V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Туман и облака. Удивительные явления природы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человека всегда привлекало небо. Какое разнообразие постоянно сменяющихся картин! Причудливые формы облаков вызывают различные образы. Эти образы помогают довольно легко определить какая подога на улице. Иногда беглый взгляд на небо может дать больше информации, чем подробный прогноз погоды. Над головой будет или беспредельная голубизна или черные грозовые тучи, ясно говорящие о надвигающемся ненастье.
На небе никогда не бывает совершенно одинаковых "картинок", кроме тех случаев, когда оно чисто и безоблачно: внешний вид облаков, их различия зависят от того, в каких условиях и как они образовались.
Актуальность:
Облака образуются из воды, испарившейся с суши и из океанов, которая возвращается назад в виде дождя и снега. Без осадков не было бы озер, рек, а соответственно и пресной воды, поскольку при испарении вода очищается - все растворенные в ней вещества остаются на поверхности океана или суши, и в атмосферу поступает только чистый водяной пар. Кроме того, дожди и снег очищают загрязненный воздух, вымывая из него примеси, что особенно важно в больший городах.
Для климата очень важно то, что при образовании облаков выделяется очень большое количество энергии. Например, для того, чтобы испарить 1 литр воды необходимо затратить 2,5 млн.Дж (этого количества воды достаточно чтобы нагреть от 0 до 100С 6 литров воды. При конденсации водяного пара, такое же количество энергии снова выделяется в окружающий воздух, нагревая его. Одно кучево-дождевое облако, имея огромную массу, за час выделяет больше тепла, чем ядерный взрыв средней мощности! Однако влага испаряется внизу, на поверхности земли, а конденсируется на больших высотах, поэтому облака выполняют очень важную работу, перенося излишек тепла снизу вверх.
Облака и туманы препятствуют нормальной работе всех видов транспорта (особенно авиации), поэтому их прогноз имеет большое народно-хозяйственное значение.
Искусственное создание облаков и туманов используется при научных исследованиях, в химической промышленности, теплотехнике и других областях.
Гипотеза:
Облака и туман состоят из воды.
Цель:
Узнать, что такое туман и облака.
Задачи:
Дать определение понятию тумана и облаков;
Установить физические процессы образования тумана и облаков;
Понаблюдать разновидности тумана и облаков, сделать их классификацию;
Провести практические опыты.
ХАРАКТЕРИСТИКА ТУМАНА И ОБЛАКОВ
Испарение – это переход воды из жидкого состояния в газообразное.
Испарения над определенным участком земной поверхности будет продолжаться, пока воздух достигнет состояния насыщения водяным паром. Этот процесс зависит от температуры: чем она выше, тем больше водяного пара может вместить в себе каждый кубический метр воздуха.
Влажность воздуха – мера, которая указывает на содержание водяного пара в воздухе.
Абсолютная влажность – количество водяного пара, содержащегося в воздухе в данный момент времени при данной температуре.
Относительная влажность – это степень насыщения воздуха водяным паром.
Когда воздух становится пеpeнacыщенным, водяной пар переходит в жидкое или твердое состояние. Вследствие сгущения водяного пара в приземных слоях воздуха образуются туманы, а на определенной высоте от поверхности Земли – облака.
Туман образуются, когда ночью земная поверхность и нижний, прилегающий к ней слой воздуха, охлаждается. Водяной пар, содержащийся в нем, сгущается. Такие приземные туманы образуются и над сушей и над водной поверхностью.
Облака образуются, когда водяной пар переходит в жидкое или твердое агрегатное состояние на значительной высоте над Землей. Основными компонентами облаков является капельки воды и кристаллики льда. В зависимости от преобладания тех или иных облака бывают водяные, ледяные и смешанные.
Рассмотрим вышеуказанные явления природы отдельно.
Облако - светло-серые клубы, волнистые слои в небе, скопление сгустившихся в атмосфере водяных капель и ледяных кристаллов. Такое определение дает толковый словарь С.И. Ожегова.
Облако - скопление в атмосфере водяных паров или ледяных кристаллов в виде массы плотного тумана. Такое определение дает большой толковый словарь русского языка.
Облако – скопление крошечных капелек воды и кристаликов льда, поднятых в небо нагретым воздухом.
