Водяна пара – це вода в газоподібному стані. Якщо повітря не здатне утримувати більші кількість водяної пари, воно переходить у стан насичення, і тоді вода з відкритої поверхні перестає випаровуватися. Вміст водяної пари в насиченому повітрі знаходиться в тісній залежності від температури і при її підвищенні на 10° С може збільшитися не більш, ніж удвічі. Відносна вологість – це відношення фактично утримуваної в повітрі водяної пари до кількості водяної пари, що відповідає станові насичення. Відносна вологість повітря поблизу земної поверхні часто велика ранком, коли прохолодно. З підвищенням температури відносна вологість звичайно зменшується, навіть якщо кількість водяної пари в повітрі мало змінюється. Припустимо, що ранком при температурі 10° С відносна вологість була близька до 100%. Якщо протягом дня температура понизиться, почнеться конденсація води і випаде роса. Якщо ж температура підвищиться, наприклад до 20° С, роса випарується, але відносна вологість складе лише біля 50%.
Кількість водяної пари, що може міститися в повітрі, залежить тільки від температури. Чим вища температура повітря, тим більше в ньому може бути водяної пари. І все таки повітря в пустині сухіше. Це пояснюється тим, що при більш високих температурах повітря, щоб досягти умов насичення, за яких починається конденсація, потрібно значно більше водяної пари, ніж при низьких температурах. Ось чому при однакових кількостях водяної пари в теплому повітрі відчуватиметься більша сухість, ніж у холодному.
Конденсація - це перехід води із газоподібного стану в рідкий. При цьому утворюються найдрібніші краплі води діаметром декілька мікрометрів. Конденсація починається тоді, коли повітря досягає стану насичення, а це частіше відбувається при зниженні температури до точки роси. Виникають початкові комплекси молекул води, які далі ростуть до розмірів хмарних крапель. Якщо точка роси значно нижче 0°С, то утворюються льодяні кристали. Перехід водяної пари в твердий стан (минуючи рідкий) називається сублімацією. Охолодження повітря в атмосфері відбувається частіше адіабатично, внаслідок його розширення без теплообміну. Це відбувається при підйомі повітря. Охолодження повітря відбувається під час вертикальної конвекції, тобто якщо воно піднімається та розширюється; якщо піднімається на атмосферних фронтах, де взаємодіють теплі й холодні повітряні маси; якщо піднімається вгору по схилах гір; якщо охолоджується поверхня суші та льоду; під час адвекції (переносу) повітря на охолоджену місцевість [22].
Виділення захованої теплоти при конденсації водяної пари в атмосфері приводить до того, що коли утворюється хмара, то виділяється деяка кількість тепла, яка йде на нагрівання повітря або, після складних перетворень енергії, витрачається на розвиток руху в атмосфері. Так, наприклад, підраховано, що при випаданні шару дощу завтовшки 20—30 мм може виділитись стільки тепла, скільки потрібно, щоб нагріти всю товщу повітря, в якій створюються опади, на 5—6 градусів.
Перетворення води або водяної пари в атмосфері, перехід води з одного стану в інший супроводиться складними енергетичними процесами, що закінчуються або виділенням тепла, або витрачанням його і, отже, охолодженням повітря. Це дає право назвати водяну пару головним «рознощиком» енергії в атмосфері.
Пара і крапельки води (і хмари) відіграють ще й іншу роль в атмосфері. Водяна пара вбирає променисту енергію, що йде від поверхні Землі в світовий простір, і надійно вкриває Землю, не даючи їй охолоджуватись.
Умови конденсації:
а) зниження температури повітря;
б) наявність ядер конденсації (частинок, на яких можливе осідання водяної пари.
При конденсації кожного грама води виділяється 600 кал тепла, при сублімації 1 г льоду - 677 кал.
Утворення крапель при конденсації і сублімації відбувається на деяких центрах, які називаються ядрами конденсації. Це частинки гігроскопічних солей, краплі кислот, тверді частинки (аерозолі), які є продуктами згорання або органічного розпаду, на яких осідає водяна пара у вигляді краплинок, утворюючи хмари й тумани. Найчастіше серед аерозолів трапляються сполуки Хлору, Сульфуру, Нітрогену, Карбону тощо. Вони надходять до атмосфери з поверхні океанів, суші, з відходів промислових центрів, а також із Космосу. Кількість ядер конденсації в 1 см3 повітря біля земної поверхні може налічувати тисячі і десятки тисяч, а в містах — мільйони.
Рівень конденсації — висота, на якій повітря охолоджується до точки роси. У тундрі цей рівень розміщений на висоті кількох сотень метрів, а в пустелях — кількох кілометрів.
