Введение

Атмосферное явление

Туман – это видимый аэрозоль, состоящий из мельчайших капель воды или кристаллов льда, взвешенных в воздухе у поверхности Земли или вблизи неё. Туман можно рассматривать как разновидность низкого облака, обычно напоминающего слоистые облака (стратус), и на него сильно влияют расположенные поблизости водоёмы, рельеф местности и ветровые условия. В свою очередь, туман оказывает влияние на многие виды человеческой деятельности, такие как судоходство, транспорт и военные действия. Туман образуется, когда водяной пар (вода в газообразном состоянии) конденсируется. В процессе конденсации молекулы водяного пара объединяются, образуя крошечные капли воды, которые остаются в воздухе. Морской туман, возникающий вблизи солёных водоёмов, формируется при конденсации водяного пара на частицах соли. Туман похож на дымку, но менее прозрачен.

Определение

Термин "туман" обычно отличается от более общего термина "облако" тем, что туман располагается у самой земли, а влага в тумане часто образуется локально (например, от расположенного поблизости водоема, такого как озеро или океан, или от близлежащей влажной почвы или болот). По определению, туман снижает видимость до менее чем , тогда как дымка вызывает меньшее ухудшение видимости. Для целей авиации в Соединенном Королевстве видимость менее, но более, чем считается дымкой, если относительная влажность составляет 95% или выше; при влажности ниже 95% сообщается о мареве.

Формирование

Туман образуется, когда разница между температурой воздуха и точкой росы становится незначительной. Туман начинает формироваться, когда водяной пар конденсируется в мельчайшие капли воды, взвешенные в воздухе. Примеры способов конденсации водяного пара включают схождение ветров в области восходящих потоков; выпадение осадков или вирги сверху; нагрев в дневное время, вызывающий испарение воды с поверхности океанов, водоемов или влажной земли; транспирацию растений; движение холодного или сухого воздуха над более теплой водой; и подъем воздуха над горами. Обычно водяной пар начинает конденсироваться на ядрах конденсации, таких как пыль, лед и соль, для образования облаков. Туман, подобно своему высокому аналогу – слоистому облаку (stratus), представляет собой устойчивый облачный слой, который обычно формируется, когда холодная, устойчивая воздушная масса оказывается зажатой под теплой воздушной массой. Туман обычно возникает при относительной влажности, близкой к 100%. Это происходит либо из-за увеличения влажности в воздухе, либо из-за понижения температуры окружающего воздуха. Это может произойти, когда слой тумана поднимается и достаточно охлаждается, или когда он сжимается сверху нисходящими потоками воздуха. Морось переходит в гололед, когда температура поверхности опускается ниже точки замерзания. Толщина слоя тумана в значительной степени определяется высотой границы инверсии, которая в прибрежных или океанических районах также является верхней границей морского слоя, над которым воздушная масса становится теплее и суше. Высота границы инверсии в основном меняется в зависимости от веса воздуха над ней, который измеряется в единицах атмосферного давления. Морской слой и любой туманный покров, который он может содержать, будут сжиматься при высоком давлении и, наоборот, могут расширяться вверх при понижении давления над ними.

