Если коротко: туман — это облако, которое образовалось прямо у земли. Воздуху не нужно для этого «набирать» воду: достаточно остыть до точки росы, и невидимый пар начинает оседать крошечными каплями на пылинках и кристалликах соли. Чаще всего так случается ясной безветренной ночью, когда земля отдаёт тепло в открытое небо. Осенью для этого всё совпадает: ночи длинные, почва сырая после дождей, реки и озёра ещё тёплые. А самый холодный момент суток — около рассвета, поэтому туман и встречает нас по утрам, а к полудню солнце его «съедает».
Привет, это канал «Обо всём». В конце октября по утрам многие выходят из дома в молоко: соседний дом пропал, фонари светятся мутными шарами, а к обеду от всего этого не остаётся и следа. Давайте разберёмся, откуда берётся туман, почему он так любит осень и раннее утро — и почему дальний свет фар в нём не помогает, а мешает.
Туман — это облако, которое не стало подниматься
Начнём с определения. Международный атлас облаков Всемирной метеорологической организации называет туманом взвесь микроскопических капель воды, которая снижает горизонтальную видимость у земной поверхности до значения меньше 1 километра. Если капли есть, но видно дальше километра, это уже не туман, а дымка (в английском — mist), по сути «лёгкий туман».
Получается, туман определяют не по виду, а по цифре: метеоролог буквально измеряет, на сколько далеко видно. И по составу это то же самое, что облако в небе: не пар, а жидкая вода, раздробленная на бесчисленные капельки. Почему такие капли не падают, а часами висят в воздухе, мы подробно разбирали в статье про облака — у тумана та же физика, только облако лежит на земле.
Отсюда первый миф, который стоит выбросить: туман «не поднимается из земли» и не «выдыхается» рекой. Пар, который испаряется с земли и воды, невидим. Туман появляется там, где этот пар обратно превратился в жидкость. Вопрос только в том, что заставило его это сделать.
Точка росы: на этот раз остывает весь воздух
У нас уже есть два разбора про запотевшие окна — в квартире и в машине. Там механизм локальный: тёплый воздух касается холодного стекла, и вода выпадает на поверхности. Туман устроен похоже, но с важным отличием: здесь до точки росы остывает не одна поверхность, а целый слой воздуха толщиной в метры или десятки метров. И вода выпадает не на стекло, а прямо в объёме — на всём, за что может «зацепиться».
Принцип всё тот же: сколько пара воздух способен удержать, зависит от температуры, и зависимость очень крутая. При +20 °C в кубометре воздуха может быть до 17 граммов водяного пара, при +10 °C — около 9, при 0 °C — меньше 5. Каждые десять градусов похолодания примерно вдвое урезают «вместимость». Возьмём влажный осенний вечер: +12 °C и 70% относительной влажности. Точка росы для такого воздуха — около +7 °C. Значит, если за ночь он остынет на пять градусов и при этом не высохнет, к утру он окажется насыщен, и лишняя вода начнёт выпадать.
Почему капле нужна пылинка
Вот тут начинается самое интересное. Чтобы молекулы пара собрались в каплю «с нуля», в чистом воздухе им пришлось бы преодолеть сильное поверхностное натяжение: крошечная капля очень выпуклая и испаряется быстрее, чем растёт. На этом построена камера Вильсона — классический прибор физиков: в очищенном от пыли воздухе пар можно держать пересыщенным, и капли появляются только там, где пролетела заряженная частица.
В реальной атмосфере такого не бывает: воздух полон ядер конденсации — частичек морской соли, сульфатов, сажи, пыльцы, дыма. Особенно ценны частицы, которые притягивают воду (гигроскопичные): капля на них начинает расти ещё до того, как влажность дойдёт до 100%. Поэтому в городе и у промышленных зон туман плотнее: по наблюдениям британской метеослужбы Met Office, самые густые туманы бывают именно в промышленных районах, где в воздухе больше частиц загрязнения.