Рождение облака. Все разнообразие облаков существует благодаря одному и тому же процессу – конденсации невидимых глазу газообразных частиц воды (водяного пара) в атмосфере. В отличие от других газов водяной пар при понижении температуры может переходить в жидкое состояние (тогда он превратится в мельчайшие капельки воды) или в твердое (в таком случае из пара образуются снежинки или кристаллики льда). Этот процесс называется конденсацией.
А почему же в атмосфере образуются облака? Известно, что в сосуд можно налить лишь столько воды, сколько в него поместиться, а излишек будет выливаться через край. Аналогично и в воздухе может находиться лишь ограниченное количество водяного пара, а его избыток должен удалиться, т.е. сконденсироваться. Чем холоднее воздух, тем меньше водяного пара он содержит; поэтому если в воздух с большим количеством водяного пара охладить, то часть пара окажется лишней.
Но одного охлаждения воздуха недостаточно. Необходимо чтобы в нем были какие-нибудь твердые частицы, которые послужат ядрами конденсации. Ими могут быть пылинки, песчинки, кристаллики соли из брызг морской воды, снежинки. В природе идеально чистого воздуха не бывает, на этих частицах и начинает скапливаться влага, это подобно тому, как из перенасыщенного раствора соли выпадают кристаллы и налипают на опущенную туда нитку. Не случайно над большими городами, где в воздух выбрасывается много разнообразных примесей, облаков обычно всегда бывает больше, чем вдали от них.
Облака находятся в состоянии постоянного движения, хотя и могут казаться в некоторых случаях неподвижными. Прежде всего, облака благодаря весу слагающих элементов должны опускаться вниз. Однако чаще облака увлекаются потоками воздуха вверх, вниз и в стороны. При этом они переходят в иные условия влажности и температуры, что сейчас же сказывается на изменении их строения и формы.
Облака – источник влаги. Облака образуются из воды, испарившейся с суши и из океанов, которая возвращается назад в виде дождя и снега. Так замыкается водоворот воды в природе. Без осадков не было бы озер, рек, а соответственно и пресной воды, поскольку при испарении вода очищается – все растворенные в ней вещества остаются на поверхности океана или суши, и в атмосферу поступает только чистый водяной пар.
Кроме того, дожди и снег очищают загрязненный воздух, вымывая из него примеси, что особенно важно в больший городах.
Рис.1. Круговорот воды в природе
А что же такое туман? Туман — это те же облака, только находящиеся вблизи поверхности земли.
Из Википедии я узнала, что туман – это атмосферное явление, скопление воды в воздухе, образованное мельчайшими частичками водяного пара (при температуре воздуха выше минус 10 °C — капельки воды, при от минус 10 до минус 15 °C — смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже минус 15 °C — кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей).
Толковой словарь С.И. Ожегова дает два определения слову туман:
1. Туман - непрозрачный воздух, насыщенный водяными парами или ледяными кристалликами.
2. Туман - пелена пыли (или дыма, пара, копоти), делающая воздух непрозрачным, мгла.
Слово «туман» употребляется людьми в переносном значении. Иногда говорят фразу «туманные мысли», то есть не совсем понятные, смешанные или «туману напустить», то есть намеренно сделать что-то неясным, непонятным.
Туман - скопление мельчайших капелек воды, которые образовались из невидимого водяного пара в холодном воздухе. В основном он возникает от соприкосновения холодного и теплого воздуха.
В результате прохладный воздух опускается на землю или воду, которая еще сохраняет тепло, происходит конденсат, и множество водяных капелек висят в воздухе.
Получается, будто огромное облако висит прямо над землей или водоемом. В месте, где образовался туман, влажность воздуха составляет 100%.
Туманы бывают в любое время года, но чаще всего они случаются в конце лета или осенью, когда охлаждение воздуха происходит быстрее, чем остывает земля.
Почему исчезают туманы? Продолжительность этого явления различная и может составлять от получаса до нескольких суток (особенно во время холодов или при столкновении тёплых и холодных воздушных и водных потоков, например, туман над рекой). Основной причиной того, почему любой туман рассеивается, является прогревание воздуха. Поскольку пелена образуется возле поверхности, после того, как солнечные лучи её прогревают, нагревается и воздух, вследствие чего капли испаряются и превращаются в пар. Чем выше над земной поверхностью, тем туман рассеивается слабее, так как в верхних слоях атмосферы температура воздуха снова начинает понижаться, пар преобразовывается в водяные капли и формирует облака.
