kondensacja

Kondensacja – proces skraplania bądź zestalania się (resublimacji) pary wodnej w atmosferze zachodzący w warunkach pełnego nasycenia powietrza atmosferycznego parą wodną (przy maksymalnej zawartości pary wodnej w danej temperaturze i ciśnieniu), który prowadzi do powstawania chmur, mgły, opadów atmosferycznych (np. deszczu, mżawki, śniegu, gradu) oraz opadów utajonych, tzw. osadów atmosferycznych (np. rosy, szadzi, szronu, zamrozu). Kondensacja pary wodnej następuje w wyniku ochłodzenia się powietrza atmosferycznego do temperatury punktu rosy (temperatury, w której powietrze osiąga stan nasycenia parą wodną) wskutek kontaktu z wychłodzonym podłożem bądź chłodną powierzchnią różnych przedmiotów (np. szyb okiennych, szkieł okularów, nawierzchni drogi), w wyniku pionowych ruchów powietrza (tzw. prądów wstępujących) lub podczas mieszania się z mas powietrza różniących się temperaturą i wilgotnością (w strefie frontu atmosferycznego). Kondensacja pary wodnej jest istotnym składnikiem obiegu wody w przyrodzie (cyklu hydrologicznego) zapewniającego stały dostęp zasobów wodnych w środowiskach wodnych i lądowych Ziemi.

Kondensacja pary wodnej w atmosferze ziemskiej

Kondensacja pary wodnej (łac. condensatio – zgęszczenie) jest procesem skraplania bądź zestalania się (resublimacji) pary wodnej w atmosferze zachodzącym w warunkach pełnego nasycenia powietrza atmosferycznego parą wodną, czyli przy maksymalnej zawartości pary wodnej w powietrzu w określonej temperaturze i ciśnieniu (100% wilgotności względnej powietrza). Zjawisko kondensacji pary wodnej następuje przeważnie w wyniku ochłodzenia się powietrza do temperatury, w której osiąga stan nasycenia parą wodną (tzw. temperatury punktu rosy) wskutek kontaktu z wychłodzonym podłożem lub eksponowanych powierzchni różnych przedmiotów, adiabatycznego rozprężania się powietrza atmosferycznego podczas wznoszenia się wraz z prądami wstępującymi (ruchy konwekcyjne) bądź mieszania się mas powietrza różniących się właściwościami termicznymi i wilgotnościowymi (w strefie frontu atmosferycznego). Kropelki wody i kryształki lodu powstające w procesie kondensacji pary wodnej w atmosferze tworzą chmury, mgły oraz opady atmosferyczne (np. deszcz, mżawkę, śnieg, grad), które stanowią istotne składniki obiegu wody w przyrodzie zapewniającego stały dostęp zasobów wodnych w środowiskach wodnych i lądowych kuli ziemskiej.

Kondensacja pary wodnej zawartej w atmosferze ziemskiej zachodzi na bardzo drobnych (osiągających średnicę do 0,1 μm) oraz higroskopijnych (zdolnych do pochłaniania wilgoci) cząsteczkach aerozolu atmosferycznego, na których osadzają się produkty skraplania (krople wody) oraz zestalania (resublimacji) pary wodnej (kryształki lodu). Cząsteczki te, określane mianem jąder kondensacyjnych bądź jąder nukleacji (CNN, ang. cloud condensation nuclei), stanowią głównie kryształki soli morskiej, przetrwalniki bakterii, zarodniki grzybów, mszaków i paprotników, ziarna pyłku i nasiona roślin nasiennych, mikroorganizmy wchodzące w skład  aeroplanktonu (np. bakterie, protisty, mikroskopijne grzyby) i zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego (m.in. pyły, popioły lotne, sadze, lotne związki organiczne). Samoistne tworzenie się kropelek wody i kryształków lodu z pary wodnej zawartej w atmosferze bez udziału jąder kondensacyjnych (tzw. kondensacja homogeniczna) może zachodzić wyłącznie w warunkach skrajnego przesycenia powietrza atmosferycznego parą wodną (wilgotności względnej wynoszącej 400-800%), które nie są obserwowane w warunkach naturalnych.

