XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физические явления, сопровождающие образование облаков
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Природа – это гигантская физическая лаборатория, которая наглядно демонстрирует различные физические явления. Примером таких атмосферных явлений являются облака. Общие сведения о происхождении облаков, видах облаков школьники получают при изучении предметов естественно-научного цикла, начиная с начальной школы. Но хотелось бы знать больше, например, как образуются облака, почему они не рассеиваются и не падают, какие облака называются грозовыми, как появляются электрические заряды в облаках, что такое молния?
Облака – это взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые с поверхности земли [1 - 3]. Образование облаков происходит в процессе испарения и конденсации воды. Хорошо известен всем «круговорот воды в природе». Одновременно с формированием облаков происходит накопление в них электрических зарядов [2 - 5]. В проекте основное внимание уделено физическим явлениям конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения при формировании облаков.
Цель работы: изучить физические явления конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения при образовании облаков.
Результат работы заключается:
- в создании опытных установок, позволяющих моделировать физические процессы конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения;
- в проведении экспериментальных исследований по изучению явлений конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения.
1. Образование облаков
Процесс испарения воды представляет собой следующее. Молекулы воды находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость движения молекул в воде зависит от температуры воды. Наиболее быстрые молекулы воды, преодолев притяжение со стороны рядом расположенных молекул воды, покидают воду и образуют пар над поверхностью воды. Этот процесс называют испарениемводы.
Испарение – это переход вещества из жидкого состояния в газообразное [1].
Молекулы воды над водной поверхностью сталкиваются друг с другом и с молекулами воздуха. При этом часть молекул пара переходит обратно в жидкость. При данной температуре устанавливается равновесие, которое называют динамическим равновесием, когда число молекул воды, покинувших жидкость за единицу времени, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость [2]. Такое состояние пара называют насыщенным паром. Процесс испарения воды нельзя наблюдать, так как в нём участвуют отдельные молекулы воды, размеры которых очень малы.
Конденсация - это переход вещества из газообразного состояния в жидкое [1].
При понижении температуры воздуха пары воды, находящиеся в воздухе, конденсируются. В результате чего возникают маленькие капельки воды, взвешенные в воздухе, которые образуют туман. Для возникновения тумана необходим не просто насыщенный пар, а перенасыщенный пар. При достижении определённой температуры, которую называют «точкой росы», пар насыщается. При дальнейшем охлаждении он становится перенасыщенным, и образуются очень мелкие капельки воды. Возникновение тумана можно наблюдать ранним утром, когда температура воздуха становится минимальной.
В толковом словаре В. Даля дано определение облака [2]: «Облако – туман в высоте». Как и туман, облако представляет собой взвесь в воздухе мельчайших капелек воды. На туман похожи лишь слоистые облака. Они представляют собой белесые однородные горизонтальные полосы (слои). Толщина слоистого облака порядка 100 – 1000 м, а горизонтальная протяжённость может достигать 100 км [2]. Осадки из слоистых облаков не выпадают.
Другое определение облака, данное в Википедии [3]: «Облака – взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые на небе с поверхности Земли».
Образование облаков происходит в процессе конденсации паров воды. Земная поверхность нагревается за счёт излучения Солнца. Тепло от Земли передаётся воздуху. Возникает конвекция – нагретый воздух вместе с парами воды поднимается вверх. Одновременно с увеличением высоты поднятия происходит охлаждение воздушного потока. При достижении точки росы водяной пар достигает состояния насыщения, и начинается процесс конденсации паров воды. Высота, на которой начинается процесс преобразования пара в капли, является нижней границей образующегося облака или уровнем конденсации. При этом от поверхности земли продолжает поступать нагретый воздух. Он пересекает нижнюю границу облака, и конденсация продолжается на более высоком уровне. Так происходит рост облака в высоту.
Наблюдая облака на небе, возникает вопрос: «Почему небо голубое, а облака белые?». Свет от Солнца (рис. 1) проходит через безвоздушное космическое пространство и попадает в воздушную атмосферу Земли. В состав воздушной атмосферы Земли входят молекулы азота, кислорода, углекислого газа, паров воды и других химических элементов. Воздушная атмосфера это - однородная молекулярная газовая среда, обладающая определённой плотностью. Поэтому, проходя через воздушную атмосферу Земли, белый солнечный свет преломляется. Наибольшее преломление
Рис. 1. Преломление солнечных лучей в атмосфере Земли.
1 – атмосфера Земли; 2 – Земля.
испытывает синий цвет (правый луч), а наименьшее преломление происходит с красным цветом (левый луч). Поэтому мы видим голубое небо.