При тумане необходимо соблюдать меры безопасности при движении.
По данным мировой статистики из всех аварий, случившихся в тумане, около 77% составили столкновения с движущимся впереди автомобилем. При этом выяснилось следующее: большинство водителей добросовестно старались выдерживать безопасное расстояние между машинами, не догадываясь о том, что человеческому глазу все предметы в тумане представляются, примерно, в два раза отдаленными, чем в действительности.
Во время таких погодных условий водителям следует снизить скорость, включить подфарники или противотуманные фонари и постараться обойтись без обгонов, а самое главное — увеличить интервалы.
Однако, многие водители и пешеходы не воспринимают туман, как опасность, поэтому при передвижении в тумане всем участникам движения необходимо быть предельно внимательными на дороге и строго соблюдать Правила дорожного движения.
Неожиданным для меня оказалось то, что туманы могут быть очень полезны людям.
Туманы используют в сельском хозяйстве, чтобы спасти посевы, защитить их от холода. Как только передадут по радио, что ожидаются заморозки, на полях и в садах люди начинают разжигать костры. Вокруг дымовых частиц собираются капельки воды, и образуется туман. Он, как тёплое покрывало, защищает посевы от холода.
Самое большое количество туманных дней на уровне моря — в среднем более 120 в году - наблюдается на канадском острове Ньюфаундленде в Атлантическом океане.
В России лидером по частоте накрытия туманами является Дальний восток — Сахалин, Курилы, Камчатка, побережье Хабаровского и Приморского краев. В тёплое время года туманы приходят с моря и могут стоять по несколько суток подряд.
Среднегодовое число дней в городах Удмурткой Республики составляет приблизительно 30 дней.
Чем похожи и отличаются облака от тумана?
1. Туман и облака относятся к явлениям природы. Имеют сходство. Облака и туман образуются из капелек воды. Чем мельче капельки, тем плотнее видится образование. Капельки воды поднимаются высоко вверх, и это образование называется облаком. Если воздушные массы поднимут капельки высоко в небе, то мы увидим облака. Но при одном условии. Капельки воды поднимаются с потоком теплого воздуха, если к ним прилепились частички пыли, соли или дыма. Это называется конденсирующие частички.
2. Облака и туман образуются конденсацией водяного пара, то есть туман - облако у поверхности земли, а облако - это туман высоко в атмосфере. И облака и туман состоят из капелек воды, но еще одним отличием облаков от тумана будет то, что в облаке могут круглогодично находиться и кристаллики льда, ведь на высоте температура воздуха может быть очень низкой. А в тумане кристаллики льда могут образовываться только в зимний период года. Также можно назвать различием то, что облака могут пролиться дождем или градом, а вот туман нет. Хотя иногда встречается такие густые туманы, что попав в него можно очень быстро промокнуть. В таких туманах масса капель может составлять 8 грамм на кубический метр.
Рис.2 Явления природы: туман и облака
КЛАССИФИКАЦИЯ ТУМАНОВ И ОБЛАКОВ
Виды туманов.
Различают различные виды тумана:
• Дымка – самый слабый вид тумана.
фото 1
• Поземный туман - туман, стелющийся над землей или водоемом тонким слоем.
Этот туман не оказывает большого влияния на видимость.
фото 2
• Просвечивающий туман.
Через такой туман видны солнце и облака. Чаще наблюдается вечером, ночью и утром, но может наблюдаться и днём, особенно в холодное полугодие при повышении температуры воздуха. Отдельно отмечается просвечивающий ледяной туман — наблюдаемый при температуре воздуха ниже − 10−15° и состоящий из кристалликов льда, сверкающих в солнечных лучах или в свете луны и фонарей.
фото 3
• Сплошной туман, когда белесое облако окутывает землю, через которое невозможно рассмотреть буквально ничего на расстоянии вытянутой руки. При таком тумане становится невозможным движение на транспорте.
фото 4
• Смог – это искусственный туман, состоящий из пыли, дыма, выхлопных газов, химических веществ, других продуктов горения. Смог - одна из важнейших проблем современных городов, так как он наносит непоправимый вред здоровью человека и загрязняет окружающую среду.
