Privirea la nori într-o zi însorită și imaginarea formelor pe care le poți identifica trebuie să fie o distracție preferată pentru toate vârstele. Norii se mișcă ușor, își schimbă forma și unii par să dispară. M-am întrebat mereu unde au dispărut norii și am decis să investighez.
Norii se formează atunci când vaporii de apă invizibili din aer se condensează în picături de apă vizibile. Lumina soarelui este împrăștiată de aceste picături, făcând norii să pară albi. Dacă picăturile se evaporă din nou din cauza căldurii, vaporii nu mai pot împrăștia lumina soarelui și astfel par să dispară.
Apa este întotdeauna vizibilă sub formă solidă sau lichidă. În timpul acestor faze, moleculele de apă sunt atât de strâns legate încât formează un lichid sau un solid. Apa apare în faza de vapori sau gaz ca urmare a multor procese naturale. Apariția apei în această fază depinde de mai mulți factori interesanți. Să ne uităm la acestea mai îndeaproape.
Când sunt vizibili vaporii de apă (norii)?
Vaporii de apă se formează atunci când apa lichidă se evaporă din oceane și râuri. Zăpada formată pe calotele de zăpadă ale munților se topește mai întâi pentru a forma apă lichidă, care curge în josul munților pentru a forma râuri. Zăpada care cade pe regiunile polare se comprimă pentru a forma ghețari, râuri de gheață cu mișcare lentă care se deplasează în jos din cauza atracției gravitaționale asupra masei de gheață. Acești ghețari fie se topesc atunci când ajung la cotele mai calde inferioare, fie când se prăbușesc în oceane.
Apa trebuie să facă tranziția de fază de la solid la lichid înainte de a deveni vapori sau gaz. Moleculele de apă din apa lichidă sunt excitate de căldura soarelui care cade pe masa întunecată a apei din ocean. Când energia vibrațională a moleculelor de apă de la suprafața apei devine suficient de mare, molecula poate rupe tensiunea superficială a apei și poate scăpa în atmosferă ca moleculă de gaz.
Căldura Soarelui va determina un curent de convecție deasupra suprafeței oceanului pentru a transporta moleculele de apă gazoasă în sus. Pe măsură ce curenții calzi de convecție transportă moleculele de apă energizate, aerul din jur la altitudini mai mari este mai rece.
Acest aer mai rece va răpi moleculele de apă de energia lor, formând picături (condens). Picăturile vor reflecta lumina soarelui și vor apărea albe. Aceste colecții de picături de apă la altitudini mari se numesc nori.
Lumina soarelui care strălucește asupra picăturilor din nor este împrăștiată de reflexia internă a picăturilor și face ca norul de picături să pară alb.
Dacă stratul de nori devine gros și greu, picăturile absorb lumina soarelui, făcând norii să pară întunecați. Norii devin saturați cu picăturile de apă, iar acest lucru determină formarea de picături mai mari. Odată ce picăturile sunt suficient de grele pentru a depăși curenții de convecție care le țin în aer, ele cad pe Pământ sub formă de ploaie.
Pe măsură ce ploaia cade, norii devin mai puțin denși, iar lumina soarelui care cade pe picăturile mari de ploaie este refractată, formând un curcubeu. Lumina albă este împărțită în culorile constitutive ale luminii, formând un curcubeu roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet.
Odată ce picăturile de apă din norul de ploaie au căzut, densitatea picăturilor scade. Energia Soarelui încălzește din nou picăturile, făcându-le să redevină vapori de apă invizibili.
Fiecare moleculă de apă (H-O-H) constă dintr-un atom de oxigen legat de doi atomi de hidrogen. Cele două legături de hidrogen nu sunt liniare, ci la un unghi de 104,5 grade.
Unghiul apare deoarece atomul de oxigen are două seturi de electroni perechi singuri cu câmpuri respingătoare care interacționează. Prin urmare, ei împing cei doi atomi de hidrogen mai aproape unul de celălalt, deoarece perechile singure sunt respinse reciproc și tind să se îndepărteze unul de celălalt. Neliniaritatea moleculei de apă conferă apei niște proprietăți foarte interesante.
În apă, legăturile extrem de polare O-H au ca rezultat o densitate de electroni foarte mică în jurul atomilor de hidrogen. Ca urmare a două legături covalente și două legături de hidrogen, geometria din jurul fiecărui atom de oxigen este aproximativ tetraedrică. Molecula de apă are o parte încărcată pozitiv a atomilor de hidrogen și o parte care este încărcată negativ pe partea atomului de oxigen mult mai mare.
Natura polară a moleculelor de apă este forța motrice din spatele formării de picături. Moleculele de apă se vor apropia una de cealaltă, astfel încât partea de oxigen încărcată negativ este slab atrasă de partea încărcată pozitiv a altei molecule de apă.