Облака – это мельчайшие частички воды, взвешенные в воздушной атмосфере. Такая среда, включающая в себя частички воды, не является однородной. Поэтому в ней не происходит преломление света. Капельки воды значительно больше размеров молекул воды и молекул воздуха. Белый свет, поступающий от Солнца, отражается от поверхности капелек воды и продолжает оставаться белым. Поэтому мы видим белые облака на фоне голубого неба.
Существуют различные типы облаков. Полная классификация облаков в проекте не рассматривается. На туман похожи лишь слоистые облака. Кучевые облака – плотные, ярко – белые облака со значительным вертикальным развитием [3]. Высота нижней границы от 800 до 1500 м. Толщина составляет от 1 до 2 километров. Кучевые облака относят к облакам хорошей погоды, и возникают они в холодных воздушных массах.
Кучево-дождевые облака – тёмные серые, иногда чёрные, мощные и плотные облака с сильным вертикальным развитием [3]. Высота достигает нескольких километров, иногда 10 – 15 км. Нижняя граница кучево-дождевых облаков обычно ниже 2000 м. Горизонтальная протяжённость кучево-дождевых облаков составляет 1 – 10 км. Эти облака дают обильные ливневые осадки, иногда с грозами и градом. Кучево-дождевые облака развиваются из мощных кучевых облаков. Нижние уровни кучево-дождевых облаков состоят из капелек воды, на более высоких уровнях, где температура ниже 00 С, преобладают кристаллики льда.
Следующие вопросы, которые возникают, это: «Почему облака не рассеиваются? Почему облака не опускаются вниз?». Любое облако состоит из мелких капелек воды, размеры которых составляют от долей мкм до нескольких мм. Движение капель в вертикальном направлении вниз под действием силы тяжести происходит, но этому препятствуют следующие причины. Во-первых, размер капель воды очень мал, по сравнению с площадью поверхности этих капель. Поэтому при падении вниз под действием силы тяжести капли испытывают сопротивление встречному восходящему воздушному потоку. Во-вторых, если капли воды относительно большие, то под действием силы тяжести они падают вниз, преодолевая сопротивление встречного тёплого воздушного потока. При таком движении падающие капли нагреваются, и происходит процесс испарения молекул воды с поверхности капель. Капли уменьшаются в размерах, вес капель уменьшается, и они увлекаются вверх встречным восходящим потоком воздуха.
Следующая причина, в результате которой капельки воды не падают вниз и не рассеиваются в горизонтальном направлении – это броуновское движение [2]. Английский ботаник Броун открыл явление, которое назвали броуновским движением. Открытие броуновского движения подтверждало факт, что молекулы любого газообразного и жидкого вещества находятся в непрерывном хаотическом движении. Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц. К броуновским частицам относятся и капельки воды, содержащиеся в воздушной атмосфере облаков. Причина броуновского движения заключается в том, что удары молекул по броуновским частицам приводят к хаотическому перемещению частиц. В результате действия теплового движения молекул устанавливается определённое распределение броуновских частиц по высоте. Самые мелкие капельки воды и, соответственно, самые лёгкие капельки располагаются в верхней части облака, а более тяжёлые капельки воды опускаются в нижнюю часть облака.
2. Образование и разрушение грозовых облаков
Грозовая туча образуется в жаркий день, когда воздух у земли сильно нагрет и насыщен водяными парами [2]. На начальном этапе развития грозовой тучи возникают мощные восходящие потоки воздуха. Содержащиеся в них водяные пары, начиная с некоторой высоты, конденсируются. Процесс конденсации паров продолжается при дальнейшем подъёме воздушных масс, что приводит к быстрому росту облака в высоту. По мере подъёма скорость восходящих воздушных потоков внутри тучи возрастает. Одновременно происходит приток с боков тучи более холодного воздуха, окружающего тучу. У поверхности земли возникают горизонтальные потоки тёплого влажного воздуха, которые устремляются внутрь тучи в область пониженного давления, которое возникает благодаря подъёма воздушных масс внутри тучи. Эти восходящие потоки тёплого влажного воздуха приводят к сильному росту грозовой тучи в высоту (рис. 2). Верхняя граница тучи может достигать высоты 10 – 15 км [2]. На таких высотах восходящие потоки затухают. У вершины тучи возникают нисходящие воздушные потоки холодного воздуха к поверхности земли. Такое состояние соответствует созревшей грозовой туче.