Типы

Туман может образовываться различными способами, в зависимости от того, как происходило охлаждение, вызвавшее конденсацию. Радиационный туман формируется в результате охлаждения земли после захода солнца инфракрасным тепловым излучением в спокойных условиях при ясном небе. Охлаждающаяся почва затем охлаждает прилегающий воздух посредством теплопроводности, что приводит к падению температуры воздуха и достижению точки росы, формируя туман. В полной тишине слой тумана может быть менее метра толщиной, но турбулентность может способствовать образованию более толстого слоя. Радиационный туман возникает ночью и обычно не длится долго после восхода солнца, но может сохраняться в течение всего дня в зимние месяцы, особенно в районах, окруженных возвышенностями. Радиационный туман наиболее распространен осенью и в начале зимы. Примерами этого явления являются тулевые туманы. Приземный туман – это туман, который закрывает менее 60% неба и не достигает основания облаков над головой. Однако этот термин обычно является синонимом неглубокого радиационного тумана; в некоторых случаях глубина тумана составляет порядка десятков сантиметров над определенными типами местности при отсутствии ветра. Адвекционный туман возникает, когда влажный воздух перемещается над прохладной поверхностью посредством адвекции (ветра) и охлаждается. Он часто наблюдается при прохождении теплого фронта над областью со значительным снежным покровом. Наиболее распространен в море, когда влажный воздух встречается с более прохладной водой, включая районы с подъемом холодных вод, такие как вдоль побережья Калифорнии (см. туман в Сан-Франциско). Достаточная разница температур над водой или голой землей также может вызвать адвекционный туман. Хотя сильные ветры часто перемешивают воздух и могут рассеивать, фрагментировать или предотвращать образование многих видов тумана, заметно более теплый и влажный воздух, движущийся над снежным покровом, может продолжать генерировать адвекционный туман при повышенных скоростях до или более – этот туман будет турбулентным, быстро движущимся и относительно неглубоким слоем, наблюдаемым на глубине нескольких сантиметров/дюймов над ровными сельскохозяйственными полями, ровной городской местностью и т.п., и/или формировать более сложные формы, где рельеф отличается, например, вращающиеся области в подветренной стороне холмов или крупных зданий и т.д. Туман, образованный адвекцией вдоль калифорнийского побережья, выносится на сушу одним из нескольких процессов. Холодный фронт может продвинуть морской слой к берегу, что наиболее типично весной или поздней осенью. В летние месяцы низкий барический желоб, вызванный интенсивным прогревом в глубине суши, создает сильный градиент давления, втягивая плотный морской слой. Кроме того, летом сильное высокое давление над пустыней на юго-западе, обычно связанное с летним муссоном, создает южный или юго-восточный поток, который может поднять морской слой вверх по береговой линии; явление, известное как «южный всплеск», обычно следует за прибрежной тепловой волной. Однако, если муссонный поток достаточно турбулентен, он может рассеять морской слой и любой содержащийся в нем туман. Умеренная турбулентность обычно преобразует туманный слой, поднимая его и разбивая на мелкие конвективные облака, называемые слоисто-кучевыми. Испаряющийся туман или паровой туман образуется над водоемами, покрытыми гораздо более холодным воздухом; эта ситуация также может привести к образованию паровых смерчей, которые выглядят как их пылевые аналоги. Озерный туман относится к этому типу, иногда в сочетании с другими причинами, такими как радиационный туман. Он отличается от большинства адвективных туманов, образующихся над сушей, тем, что он, как и снегопад, вызванный эффектом озера, является конвективным явлением, в результате чего туман может быть очень плотным и глубоким и выглядеть пушистым сверху. Фронтальный туман образуется почти так же, как облако слоистого типа вблизи фронта, когда капли дождя, падающие из относительно теплого воздуха над фронтальной поверхностью, испаряются в более холодный воздух вблизи поверхности Земли и приводят к его насыщению. Этот тип тумана может быть результатом опускания очень низкого фронтального слоя облаков до уровня поверхности в отсутствие каких-либо восходящих потоков после прохождения фронта. Ледяной туман образуется при очень низких температурах и может быть результатом других механизмов, упомянутых здесь, а также выдыхаемого влажного теплого воздуха стадами животных. Он может быть связан с формой осадков «алмазная пыль», при которой образуются и медленно падают очень маленькие кристаллы льда. Это часто происходит в условиях ясного неба, что может вызывать различные типы гало и другие результаты преломления солнечного света воздушными кристаллами. Замерзающий туман, откладывающий иней, состоит из переохлажденных капель воды, которые замерзают на поверхностях при контакте. Осадочный туман (или фронтальный туман) образуется, когда осадки выпадают в более сухой воздух ниже облака, при этом жидкие капли испаряются в водяной пар. Водяной пар охлаждается и при достижении точки росы конденсируется, образуя туман. Иногда градовой туман возникает вблизи значительных скоплений града из-за понижения температуры и увеличения влажности, что приводит к насыщению в очень тонком слое вблизи поверхности. Чаще всего это происходит, когда над градом находится теплый, влажный слой и когда ветер слабый. Этот приземный туман обычно локализован, но может быть чрезвычайно плотным и резким. Он может образоваться вскоре после выпадения града, когда градины успели охладить воздух и поглощают тепло при таянии и испарении. Склоновый туман образуется, когда влажный воздух поднимается по склону горы или холма (орографический подъем), конденсируясь в туман из-за адиабатического охлаждения и, в меньшей степени, падения давления с высотой.

