Czy chmury są gazem?

Czy chmury są gazem: Gaz czy skondensowany aerozol

Wielu ludzi zastanawia się, czy chmury są gazem ze względu na ich zwiewny wygląd. Zrozumienie ich prawdziwej natury pozwala uniknąć błędów naukowych i lepiej pojąć codzienne zjawiska pogodowe. Warto poznać fakty o stan skupienia w atmosferze, aby prawidłowo interpretować otaczający nas świat.

Czy chmura to gaz? Obalamy powszechny mit

Wielu z nas od najmłodszych lat uczy się, że woda występuje w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Kiedy patrzymy na niebo, widzimy puszyste, białe obłoki i naturalnie zakładamy, że mamy do czynienia z gazem unoszącym się w atmosferze. (To zresztą bardzo intuicyjne.) Ale fizyka mówi zupełnie co innego. Dlaczego chmury nie są gazem? Z punktu widzenia termodynamiki i meteorologii są one czymś zupełnie innym - zawiesiną cząstek stałych lub cieczy w gazie.

To kluczowe rozróżnienie, które często umyka w codziennych rozmowach. Warto wiedzieć, czy chmura to para wodna, czy też zupełnie inna forma wody. Gaz, jakim jest para wodna, jest całkowicie niewidoczny dla ludzkiego oka. To, co widzimy jako chmurę, to już nie gaz, lecz skondensowana woda. (Tak, dokładnie ta sama substancja, ale w zupełnie innej formie fizycznej.)

Z czego tak naprawdę składają się chmury?

Skoro chmury nie są gazem, to czym są i z czego składają się chmury? Meteorologiczna definicja określa je mianem aerozolu atmosferycznego. Składają się one z niezliczonych, mikroskopijnych kropel wody lub kryształków lodu, które utrzymują się w powietrzu dzięki prądom wstępującym. Typowe krople chmurowe osiągają średnicę od 20 do 40 mikrometrów - co sprawia, że są niewidoczne z bliska jako pojedyncze obiekty, ale widoczne jako cała masa.

Zawartość wody w typowej chmurze wynosi około 1 grama na metr sześcienny. Zastanawiając się nad tym, czy chmury są gazem, musimy pamiętać o ogromnej objętości całego obłoku, sprawiającej, że przeciętna chmura waży tysiące ton. (I tu pojawia się słynne pytanie: jak coś tak ciężkiego utrzymuje się w górze? Odpowiedź tkwi w rozproszeniu tej masy na miliardów malutkich cząstek oraz w prądach powietrznych.)

Różnica między parą wodną a kropelkami

Największym źródłem nieporozumień jest pojęcie pary wodnej. Prawdziwa para wodna to gaz - jest bezbarwna, przejrzysta i nie widać jej w żaden sposób. Kiedy woda w czajniku zaczyna wrzeć, tuż przy samym dzióbku widzimy niewidzialną przestrzeń - to prawdziwa para. Dopiero chwilę dalej, gdy para styka się z chłodniejszym powietrzem i skrapla się w mikro-krople, staje się widoczna jako biały obłok. To, co nazywamy parą nad czajnikiem czy w łazience, to tak naprawdę już mała chmura.

Dlaczego chmury nie spadają od razu na ziemię?

Skoro krople wody w chmurze mają określoną masę, dlaczego nie spadają jak zwykły deszcz? Kluczem jest ich mikroskopijny rozmiar oraz prędkość opadania. Typowa kropelka chmurowa opada z prędkością zaledwie milimetrów na sekundę. Zwykły, delikatny ruch powietrza w górę - czyli prąd wstępujący - w zupełności wystarcza, by zrównoważyć tę siłę grawitacji i utrzymać wodę w zawieszeniu.

Dopiero gdy procesy kondensacji trwają nadal, a kropelki łączą się ze sobą (proces koalescencji) i rosną do rozmiarów milimetrowych kropli deszczu, grawitacja bierze górę. Wtedy aerozol przestaje być stabilny i dochodzi do opadów atmosferycznych.

Porównanie form występowania wody w atmosferze

Para wodna

• Całkowicie niewidoczna dla ludzkiego oka
• W całej objętości powietrza atmosferycznego
• Gaz (stan gazowy)

Chmura (lub mgła)

• Doskonale widoczna jako białe lub szare obłoki
• W wyższych warstwach troposfery lub przy gruncie jako mgła
• Aerozol (ciecz lub ciało stałe zawieszone w gazie)

Deszcz

• Widoczne spadające krople
• Podczas opadów atmosferycznych z chmur
• Ciecz (duże krople wodne)

Lekcja fizyki w Karkonoszach: Dlaczego szczyty giną we mgle

Marcin, pasjonat górskich wycieczek z Wrocławia, wybrał się na szlak w Karkonoszach w chłodny, jesienny poranek. W dolinach świeciło słońce, ale wyższe partie góry były spowite gęstą mgłą, którą turysta nazwał w rozmowie telefonicznej 'chmurą osiadłą na ziemi'.

Początkowo Marcin był przekonany, że idzie przez gigantyczny obłok czystej pary wodnej. Kiedy jednak wszedł w strefę mgły, zauważył, że jego kurtka i aparat błyskawicznie pokrywają się drobnymi, wilgotnymi kropelkami.

Zaintrygowany tym zjawiskiem, zaczął analizować fizykę tego procesu - wszak para wodna nie powinna zostawiać mokrych śladów w taki sposób. Zrozumiał, że powietrze uległo ochłodzeniu poniżej punktu rosy, a gazowa para zamieniła się w widzialną ciecz.

To doświadczenie uświadomiło mu, że mgła i chmura to dokładnie to samo zjawisko fizyczne, różniące się jedynie wysokością występowania nad poziomem gruntu.