фото 5
Смог, безусловно, наносит вред дыхательной и сердечно-сосудистой системам человеческого организма, а также негативно воздействует на всю окружающую среду – растения, животных и даже здания и сооружения в городе.
Виды облаков.
Первая классификация облаков была разработана в 1803г. Люком Говардом в Англии. В дальнейшем она уточнялась и дополнялась. В 1929-1932гг. Международной облачной комиссией при участии советских метеорологов В.В.Кузнецова, П.А.Молчанова и других эта классификация была существенно переработана. В основу новой классификации был положен морфологический признак, т.е. внешний вид облаков.
Облака бывают самых разных форм и размеров, но все они состоят из миллиардов крошечных капелек воды и кристалликов льда.
Существуют три основные формы облаков:
кучевые;
слоистые;
перистые.
Кучевые облака – это «классические», похожие на вату облака, медленно плывущие на высоте от 800 до 1500м над землёй. Они образуются из тёплых восходящих потоков воздуха. Чаще всего такие облака имеют ярко-белый цвет, но могут стать и тёмными, когда за них заходит солнце.
фото 6
Слоистые облака – это широкие слои низкой облачности, которые, словно одеяло, покрывают небо в безветренные пасмурные дни. Эти облака расположены на высоте 3-5 километров и состоят они из больших масс мельчайших капелек воды. Высокослоистые облака очень часто застилают небо сплошной серой вуалью, через которую с трудом пробивается солнечный и лунный свет.
фото 7
Перистые облака – тонкие ледяные облака, которые формируются высоко в небе, как правило, на высоте более 6 км. Перистые облака очень похожи на перья и волокна.
фото 8
Некоторые облака представляют собой сочетание двух типов облаков, например:
слоисто – кучевые. Такие облака не всегда приносят с собой осадки. Образуются они, когда холодный воздух приходит на смену теплому. При этом влага не выделяется, а наоборот поглощается. И дождей не наблюдается. Они имеют преимущественно серую расцветку и представлены в виде крупных волн и гряд, между которыми есть небольшие просветы. Имеют среднюю ширину — 200-800 метров.
перисто – слоистые. Эти облака состоят из кристаликов льда. Их очень легко узнать: они представляют собой однородную белесую пелену, заволакивающую небо. Появляются они обычно почти сразу после перистых собратьев. Появление таких облаков сулит скорое изменение погоды. За ними следуют дожди и грозы.
перисто – кучевые. Из таких облаков мы никогда не увидим осадков. Интересно при этом, что при появлении таких облако можно смело сказать – через несколько часов возможна гроза с ливнем, а иногда и шторм.
и другие разновидности облаков.
Облака, в которых содержится столько воды, что они заслоняют собой солнечный свет и приобретают серый оттенок, называют дождевыми, потому, что обычно они приносят дожди.
Самые большие из дождевых облаков именуются кучево – дождевыми. Их иногда ещё называют грозовыми облаками, потому, что они приносят сильный дождь с громом и молнией. Эти облака могут достигать нескольких километров в высоту.
Если понаблюдать за облаками на небе, то можно легко прогнозировать погоду. За облаками я наблюдала две недели.
Из этих наблюдений я сделала вывод:
- Кучевые пушистые белые облака – к хорошей погоде.
- Слоистые облака - пасмурно, снег.
- Низкие слоистые облака серого оттенка приносят снег, на улице достаточно холодно.
- Высококучевые облака – к перемене погоды.
- Перистые облака очень лёгкие и тонкие и являются признаком тёплой, солнечной погоды.
3. ОБРАЗОВАНИЕ ТУМАНА И ОБЛАКОВ (ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ)
Исследуем как образуется туман (облака) с помощью проведения опытов.
Теплый воздух всегда устремляется вверх. Пробую доказать это при помощи проведения опыта №1.
Итак, в чайник наливаю воду и довожу ее до кипения. Затем к носику чайника подношу стеклянный стакан и керамическую тарелку, перевернув их. На стакане и на тарелке появились капельки воды, которые постепенно увеличивались и падали вниз.
фото 9
Вывод. Вода при нагревании до кипения превращается в пар. Он легче воздуха и устремляется вверх. Поднявшийся воздух охлаждается, а пар превращается в капли воды.
Опыт №2. Образование облака.
В банку наливаем горячую воду. В пластиковую посуду положим несколько кубиков льда и поставим на банку с горячей водой.