Условия замораживания

Замерзающий туман возникает, когда капли жидкого тумана замерзают на поверхностях, образуя белый мягкий или твердый иней. Он часто встречается в холодные зимние периоды, как правило, в глубоких горных долинах. Слово "pogonip" происходит от слова народа шошонов paγi̵nappi̵h, что означает "облако". В "Альманахе старого фермера" в календаре на декабрь регулярно появляется фраза "Остерегайтесь погонипа". В своей антологии "Smoke Bellew" Джек Лондон описал погонип, окруживший главных героев и убивший одного из них. Это явление также чрезвычайно распространено во внутренних районах Тихоокеанского Северо-Запада, при температурах в определенном диапазоне. Колумбийское плато испытывает это явление большинство лет из-за температурных инверсий, которые иногда длятся до трех недель. Туман обычно начинает формироваться в районе реки Колумбия и распространяется, иногда покрывая территорию на расстоянии до ЛаПайна, штат Орегон, почти в 150 милях (241 км) к югу от реки и в южно-центральную часть штата Вашингтон. Замороженный туман (также известный как ледяной туман) – это любой вид тумана, в котором капли замерзают в чрезвычайно мелкие кристаллы льда в воздухе. Как правило, для этого требуются температуры на уровне или ниже, что делает его распространенным только в Арктике и Антарктике. Чаще всего он наблюдается в городских районах, где образуется в результате замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопных газах автомобилей и продуктах сгорания от отопления и производства электроэнергии. Городской ледяной туман может стать очень плотным и сохраняться днем и ночью, пока температура не повысится. Небольшое количество ледяного тумана, выпадающего с неба, образует вид осадков, называемый ледяными кристаллами, о котором часто сообщают в Уткиагвике, Аляска. Ледяной туман часто приводит к визуальному явлению световых столбов.

Топографические влияния

Туман, образующийся на склонах гор или холмов, формируется, когда ветер поднимает воздух вверх по склону (это явление называется орографическим подъемом), адиабатически охлаждая его при подъеме и вызывая конденсацию содержащейся в нем влаги. Это часто приводит к образованию гололедного тумана на вершинах гор, где высота облачности в противном случае была бы недостаточной. Долинный туман образуется в горных долинах, как правило, зимой. По сути, это радиационный туман, ограниченный местным рельефом, который может сохраняться несколько дней в безветренную погоду. В Центральной долине Калифорнии этот туман часто называют туле.

Морской и прибрежный туман

Морской туман (также известный как хаар или фрет) сильно подвержен влиянию морских брызг и микроскопических кристаллов соли, находящихся в воздухе. Облака любого типа нуждаются в мельчайших гигроскопических частицах, на которых может конденсироваться водяной пар. Над поверхностью океана наиболее распространенными частицами являются соли, образующиеся из морских брызг при разбивании волн. За исключением районов штормов, основные зоны разбивания волн расположены вблизи береговой линии, следовательно, наибольшая концентрация солевых частиц в воздухе наблюдается именно там. Конденсация на солевых частицах наблюдается даже при влажности всего 70%, поэтому туман может возникать даже в относительно сухом воздухе в подходящих местах, таких как побережье Калифорнии. Обычно такому туману с низкой влажностью предшествует прозрачная дымка вдоль береговой линии, поскольку конденсация конкурирует с испарением – явление, которое обычно заметно отдыхающим на пляже днем. Другим, недавно обнаруженным источником ядер конденсации для прибрежного тумана являются морские водоросли. Исследователи обнаружили, что в условиях стресса (интенсивное солнечное излучение, сильное испарение и т. д.) водоросли выделяют частицы йода, которые, в свою очередь, становятся ядрами для конденсации водяного пара, вызывая туман, рассеивающий прямой солнечный свет. Морской дым, также называемый парным туманом или туманом испарения, – наиболее локализованная форма, образующаяся при прохождении холодного воздуха над более теплой водой или влажной землей. Он часто вызывает гололед или иногда и иней. Арктический морской дым похож на морской дым, но возникает, когда воздух очень холодный. Вместо конденсации в капли воды формируются столбы замерзающего, поднимающегося и конденсирующегося водяного пара. Водяной пар образует туман морского дыма, который обычно выглядит туманно и дымчато. Туман гаруа, наблюдаемый у побережья Чили и Перу, возникает, когда обычный морской туман перемещается вглубь суши и внезапно сталкивается с областью горячего воздуха. Это приводит к уменьшению водяных частиц в тумане из-за испарения, образуя «прозрачную дымку». Туман гаруа почти невидимый, но все же вынуждает водителей использовать стеклоочистители из-за осаждения жидкой воды на твердых поверхностях. Каманчака – это похожий, плотный туман.

Эффекты видимости

В зависимости от концентрации капель, видимость в тумане может меняться от легкой дымки до практически нулевой. Каждый год в мире гибнет множество людей в дорожно-транспортных происшествиях, связанных с туманом, включая массовые столкновения транспортных средств. На авиаперевозки серьезно влияет густой туман. Несмотря на то, что современные автоматические системы посадки способны посадить самолет без участия пилота, диспетчеры аэропорта должны видеть, находятся ли самолеты на взлетно-посадочной полосе в ожидании взлета. Безопасное выполнение полетов затруднено в густом тумане, и гражданские аэропорты могут запрещать взлеты и посадки до улучшения погодных условий. Решением для посадки возвращающихся военных самолетов, разработанным во время Второй мировой войны, была операция FIDO (Fog Investigation and Dispersal Operation) – «Исследование и рассеивание тумана». Она заключалась в сжигании огромного количества топлива вдоль взлетно-посадочных полос для испарения тумана, что давало пилотам истребителей и бомбардировщиков достаточные визуальные ориентиры для безопасной посадки. Высокие энергозатраты этого метода препятствуют его применению в обычных условиях.