Почему именно осенью и именно утром
Самый частый туман в наших широтах — радиационный. По описанию ВМО, он образуется, когда земная поверхность остывает излучением, обычно ночью, и охлаждает прилегающий к ней воздух до насыщения. Слово «радиационный» пугает, но к радиации в бытовом смысле отношения не имеет: речь о тепловом излучении, которым земля ночью отдаёт тепло в космос.
Теперь посмотрим, что нужно этому туману, — и окажется, что осень даёт всё сразу.
Ясное небо. Облака работают как одеяло: они возвращают часть тепла обратно к земле. Под ясным небом земля остывает гораздо быстрее, а вместе с ней и нижний слой воздуха. Именно поэтому самые холодные осенние ночи — звёздные.
Штиль или слабый ветер. Ветер перемешивает остывший нижний слой с более тёплым воздухом сверху и не даёт ему дойти до точки росы. Слабое движение воздуха немного помогает — туман растёт в толщину, а сильный ветер его просто не допускает.
Длинная ночь. В конце октября ночь в средней полосе длится больше 14 часов, а в июне — около семи. Значит, у земли вдвое больше времени, чтобы остывать, а у воздуха — чтобы опуститься до точки росы.
Влажная земля и тёплая вода. После осенних дождей почва сырая, а днём она ещё неплохо прогревается и отдаёт влагу. Реки и озёра за лето накопили тепло и остывают медленнее воздуха. Получается, что воздух у земли осенью одновременно и холоднее по ночам, и влажнее, чем летом. Точка росы оказывается совсем рядом.
А почему утро? Температура воздуха минимальна не в полночь, а около восхода солнца: всю ночь земля только теряла тепло и ещё ничего не получила. Поэтому туман, начавшись за полночь, к рассвету становится самым густым. И стекает он в низины: холодный воздух тяжелее, ночью он сползает в овраги, поймы рек и долины, где туман часто лежит, хотя на пригорке рядом ясно.
Туман над рекой и туман-путешественник
Вечером над рекой туман нередко появляется раньше, чем в поле. Это другой механизм — туман испарения. Его называют ещё «парением»: вода тёплая, воздух над ней холодный. Тёплая вода испаряется, пар поднимается в холодный слой и сразу же конденсируется. Картина похожа на пар над чашкой чая, только в масштабе реки. ВМО так и описывает туман испарения: холодный устойчивый воздух проходит над гораздо более тёплой водой, и испарение насыщает его. Осенью этот контраст максимальный: вода ещё помнит лето, а воздух уже ночует при +3.
Есть и третий вариант — адвективный туман, «приезжий». Тёплый влажный воздух приходит с ветром на холодную поверхность: на холодное море, на промёрзшую или заснеженную землю. Он остывает снизу, от контакта, и насыщается. Такой туман не привязан к ночи: он может стоять и днём, пока не сменится ветер или воздушная масса. Типичный пример — зимние оттепели, когда влажный атлантический воздух ползёт по снегу и всё тонет в серой мгле.
Почему к полудню туман «съедается»
Утренний туман исчезает не потому, что «солнце его сдувает». Солнечный свет частично проходит сквозь туман и греет землю. Земля, в свою очередь, греет нижний слой воздуха. А тёплый воздух снова может удержать больше пара — капли начинают испаряться, и туман редеет снизу. Часто он сначала «отрывается» от земли и на какое-то время превращается в низкую облачность, а потом и она рассеивается.
Met Office описывает это коротко: радиационный туман обычно рассеивается вскоре после восхода солнца, когда земля прогревается. Но осенью солнце низкое и греет слабо, поэтому туман может продержаться до обеда. А в долинах, где холодный воздух заперт рельефом, а сверху лежит тёплый слой (инверсия), туман в тихую погоду может стоять и несколько дней подряд. Адвективный туман от солнца вообще почти не зависит: его снимает только смена ветра.
