajú. Silné stúpavé prúdy môžu vynášať aj veľké, už rýchlo padajúce krúpy, ktoré pritom ešte ďalej rastú primŕzaním pary či prechladených kvapôčok, alebo primŕzaním ďalších krúp pri vzájomných zrážkach.
V horných častiach búrkových oblakov prevláda rast krúp primŕzaním pary a malých podchladených kvapiek, ktoré zmrznú okamžite po zrážke tak, že sa nestačia rozliať. Tam vzniká biely nepriehľadný ľad so vzduchovými medzerami. V dolnej časti oblakov primŕzajú k padajúcim krúpam väčšie podchladené kvapôčky, ktoré sa stačia ešte pred zamrznutím rozliať, a tak vzniká číry, priehľadný ľad. Väčšie krúpy majú obyčajne niekoľko takýchto vrstiev, čo dokazuje, že v oblaku viackrát putovali hore a dole.
Najčastejšie sú krúpy malé, asi ako hrach. Zriedkavejšie majú veľkosť bobúľ hrozna, orechov alebo aj tenisových loptičiek. Pravdepodobnosť, že sa padajúce krúpy znova dostanú do stúpavého prúdu alebo že budú dlho zotrvávať v silnom stúpavom prúde a tak ďalej rásť do extrémnych rozmerov, sa totiž rýchlo zmenšuje. Najväčšou krúpou, ktorá je známa v meteorologickej literatúre, je hruda ľadu, ktorá spadla v roku 1850 v Azerbajdžane. Jej priemer bol 40 cm a hmotnosť 10 kg. .čo by bolo, keby...?
Nakoniec môžeme trochu pouvažovať „čo by bolo, keby“. Ak by pre vznik zrážok bolo menej obmedzujúcich podmienok, oblaky by sa rýchlo vypršali blízko miesta ich vzniku a významný transport vlahy na veľké vzdialenosti z oceánov nad pevninu by bol minimálny. Vo vnútrozemí veľkých kontinentov by bola púšť (existencia dvoch suchých púštnych pásiem obopínajúcich Zem má inú príčinu). Ak by, naopak, zrážky v oblakoch vznikali ťažšie, Zem by bola zväčša zahalená v oblakoch, výpar by bol menší a zrážok tiež menej. Nezostáva iné, než konštatovať, že je to nastavené veľmi dobre – tak akurát.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.