Chmury, mgły i opady atmosferyczne

Chmury, stanowiące główne produkty kondensacji pary wodnej w atmosferze ziemskiej, są unoszącymi się w powietrzu skupiskami mikroskopijnych cząstek chmurowych – kropelek wody (chmury wodne) lub kryształków lodu (chmury lodowe bądź mieszaniny kropelek wody i kryształków lodu (chmury mieszane). Cząstki chmurowe powstają w warunkach wysokiej wilgotności względnej powietrza (wyższej niż 70%) na jądrach kondensacyjnych. Zwiększanie się zawartości pary wodnej wskutek ochładzania się powietrza do temperatury punktu rosy spowodowane jest głównie przez adiabatyczne rozprężanie się mas powietrza podczas ich wznoszenia się z prądami wstępującymi i uwolnienie dużych ilości ciepła. Szczególne chmury, powstające w wyniku działalności człowieka, stanowią samolotowe smugi kondensacyjne – produkty kondensacji pary wodnej emitowanej do górnej troposfery i dolnej stratosfery podczas spalania paliwa lotniczego. Mgły, skupiska drobnych kropelek wody lub kryształków lodu (w niskich temperaturach) zawieszone przy powierzchni Ziemi, powstają w procesie kondensacji pary wodnej pod wpływem kontaktu z wychłodzonym podłożem. Smog, mgła pochodzenia antropogenicznego powstająca nad obszarami miejskimi lub przemysłowymi, jest produktem kondensacji pary wodnej wymieszanym z zanieczyszczeniami powietrza.

Opady atmosferyczne (hydrometeory) są produktami kondensacji pary wodnej w atmosferze opadającymi z chmur na powierzchnię Ziemi w postaci kropelek wody (deszcz, mżawka) bądź kryształków lodu (śnieg, śnieg ziarnisty, krupy śnieżne, grad, ziarna lodowe, słupki lodowe). Opady atmosferyczne powstają, kiedy cząstki chmurowe (kropelki wody lub kryształki lodu) osiągają takie rozmiary i ciężar, które uniemożliwiają im dalsze unoszenie się w powietrzu atmosferycznym, czego skutkiem jest ich opadanie na powierzchnię Ziemi pod wpływem siły grawitacji. Wzrost rozmiarów cząstek chmurowych w chmurach składających się z kropelek wody (chmurach wodnych) następuje w procesie koalescencji, czyli łączenia się drobnych kropelek w większe krople wody. Duże cząstki chmurowe w chmurach składających się z mieszaniny kropelek wody i kryształków lodu (chmurach mieszanych) tworzą się w wyniku szybkiego narastania kryształków lodu kosztem parujących kropli wody (proces Bergerona-Findeisena). Chmury składające się z kryształków lodu (chmury lodowe) nie dają opadów atmosferycznych. Niektóre opady atmosferyczne nigdy nie docierają do powierzchni Ziemi. Kropelki wody i kryształki lodu tworzące opady atmosferyczne unoszące się w powietrzu (np. virga) przechodzą ponownie w parę wodną w procesie parowania lub sublimacji w dolnych warstwach atmosfery o niskiej wilgotności względnej powietrza atmosferycznego.

Kondensacja powierzchniowa

Kondensacja pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym zachodząca na powierzchni Ziemi (kondensacja powierzchniowa) jest procesem skraplania bądź zestalania (resublimacji) pary wodnej zachodzącym pod wpływem ochłodzenia się mas powietrza o dużej wilgotności względnej do temperatury punktu rosy pod wpływem kontaktu z wychłodzonym podłożem bądź chłodną powierzchnią różnych przedmiotów eksponowanych na działanie czynników środowiska zewnętrznego (np. szyb okiennych, szkieł okularów, nawierzchni drogi, poręczy, płotów, ścian budynków, linii energetycznych). Powstające w wyniku procesu kondensacji powierzchniowej opady utajone, tzw. osady atmosferyczne osadzają się wyłącznie na tych powierzchniach, których temperatura jest niższa od temperatury punkty rosy kontaktującego się z tymi powierzchniami powietrza atmosferycznego. Osady atmosferyczne, zależnie od warunków temperaturowych otoczenia, mogą przyjmować postać kropelek wody (np. rosa) bądź kryształków lodu (np. szron). Osady atmosferyczne mogą powstawać również w wyniku przetwarzania opadów atmosferycznych (np. gołoledź tworzy się w wyniku zamarzania kropelek deszczu lub mżawki).