фото 10
В банке над водой образовалось облачко, а по стеклу стекают капли воды.
Вывод: Воздух внутри банки поднимается вверх и охлаждается, а водяной пар концентрируется, образуя облако. Облако – это остывший пар.
Опыт №3. Влияние температуры воздуха на изменение количества водяного пара в нем.
В чайнике доводим до кипения воду и выносим его на балкон. Затем открываем крышку чайника и наблюдаем. Клубы пара выходят из чайника.
фото 11
Это и есть туман.
Также я обратила внимание, что стекла на балконе «запотели» и через некоторое время покрылись маленькими капельками, которые стремительно устремились вниз.
При изменении температуры воздуха изменяется количество водяного пара в нем. Чем морознее день, тем плотнее будет туман.
Опыт №4. Образование тумана при помощи взаимодействия пара и частичек сажи.
Трехлитровую банку немного смочим водой. Оденем на неё перчатку, чтобы она плотно обтянула горлышко и оказалась внутри банки. Затем достаем пальцы перчатки, при этом плотно держим горлышко крышки, чтоб перчатка не слезла с него. Приоткроем один край перчатки и кинем в банку горящую спичку, так, чтобы она там немного прогорела. Затем снова опустим пальцы перчатки в банку. Через некоторое время достаем перчатку. Чувствуем сопротивление, а в банке наблюдаем образование тумана (облака).
фото 12
Вывод. Внутри банки находятся молекулы испаряющейся теплой воды. Воздух сжимается перчаткой, так как она занимает некоторое место в банке. Вытягивая пальцы перчатки наружу, освобождается немного места внутри банки. Воздух внутри банки остывает. Дым от погасшей спички запускает механизм соединения молекул. Они присоединяются к частичкам дыма, конденсируясь в виде облака.
Когда я опускаю пальцы перчатки обратно внутрь банки, воздух внутри банки согревается, и облако исчезает.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я собрала научные сведения о понятии и классификации тумана и облаков. В результате чего я узнала, что туман и облака – это очень схожие явления природы. Возникают они по одному принципу. Необходимым условием при этом является охлаждение воздуха. В результате чего с водяными парами, содержащимися в воздухе, происходят преобразования – пары складываются в более крупные капли или кристаллизуются.
Однако отличие тумана от облаков заключается в той высоте, на которой происходят все эти процессы. Туман появляется при охлаждении слоев воздуха у самой поверхности Земли. Он часто стелется, к примеру, в низинах или над водоемами. Облака формируются высоко в небе, где остужаются воздушные потоки, движущиеся от земной поверхности вверх.
Но, несмотря на сходство тумана и облаков, между ними все же есть различия. Кристаллики льда, поблескивающие на солнце или в свете ночных фонарей, могут образовываться в тумане только зимой. А те же кристаллики в облаках способны находиться круглогодично, ведь даже летом температура воздуха в слоях атмосферы, отдаленных от поверхности Земли, очень низкая. Вдобавок ко всему дождь или снег может пойти только из облака, но никак не из тумана.
Эти природные явления играют большую роль в нашей жизни. От облаков зависит изменение климата. Дождь, снег, гроза – эти явления природы тесно связаны с облаками. Изучение строения и форм облаков, наблюдение за ними важны для предсказания погоды, то есть для жизнедеятельности человека.
Проведя практические опыты, я смогла создать в домашних условиях маленькое облачко (туман) и получить настоящий дождь. Опытном путем мне удалось доказать, что туман и облака состоят из совсем крохотных капелек воды.
Исходя из анализа научной литературы, и опытным путем, я подтвердила выдвинутую мной гипотезу о том, что облака и туман состоят из воды.
Задачи, поставленные перед написанием исследовательской работы, достигнуты.
В процессе написания настоящей исследовательской работы мне стало известно, что облака и осадки очень сильно влияют на безопасность полетов самолетов. Следующая тема моей исследовательской работы будет посвящена изучению влияния явлений природы на безопасность полетов самолетов.
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Большая энциклопедия, 2008г.
2. Энциклопедический и толковый словарь
3. Шорыгина Т. А. «Беседы о природных явлениях и объектах». М., Сфера, 2010г.
4. Энциклопедия для детей. Аванта+ География. М., 2004г.
5. Энциклопедия школьника. Чрезвычайные ситуации.М., 2006г.