Туман, дымка, мгла и смог: в чём разница
В быту всё это зовут туманом, хотя явления разные. Метеорология разделяет их чётко:
Явление → Из чего состоит → Видимость
Туман → капли воды → меньше 1 км
Дымка → капли воды, но реже → 1 км и больше
Мгла → сухие частицы: пыль, дым, гарь → может быть любой
Смог → туман плюс сильное загрязнение воздуха → обычно плохая
Самое неожиданное здесь — мгла. Это вообще не вода, а сухие частицы, которые придают воздуху молочный оттенок. Отличить её можно по цвету: в мгле далёкие огни кажутся желтоватыми, а тёмные предметы — синеватыми. Настоящий туман белый и сырой — его, как отмечает тот же атлас ВМО, буквально чувствуешь кожей. Смог — гибрид: туман, в каплях которого растворяются загрязнения и идут химические реакции. Само слово составлено из английских smoke и fog.
Почему туман белый, а дальний свет в нём слепит
Небо голубое, потому что молекулы воздуха намного меньше длины волны света и рассеивают синий сильнее красного. С каплями тумана всё наоборот. Их размер — единицы и десятки микрометров, то есть в десятки раз больше длины волны видимого света (0,4–0,7 мкм). Для таких частиц работает рассеяние Ми, и оно почти не различает цвета: все лучи отражаются одинаково. Белый свет на входе — белый на выходе. Поэтому туман белый, а облака — белые или серые, но никогда не голубые.
Вторая особенность: капля не пропускает свет насквозь ровным лучом, а разбрасывает его. Больше всего — вперёд, но заметная доля уходит в стороны и назад, к тому, кто светит. Теперь представьте машину в тумане. Фары направляют поток прямо в белую взвесь, каждая капля отправляет часть света обратно, и водитель видит перед собой светящуюся стену. Дальний свет бьёт выше и дальше — он освещает больше тумана на уровне глаз, и «стена» становится ярче. Дорогу вы от этого лучше не видите: вы видите собственный свет.
Отсюда понятно, почему противотуманные фары ставят низко и делают луч широким и плоским. Свет идёт по самой дороге и обочине, а не в толщу тумана на уровне глаз, и между лампой и глазами водителя большое расстояние — меньше рассеянного назад света попадает прямо в глаза. Метеослужба США в своей памятке для водителей говорит то же самое прямо: ехать с ближним светом, включить противотуманные фары, если они есть, и никогда не включать дальний — он создаёт блики и мешает видеть дорогу.
С правилами в России тоже всё сходится. По пункту 19.4 ПДД противотуманные фары можно использовать в условиях недостаточной видимости вместе с ближним или дальним светом, в тёмное время на неосвещённой дороге, а днём — вместо ближнего света. Закон не запрещает дальний в тумане, это просто бесполезно. «Недостаточная видимость» в ПДД — это видимость дороги меньше 300 метров (пункт 1.2), а задние противотуманные фонари по пункту 19.7 включают только в таких условиях: в ясную ночь их яркий красный свет слепит едущих сзади.
Коротко
— Туман — это облако у земли: капли воды, из-за которых видимость падает ниже 1 км. Если видно дальше — это дымка.
— Появляется он, когда весь слой воздуха остывает до точки росы, а пару есть на чём сесть — на пылинки, соль, сажу. Поэтому в загрязнённом воздухе туман гуще.
— Осень — главный сезон: длинные ясные ночи, штиль, сырая земля и ещё тёплые водоёмы.
— Самый холодный момент суток — около рассвета, поэтому туман гуще всего утром и стекает в низины.
— Над рекой туман образуется от испарения тёплой воды в холодный воздух, а адвективный туман приносит ветер, и от солнца он почти не зависит.
— Капли тумана рассеивают все цвета одинаково и отражают свет фар назад. В тумане — ближний свет и противотуманные фары, дальний только ослепит.
Пока нет комментариев