Одновременно с формированием грозовой тучи происходит накопление в ней электрических зарядов. Электрические заряды накапливаются в различных типах облаков: слоистых и слоисто-дождевых. В грозовом облаке электрических зарядов накапливается намного больше, чем в других типах облаков [2]. Электрическая природа грозовых явлений была доказана американским учёным и политиком Б. Франклином и русскими учёными М.В. Ломоносовым и Г.И. Рихманом. Бенджамин Франклин первый показал, что молнии это - электрические разряды, переносящие на землю отрицательный заряд [4]. В 1752 году во время грозы Франклин запустил воздушного змея в грозовое облако и обнаружил, что змей собирает электричество. Присоединив шёлковую нить от воздушного змея к лейденской банке, он определил знак заряда. Аналогичные опыты в этот же период времени проводили в России Г.И. Рихман и М.В. Ломоносов. Опыты с извлечением искр из грозовых облаков были очень опасны. В 1753 году при выполнении эксперимента Г.И. Рихман погиб от удара молнии.
Рис. 2. Механизм формирования грозового облака.
Стрелками указаны направления вихревых потоков.
Появление в туче электрических зарядов связано с явлением электризации [2, 5]. В грозовом облаке происходит интенсивное перемешивание огромных масс восходящего тёплого влажного воздуха и нисходящего холодного потоков. В результате вихревого перемешивания огромных воздушно-капельных масс эффективно протекает процесс электризации водяных капель. Капельки воды приобретают отрицательный заряд [5]. Со временем капельки воды, увеличивающиеся в размерах, переносятся в нижнюю часть тучи. В результате верхняя часть грозовой тучи заряжается положительно, а нижняя часть – отрицательно. Одновременно с образованием электрических зарядов в грозовой туче протекают физические процессы, приводящие к их пространственному распределению. Механизм пространственного распределения электрических зарядов в грозовом облаке до сих пор не установлен [2].
Основной этап существования грозовой тучи – это этап её зрелости. Молнии наблюдаются именно в зрелой грозовой туче. Возникновение молнии свидетельствует о том, что в грозовой туче накопились значительные электрические заряды. Для возникновения молнии необходим общий заряд 10 – 100 Кл. Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью. Ещё в 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это электрический разряд. Все последующие исследования подтвердили это. В настоящее время принято считать, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч [2]. Молнии сопровождаются раскатами грома. Гром возникает в результате резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Электрический разряд между грозовой тучей и землёй является завершающим этапом существования грозовой тучи. На начальной стадии электрического разряда образуется канал разряда между тучей и землёй, а затем по сформированному ионизированному каналу проходит импульс основного тока. Разряд молнии представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. За электрическим разрядом – молнией следует интенсивное выпадение осадков. Нейтрализация заряда в грозовой туче происходит как за счёт молнии, так и за счёт выпадения осадков.
3. Физическое моделирование облаков
3.1. Моделирование облака с помощью чайника
Оборудование: чайник с носиком; вода; чёрный экран.
1. Налить воду в чайник так, чтобы уровень воды в чайнике был ниже отверстия входа в носик.
2. Нагреть чайник до кипения воды.
3. Наблюдать выход паров из носика чайника на фоне чёрного экрана.
Результаты наблюдений
Процесс испарения воды происходит при любой температуре. Испарение – это переход вещества из жидкого состояния в газообразное [1]. Процесс испарения происходит тем интенсивнее, чем выше температура жидкости. При достижении температуры кипения температура жидкости остаётся постоянной, пока вся вода не испарится. Пар – это газообразное состояние воды.
Рис. 3. Облачко пара, полученное с помощью чайника.
При истечении пара через носик чайника невидимого газообразного пара происходит охлаждение паров воды и его конденсация. Конденсация – это переход воды из газообразного состояния в жидкое [1]. При конденсации паров воды происходит соединение молекул воды и образование мелких капелек воды, которые можно наблюдать в виде тумана. Процесс конденсации паров воды, истекающих из носика чайника, лучше наблюдать на фоне чёрного экрана.
3.2. Моделирование облака в стеклянной банке [6]
Оборудование: трёхлитровая банка, горячая вода, кубики льда, блюдце, чёрный экран.
1. Налить в трёхлитровую банку горячей воды при температуре 70 – 80 0С на высоту примерно 3 см.
2. Закрыть банку крышкой. Вращательным движением помешать воду, чтобы стенки банки прогрелись.
3. Открыть крышку и поставить на банку блюдце, размером с горлышко банки. Положить в блюдце кубики льда.
4. Наблюдать, как ниже блюдца со льдом появится облачко, которое лучше видно на фоне чёрного экрана.