Накопичуючись у приземному шарі атмосфери, продукти конденсації та сублімації можуть утворювати туман (дрібних краплин води або кристалів льоду). При утворенні туману теплота віддається приземному шару повітря. Видимість в тумані може досягати 1 км. Якщо видимість перевищує 1 км, туман називають серпанком. Скупчення твердих частинок (диму й пилу) в сухому повітрі називають імлою. Тумани виникають з різних причин. Але майже завжди, вивчаючи ці причини, ми виявляємо, що утворення туману відбувається або в результаті зволоження повітря, або в результаті зниження температури чи засмічення вологого повітря гігроскопічними речовинами. Розглянемо деякі випадки утворення туманів. Нерідко у вогких місцях, у долинах, на дні яких часто течуть невеличкі річки або є болота, вночі збирається холодне повітря, що стікає а горбів; у холодному, густому повітрі випари боліт, річечок тощо охолоджуються і утворюють тумани. Тут тумани виникають, як правило, в ясні, холодні ночі прислабких вітрах. Перед ранком туман витягується тонким, низьким шаром, в кілька метрів заввишки.
На морозі пара швидко конденсується, утворюючи туман. Іноді при сильних морозах міста в Сибіру вкриті суцільним туманом. Спостерігачеві з повітря ці тумани здаються величезними кусками хмарних ковдр [17].
Коли на сильному морозі людина або тварина прискорено дихає, з рота йде пара. Ця видима пара являє собою туман, найпростішу хмарку, що виникає через замерзання видихуваної пари. В сильний мороз пара раптом перетворюється в кристалики, які труться один об одного, тоді можна навіть почути характерний шелест.
Перетворення водяної пари в туман може відбуватись як в результаті сильного охолодження повітря на місці, так і в результаті руху великих повітряних мас. Якщо потоки холодного повітря проносяться над теплою водою або над теплою вологою поверхнею ґрунту, то в такому холодному повітрі може виникнути туман. Ось чому, коли після відлиги настають морози, виникає морозний серпанок, або туман. Узимку при теплих вологих вітрах з півдня над дуже охолодженими ділянками земної поверхні так само можуть виникнути низькі рухливі, «бродячі», тумани, що поширюються в сторону переміщення повітряних потоків біля земної поверхні.
Над водними поверхнями тумани виникають частіше, ніж над ділянками суші. Так, пізньої осені вода в ріках звичайно буває тепліша за повітря. З поверхні теплої води безперервно відбувається випаровування. Пара, потрапляючи в холодніше повітря, конденсується, збирається в крапельки води, утворюючи туман, що густою смугою огортає русло ріки. Так виникають тумани над ополонками, розводдями серед криги в холодних морях. В той час як береги вкриті снігом, у відкритому морі плавають величезні крижані поля й окремі крижини. Між ними темніють розводдя, відкриті водні поверхні. Тут вода звичайно має температуру 1—2° нижче нуля і не замерзає через свою солоність і рухомість. А повітря над такими розводдями може бути набагато холодніше. Волога, що випарувалася з поверхні води, тут-таки, над водною поверхнею, конденсується, утворюючи туман [5].
Залежно від умов формування, тумани бувають різних типів:
а) радіаційні тумани — утворюються в теплу пору року увечері або вночі за тихої безхмарної погоди над річками, озерами, низовинами; виникають внаслідок охолодження нижнього шару повітря від охолодженої за рахунок радіаційного випромінювання поверхні;
б) адвективні тумани —- виникають при переміщенні теплого повітря над холодною поверхнею. Охоплюють великі території і мають значну потужність, характерні для морських узбереж, особливо восени;
в) тумани випаровування — спостерігаються восени над водоймами (річками, озерами), коли їхня вода тепліша за повітря;
г) тумани змішування — утворюються на межі повітряних мас з різною температурою і вологістю. Серед них розрізняють гарруа — тумани, характерні для берегових пустель у тропіках, де біля берегів проходять холодні течії. Тумани змішування утворюються також між холодними і теплими течіями (о. Ньюфаундленд). По суті тумани змішування є різновидом адвективних туманів;
д) тумани схилів — виникають на гірських схилах внаслідок підняття та адіабатичного охолодження повітря;
е) міські тумани — пов'язані з величезною кількістю ядер конденсації у повітрі великих міст. Коли туман перемішується з димом, вихлопними газами автотранспорту, продуктами горіння, видимість падає майже до нуля, повітря стає задушливим, — це смог (від англійських слів «смоук» — дим і «фоґ» — туман).