Kondensacja powierzchniowa pary wodnej znajdującej się w powietrzu atmosferycznym jest zjawiskiem powszechnie występującym w życiu codziennym, czego przykładem jest poranna rosa na źdźbłach trawy, szron na szybach samochodu, zaparowana powierzchnia lustra po kąpieli lub prysznicu, kropelki wody na szklance zimnego napoju lub opakowania mrożonek wyjętego z zamrażalnika i zaparowane szkła okularów bądź obiektywu aparatu przy zmianie temperatury otoczenia (np. opuszczenia klimatyzowanego pomieszczenia w celu wyjścia na zewnątrz w gorący i wilgotny dzień). Częstym zjawiskiem jest także kondensacja pary wodnej na zewnętrznych szybach okiennych w oknach z powłoką termoizolacyjną w wyniku znacznej  różnicy temperatury między chłodniejszą stroną zewnętrzną i cieplejszą stroną wewnętrzną. Kondensacja powierzchniowa pary wodnej w postaci kropelek rosy zachodząca na obszarach półpustynnych i pustynnych cechujących się znacznymi amplitudami dobowymi temperatury jest często jedynym źródłem wody dla zasiedlających te tereny organizmów żywych. Ciekawe adaptacje do zbierania rosy wykształciły chrząszcze zaliczane do rodziny czarnuchowatych (Tenebrionidae), u których para wodna ulega skraplaniu na pokrywach skrzydłowych oraz australijska jaszczurka – moloch straszliwy (Moloch horridus), u którego kondensacja pary wodnej zawartej w powietrzu zachodzi na pokrywających ciało pionowych kolcach.

Osady atmosferyczne

Osady atmosferyczne, określane również mianem opadów utajonych, są ciekłymi lub stałymi produktami kondensacji powierzchniowej pary wodnej zawartej w powietrzu, które osadzają na podłożu lub powierzchni przedmiotów posiadających temperaturę niższą niż temperatura punktu rosy stykającego się z nimi powietrza. Osady atmosferyczne występujące w ciekłym stanie skupienia (w postaci kropelek wody) obejmują rosę i nalot płynny. Rosa jest ciekłym osadem atmosferycznym powstającym m.in. na powierzchni gruntu i porastających go roślin (np. źdźbłach trawy) w wyniku spadku temperatury powietrza atmosferycznego stykającego się z podłożem wychłodzonym wskutek nocnego wypromieniowania ciepła. Nalot płynny (ciekły) jest produktem powierzchniowej kondensacji pary wodnej występującym w postaci kropli wody łączących się i spływających po pionowych powierzchniach wychłodzonych skał bądź kamiennych ścian budynków; osad ten powstaje w wyniku napływu ciepłego powietrza atmosferycznego o wysokiej wilgotności względnej.

Osady atmosferyczne występujące w stałym stanie skupienia (w postaci kryształków lodu) obejmują szron, szadź, zamróz i gołoledź. Szron stanowi produkt zestalania się (resublimacji) pary wodnej zawartej w powietrzu atmosferycznym przy niskich temperaturach otoczenia (poniżej 0°C); jest osadem drobnych kryształków lodowych (np. w postaci igiełek lub piórek) powstającym przeważnie na powierzchni gruntu, szyb samochodowych bądź gałęzi drzew. Szadź (sadź)jest osadem atmosferycznym składającym się z kryształków lodu (np. w postaci igiełek) zlepionych zamarzniętymi kropelkami mgły, który pojawia się przeważnie na liniach energetycznych lub gałęziach drzew; powstaje w wyniku zetknięcia się wilgotnego powietrza zawierającego przechłodzone kropelki mgły z powierzchniami o temperaturze niższej niż 0°C. Zamróz (nalot stały) stanowi produkt kondensacji powierzchniowej pary wodnej w postaci kryształków lodowych osadzających się na pionowych powierzchniach wychłodzonych skał bądź kamiennych ścian budynków w wyniku napływu ciepłych i wilgotnych mas powietrza atmosferycznego. Gołoledź jest osadem atmosferycznym w postaci gładkiej i przezroczystej warstwy lodowej powstającym w wyniku zamarzania przechłodzonych kropli deszczu bądź  mżawki przy zetknięciu się z bardzo wychłodzonym podłożem o temperaturze niższej niż 0°C.