Результаты наблюдений
После установки блюдца со льдом на горлышке банки внутри банки через некоторое время установится тепловое равновесие. Нижняя часть банки, в которой находится горячая вода, и стенки банки будут горячими. Горлышко банки, на котором расположено блюдце со льдом, и верхняя часть банки будут холодными. Температура таяния льда составляет 0 0С.
Рис. 4. Облачко пара, полученное в стеклянной банке.
Пары воды, поступающие из нижней нагретой части банки, поднимаются вверх и охлаждаются. В результате в верхней части банки вблизи горлышка происходит конденсация паров. Мелкие капли воды формируют облачко в верхней части банки. Процесс образования облачка в банке лучше наблюдать на фоне чёрного экрана.
Приведённое описание соответствует проведению опыта в работе [6].
Этот опыт провели несколько раз (не менее 5 раз), но результаты опытов отличались от результатов опытов, описанных в работе [6]. Банку в пределах 20 минут «тренировали», постепенно увеличивая температуру воды в банке. Начинали с температуры воды 45-50 0С. Затем сливали часть объёма воды из банки и заменяли её на кипяток Т = 100 0С. Таким образом, доводили температуру воды в банке до значения Т = 80 0С. После этого устанавливали на горлышке банки заранее подготовленное блюдце со льдом. Через 3-5 минут стенка банки запотевала. На стенке образовывались капли конденсата, которые стекали вниз. Капли конденсата капали и со дна блюдца со льдом. Видимость внутри банки из-за запотевшей стенки была плохая. Во всех проведённых опытах наблюдать образование облачка тумана внутри банки не удалось.
Пример проведения опыта 1
1. Время t = 0. Температура воды в трёхлитровой банке составляет Т = 80 0С. Высота объёма воды в банке составляет 2,5 – 3 см. Установили блюдце со льдом на горлышке банки.
2. Время t = 5 минут. На стенках банки образуется конденсат в виде капель, которые стекают вниз банки. Капли конденсата капают и со дна блюдца со льдом.
3. Время t = 15 минут. Продолжается то же самое, но интенсивность процессов испарения и конденсации замедляется. Наблюдать образование тумана в верхней части банки не удалось. На протяжении всего опыта видимость внутренней области банки была плохая из-за запотевшей стенки. Опыт завершили.
После проведения описанных опытов 1 ввели изменения в последовательность проведения опытов. Когда готовились к опытам в Интернете, встретилась заметка «Сделать облако в стеклянной банке очень просто». Только после проведения серии неудачных опытов 1 вспомнили о ней. К сожалению, привести ссылку на эту заметку нет возможности. В этой заметке предлагалось после появления в банке конденсата распылить небольшое количество лака для волос и снова закрыть банку блюдцем со льдом. И у нас это тоже получилось.
Пример проведения опыта 2
1. Время t = 0. Температура воды в трёхлитровой банке составляет Т = 80 0С. Высота объёма воды в банке составляет 2,5 – 3 см. Установили блюдце со льдом на горлышке банки.
2. Время t = 5 минут. На стенках банки образуется конденсат в виде капель, которые стекают вниз банки. Капли конденсата капают и со дна блюдца со льдом.
В этот момент времени ( t = 5 минут ) быстро сняли блюдце со льдом и распылили в банке небольшое количество дезодоранта. Затем быстро вернули блюдце на банку. Сразу же в верхней части банки образовалось облачко в виде достаточно плотного тумана, которое стало распространяться в нижнюю область банки.
3. Время t = 8 минут. Облачко тумана распространилось по всему объёму банки, не занятому водой. В процессе образования и опускания тумана в нижнюю часть банки, конденсация паров на стенке банки прекратилась. Стенка банки практически очистилась от конденсата и стала прозрачной.
4. Время t = 12 минут. Туман занял весь объём банки и стал рассеиваться. На стенке банки опять стали образовываться капли конденсата, которые медленно стекали вниз. Интенсивность протекания процессов испарения и конденсации значительно уменьшилась.
5. Время t = 15 минут. Туман полностью рассеялся. Процессы испарения и конденсации продолжались, но интенсивность их значительно уменьшилась. Сняли блюдце со льдом и измерили температуру воды в банке Т = 53 0С.
Опыт завершили.
Выводы.
В первом опыте конденсация паров воды происходит на твёрдых поверхностях стенки стеклянной банки и дне блюдца со льдом. Конденсация внутри объёма банки не происходит, так как отсутствуют центры конденсации внутри объёма банки. Если конденсация внутри объёма банки происходит, то доля её незначительна, и поэтому образование тумана в банке в первом опыте не наблюдалось.