Moleculele de apă se aranjează cu părțile pozitive și negative ale moleculelor, legându-se ușor în apă lichidă. Aceste mici forțe atractive se numesc forțe Van Der Waal. Dacă nu ar fi fost moleculele de apă polare, formarea de picături de apă vizibile nu ar fi fost posibilă.
Unde apar norii în atmosfera noastră?
Există cinci straturi ale atmosferei în jurul Pământului:
- Troposferă – suprafață la 10-12 km deasupra Pământului, unde sunt vizibili majoritatea norilor, avioanele zboară și sistemele meteorologice.
- Stratosferă – 11 până la 49 km deasupra Pământului, unde baloanele meteorologice și sateliții meteorologici observă modelele vremii.
- Mezosfera – 50 până la 90 km deasupra Pământului, unde meteorii ard (stele căzătoare).
- Termosfera/Ionosfera – 90 până la 700 km deasupra Pământului, unde este vizibilă Aurora.
- Exosfera – 700 până la 10000 km deasupra Pământului, unde sateliții și navele spațiale orbitează.
Troposfera este cel mai de jos strat al atmosferei Pământului. Cea mai mare parte a masei (aproximativ 75-80%) a atmosferei se află în troposferă. Cele mai multe tipuri de nori se găsesc în troposferă și aproape toate vremea au loc în acest strat.
Troposfera poate fi împărțită în trei straturi.
La nivel scăzut sau de nivel strato (sub 2000 m) Cumulus, Stratocumulus, Stratus, Cumulonimbus și norii Nimbostratus pot fi văzuți. Norii cumulonimbus și nimbostratus ajung la cote mai înalte, unde temperatura mai rece are ca rezultat formarea de picături de ploaie, grindină sau zăpadă.
Nivelul mediu sau alto (între 7000 m și 2000 m) este locul unde pot fi văzuți norii altocumulus și altostratus. Norii nimbostratus ajung de la nivelul strato până la nivelurile superioare ale nivelului alto, unde temperatura mai scăzută duce la condensarea vaporilor de apă în picături de ploaie.
Nivelul înalt sau cirro (între 12000 m și 7000 m) este locul în care sunt vizibili norii cirrocumulus, cirrostratus și cirrus. Norii cumulonimbus ajung de la nivelul strato până la nivelurile superioare ale nivelului cirro.
Norii cumulonimbus și nimbostratus sunt ceea ce se vede în timpul furtunilor. Acești nori au în ei multă energie sub formă de energie electrostatică și energie potențială datorită masei de apă pe care o transportă. Energia este furnizată de Soare, încălzind suprafața Pământului și ducând la evaporarea apei de la suprafața oceanelor.
Căldura soarelui cauzează de asemenea curenți de convecție, care transporta moleculele de apă generate de evaporarea la altitudini mai mari. Pe măsură ce aerul cald se ridică și transportă moleculele de apă, încărcătura electrostatică se acumulează în corpul de vapori de apă din cauza frecării moleculelor polare unele de altele, ceea ce duce la tunete și fulgere.
Tunetul este sunetul produs atunci când particulele de aer sunt forțate să se despartă atunci când un fulger călătorește de la nori la Pământ, permițând o descărcare de electroni care se acumulează în nori.
Ce putem învăța din nori?
Sateliții meteorologici care orbitează Pământul pot privi de sus sistemele meteorologice active în troposferă. Sistemele meteorologice se formează datorită interacțiunii mai multor mase de aer prezente în atmosferă. Efectele rotației Pământului în jurul axei sale, efectul de încălzire al Soarelui asupra suprafeței planetelor și procesul hidrologic care are ca rezultat formarea sistemelor meteorologice.
Meteorologii studiază formațiunile de nori folosind imagini din satelit și sunt astfel capabili să prezică vremea. Abilitatea de a vedea norii și de a prezice formarea și calea unui sistem meteorologic este de o importanță critică. Uraganele sunt unul dintre cele mai distructive și periculoase sisteme meteorologice și în fiecare an se pierd multe vieți, iar uraganele și inundațiile rezultate provoacă pagube de miliarde.
Omenirea depinde foarte mult de capacitatea noastră de a prognoza vremea și, astfel, de a putea prezice pericolul. Clima de pe planeta noastră a suferit unele schimbări semnificative în ultimii 200 de ani de la epoca industrială. Cantitatea de dioxid de carbon a crescut la peste 400 de părți per milion din cauza arderii combustibililor fosili.
Gaze precum monoxidul de carbon și metanul se găsesc în mod natural în atmosfera noastră, dar creșterea concentrațiilor lor a dus la mai multă captare a energiei Soarelui. Efectul de seră are ca rezultat încălzirea atmosferei și duce la sisteme meteorologice de energie și intensitate din ce în ce mai mari.