Тени

Тени проецируются сквозь туман в трех измерениях. Туман достаточно плотный, чтобы освещаться светом, проходящим сквозь щели в строении или дереве, но достаточно разреженный, чтобы пропускать значительное количество этого света и освещать точки вдалеке. В результате тени от объектов выглядят как "лучи", направленные параллельно источнику света. Эти объемные тени формируются тем же образом, что и сумеречные лучи – тени от облаков. В тумане тени отбрасывают твердые объекты.

Пропаганда звука и акустические эффекты

Звук обычно распространяется быстрее всего и на наибольшее расстояние через твердые тела, затем жидкости, и затем газы, такие как атмосфера. На распространение звука в условиях тумана влияют небольшие расстояния между капельками воды и разница температур воздуха. Молекулярный эффект: хотя туман по сути представляет собой жидкую воду, множество капель разделены небольшими воздушными промежутками. Высокие звуки имеют высокую частоту, что означает короткую длину волны. Для передачи высокочастотной волны воздух должен двигаться вперед и назад очень быстро. Высокочастотные звуковые волны с короткой длиной волны отражаются и преломляются множеством отдельных капель воды, частично гася и рассеивая свою энергию (этот процесс называется "демпфированием"). В отличие от них, низкие звуки с низкой частотой и длинной длиной волны перемещают воздух менее быстро и реже, и теряют меньше энергии при взаимодействии с мелкими капельками воды. Низкие звуки меньше подвержены влиянию тумана и распространяются дальше, поэтому в туманных сигналах используется низкий тон. Температурный эффект: туман может быть вызван температурной инверсией, когда холодный воздух скапливается у поверхности, что способствовало его образованию, а над ним находится более теплый воздух. Инверсионная граница между холодным и теплым воздухом отражает звуковые волны обратно к земле, позволяя звуку, который обычно рассеивается, уходя в верхние слои атмосферы, вместо этого отражаться и распространяться вблизи поверхности. Температурная инверсия увеличивает расстояние, на которое могут распространяться низкочастотные звуки, отражая звук между землей и инверсионным слоем.

Рекордные крайности

Особенно туманные места включают Гамильтон (Новая Зеландия) и Гранд-Бэнкс у побережья Ньюфаундленда (место встречи холодного Лабрадорского течения с севера и гораздо более теплого Гольфстрима с юга). К числу очень туманных участков суши в мире относятся Аргентия (Ньюфаундленд) и Пойнт-Рейес (Калифорния), где более 200 туманных дней в году. Даже в обычно более теплых южных регионах Европы густой и локальный туман часто встречается в низменностях и долинах, таких как нижняя часть долины По, долины Арно и Тибра в Италии, долина Эбро в северо-восточной Испании, а также на Швейцарском плато, особенно в районе Зееланд, поздней осенью и зимой. Другие известные туманные районы включают южное побережье Чили, побережье Намибии, Норд (Гренландия) и острова Северная Земля.

Как источник воды

Леса секвой в Калифорнии получают примерно 30–40% влаги из прибрежного тумана посредством конденсации тумана. Изменение климатических закономерностей может привести к относительной засухе в этих регионах. Некоторые животные, включая насекомых, зависят от влажного тумана как от основного источника воды, особенно в засушливых районах, например, вдоль многих африканских побережий. Некоторые прибрежные населенные пункты используют туманоуловители для извлечения влаги из атмосферы, когда откачка грунтовых вод и сбор дождевой воды оказываются недостаточными. Тип тумана может различаться в зависимости от климатических условий.

Искусственный туман

Искусственный туман – это туман, созданный искусственно, обычно путём испарения жидкости на основе воды, гликоля или глицерина. Жидкость впрыскивается в нагретый металлический блок и быстро превращается в пар. Образующееся давление выталкивает пар через сопло. При контакте с холодным наружным воздухом пар конденсируется в микроскопические капли, образуя видимый туман. Такие машины для создания тумана в основном используются в развлекательных целях.

Исторические ссылки

Присутствие тумана часто играло ключевую роль в исторических событиях, таких как стратегические сражения. Одним из примеров является битва за Лонг-Айленд (27 августа 1776 года), когда американский генерал Джордж Вашингтон и его войска смогли избежать неминуемого захвата британской армией, используя туман, чтобы скрыть своё отступление. Другой пример – высадка в Нормандии (6 июня 1944 года) во время Второй мировой войны, когда союзники высадились на пляжах Нормандии во Франции в условиях тумана. В ходе этой битвы обе стороны сообщали как о положительных, так и об отрицательных результатах из-за плохой видимости.