Во втором опыте после распыления в банке небольшого количества мелких капель дезодоранта в верхней части банки образовалось достаточно плотное и хорошо видимое облачко тумана, которое медленно стало распространяться в нижнюю часть банки. В этом случае очень мелкие капли дезодоранта стали центрами конденсации паров непосредственно в объёме банки. Конденсация на стенке банки прекратилась. После медленного смещения центров конденсации вниз банки, конденсация паров внутри объёма банки прекратилась. Пары опять начали конденсироваться на стенке банки. Процессы испарения и конденсации стали менее интенсивными, так как температура воды в банке значительно понизилась.
3.3. Моделирование процесса электризации облаков
Оборудование: ёмкость с распылителем для воды; металлическая ёмкость для сбора распылённой жидкости; электроскоп; металлический стержень с изолированной ручкой; эбонитовая палочка; шерсть; гильза на штативе.
Процессы испарения и конденсации воды рассмотрены в опытах 3.1 и 3.2. Одновременно с формированием облаков, то есть с образованием в них водяных капелек, происходит образование и накопление в них электрических зарядов [2]. Появление в облаке электрических зарядов связано с явлением электризации. В результате перемешивания воздушно-капельных масс протекает электризация капелек воды. Капельки воды приобретают отрицательный заряд [5]. Со временем капельки воды увеличиваются в размерах и переносятся в нижнюю часть облака (рис. 2).
Процесс перемешивания воздушно-капельных масс моделировали с помощью ёмкости с распылителем для воды (рис. 5). Носик распылителя 1 направлен так, чтобы струя капелек воды 2 была направлена вертикально вниз. Внизу располагалась металлическая ёмкость 3 для сбора капелек воды. Металлическая ёмкость 3 располагалась на электроизолирующем основании 4.
Рис. 5. Моделирование процесса электризации
капелек воды.
1 – носик распылителя; 2 – струя капелек воды; 3 металлическая ёмкость;
4 – электроизолирующее основание.
В результате интенсивного перемешивания капелек воды с атмосферным воздухом протекает процесс электризации капель воды. Капли воды, несущие электрический заряд, накапливаются в металлической ёмкости 3. Соответственно происходит накопление заряда на поверхности металлической ёмкости.
Пример проведения опыта 3.3
Оборудование: ёмкость с распылителем для воды; металлическая ёмкость для сбора распылённой жидкости; эбонитовая и стеклянная палочки; шерсть и шёлк; гильза на штативе.
1. После распыления с помощью распылителя воды, объём которой составляет 30 – 50 мл, на стенках металлической ёмкости появляется электрический заряд.
2. Заряд с металлической ёмкости на гильзу переносился при непосредственном касании гильзой металлической ёмкости.
3. Определение знака заряда на металлической ёмкости производилось с помощью эбонитовой и стеклянной палочек.
3.1. После переноса заряда с металлической ёмкости на гильзу, к гильзе подносили эбонитовую палочку, имеющую отрицательный заряд после натирания её с помощью шерсти. При приближении эбонитовой палочки гильза отклонялась. Следовательно, заряд на гильзе был отрицательный.
3.2. Затем к гильзе подносили стеклянную палочку, имеющую положительный заряд после натирания её с помощью шёлка. При приближении стеклянной палочки гильза притягивалась к стеклянной палочке. Следовательно, заряд на гильзе был отрицательный.
Опыт 3.3 проводили много раз, но капельки воды неизменно приобретали при распылении отрицательный заряд и передавали этот заряд металлической ёмкости.
Выводы
В проектной работе исследовались физические явления конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения при образовании облаков. В результате проведённых исследований было проведено моделирование физических процессов конденсации паров воды и электризации капелек воды в процессе их движения. Проведённое моделирование образования капель конденсата в банке свидетельствует о необходимости наличия центров конденсации. Центрами конденсации могут служить поверхности твёрдых частиц или заряженных частиц. Такими заряженными частицами могут быть мельчайшие заряженные капли воды, образующиеся при перемещении водяных паров и восходящих воздушных потоках.
Литература
1. Гуревич А.Е. Введение в естественно-научные предметы. Естествознание. Физика. Химия: 5-6 классы: учебник.-М.: Просвещение, 2022.-191 с.
2. Тарасов А.В. Физика в природе. Книга для учащихся. - М.: Просвещение, 1988.- 351 с.
3. Википедия. Облака. htth://ru.wikipedia.
4. Томилин А.Н. Мир электричества.-М.: Дрофа, 2008.-302 с.
5. Богданов К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов //Наука и жизнь.-2007.- № 2.-С. 19-32.
6. Белько Е. Весёлые научные опыты для детей. - Санкт-Петербург: Питер, 2015.- 64 с.