Efectul albedo este atunci când razele Soarelui sunt reflectate în spațiu de suprafața albă reflectorizante a norilor, zăpezii și gheții de pe suprafața Pământului. Efectul albedo acționează pentru a contracara efectul de seră prin devierea unei părți din energia de la Soare.
Clima planetei noastre este într-un echilibru delicat. Există doar o înveliș subțire de atmosferă care ne protejează de frigul spațiului cosmic. Dacă acest echilibru este perturbat, poate avea consecințe grave asupra vieții de pe Pământ. Au existat cinci evenimente majore de extincție în istoria planetei noastre. Se crede că, dacă nu putem schimba dramatic modul în care ne poluăm planeta, intrăm în cea de-a șasea extincție în masă.
Cum joacă norii un rol în ciclul hidrologic al apei
În timpul ciclului hidrologic, apa se deplasează de la un rezervor (oceane, râuri, lacuri, calote de zăpadă, ghețari) în altul prin cinci procese fizice distincte: evaporare, condensare, precipitații, infiltrare, scurgere de suprafață.
Făcând acest lucru, apa trece prin diferite faze: lichidă, solidă (gheață) și vapori. Când apa se evaporă din ocean sau râuri, devine vapori de apă invizibili transportați în aer de curenții calzi de convecție și transportați în sus în straturile mai reci ale atmosferei.
Pământul este un loc apos. Aproximativ 71% din suprafața Pământului este acoperită cu apă, iar oceanele dețin aproximativ 96,5% din toată apa Pământului. Apa există și în aer sub formă de vapori de apă, în râuri și lacuri, în calotele glaciare și ghețari, în sol ca umiditate a solului și acvifere și în toate plantele și animalele.
Masa hidrosferei Pământului este de aproximativ 1,4 × 1018 tone, ceea ce reprezintă aproximativ 0,023% din masa totală a Pământului. În orice moment, aproximativ 20 × 1012 tone din aceasta se află sub formă de vapori de apă în atmosfera Pământului.
Datorită ciclului hidrologic (apă), aprovizionarea cu apă a planetei noastre se mișcă constant dintr-un loc în altul și dintr-o formă în alta.
Apa din oceane, râuri și lacuri se evaporă datorită energiei Soarelui. Vaporii de apă rezultați sunt ridicați spre cer de curenții calzi de convecție provocați de Soare. Pe măsură ce vaporii de apă ajung la altitudini mai reci, moleculele pierd energie și se aranjează în picături (condens). Natura polară a moleculelor ține picătura împreună prin forțele slabe Van Der Waal.
Picăturile care se formează sunt, de asemenea, încărcate electrostatic, iar acest lucru duce la formarea norilor. Fulgerul apare atunci când sarcina electrică acumulată în nori devine atât de mare încât electronii călătoresc pe Pământ ca un fulger.
Norii devin saturați cu picături pe măsură ce cresc în dimensiune, iar formarea picăturilor continuă până când picăturile devin atât de mari și grele încât cad înapoi pe pământ sub formă de ploaie. Dacă curenții puternici de convecție forțează picăturile și mai sus la altitudini unde îngheață, acestea pot cădea înapoi sub formă de zăpadă sau grindină.
Apa cade înapoi pe Pământ sub formă de ploaie, zăpadă sau grindină. Această apă va cădea pe oceane, pământ, lacuri și munți, intrând din nou în ciclu. Acest ciclu va continua iar și iar. Dacă ciclul devine perturbat, poate duce la o eră glaciară în care toată apa este înghețată, iar planeta devine un deșert înghețat fără viață. Alte perturbări ale ciclului apei pot duce la secete severe, furtuni tropicale și inundații.
Deci, norii chiar dispar?
Nu, ei nu dispar. Pur și simplu se evaporă și devin vapori de apă invizibili. Micropicăturile de apă devin o altă formă de apă.
Studiul formării norilor este parte integrantă a bunăstării vieții de pe planeta noastră. Ca parte a ciclului hidrologic de pe planeta noastră, formarea norilor aduce precipitații și distribuie apa dătătoare de viață acolo unde este nevoie. Doar trei procente din apa Pământului este proaspătă. Competiția pentru accesul la apă dulce a început războaie și va duce din nou la conflicte în viitor.
Dacă umanitatea vrea să prospere pe această planetă, trebuie să învățăm cum să valorificăm mai bine energia și resursele planetei. Capacitatea noastră de a studia norii de pe cer și de a valorifica energia și apa pe care aceștia le transportă va fi crucială pentru supraviețuirea vieții pe această planetă.
Din fericire, molecula de apă este polară și este vizibilă atunci când se condensează în atmosferă, oferindu-ne informații despre tiparele vremii.
Observarea stelelor și a lunii noaptea și a norilor și a drumului Soarelui în timpul zilei a permis omenirii să aibă succes în creșterea hranei și evitarea dezastrelor naturale. Nu e de mirare că ea formează baza în știință astăzi.
Te-ar putea interesa şi:
