Chemia chmur

Zacznijmy od razu od zapytania wprost – z czego są chmury? Z wody – odpowiecie zapewne. Ależ tak, jak najbardziej. Świetna odpowiedź. Ale nas ona nie do końca satysfakcjonuje. Przyjrzyjmy się zatem chmurom bliżej. Znacznie bliżej.

Wznieśmy się więc na wysokość kilku tysięcy metrów. Prosto w górę. Na miotle czy rakietą albo samolotem. Z bliska chmury składają się z cząstek wielkości kilkunastu-kilkudziesięciu mikrometrów, a więc rzędu grubości ludzkiego włosa. W zależności od tego, w jakiej warstwie atmosfery tworzą się chmury, cząstki te mają charakter kropel wody lub kryształków lodu. 

I tak najwyżej, w górnej troposferze mamy lodowe cirrusy, niżej lodowo-wodne altostratusy a najbliżej ziemi zbudowane z wody w postaci ciekłej stratusy czy nimbostratusy. Wymieniłem tylko niektóre z rodzajów chmur. 

Meteorolodzy rozróżniają dziesiątki ich rodzajów, nadając im bajeczne łacińskie nazwy, które potrafią być równie zachwycające i zadziwiające, jak wygląd samych chmur 

¹. 

We wnętrzu chmur

Nie wchodząc jednak dalej meteorologom w paradę, przyjrzyjmy się chmurom jeszcze bliżej okiem chemika.

W sercu każdej kropli czy lodowego kryształka są cząstki stałe aerozoli atmosferycznych, które zainicjowały kondensację wody czy resublimację lodu. Powietrze jest wysycone parą wodną, która może pozostawać w fazie gazowej także przy temperaturze i ciśnieniu, w której najbardziej stabilną formą występowania wody byłaby ciecz lub stały lód. 

Dopiero kiedy pojawią się tzw. jądra kondensacji, na których osadzają się (adsorbują) cząsteczki wody, może dojść do przemiany fazowej i powstania mikrometrycznych kropel wody lub drobin lodu. 

Aerozol atmosferyczny mogą tworzyć najróżniejsze substancje chemiczne. Cząstki mineralne, jak porwane przez wiatry drobinki gleby i okruchy skał (oczywiście takie naprawdę maleńkie, mikrometrycznej wielkości), pustynny piasek a nad oceanami i morzami kryształki soli morskiej. 

Każdy dym powstały ze spalania ciał stałych czy ciekłych to także niezliczone ilości cząstek stałych, m.in. sadzy i popiołów, które mogą stać się zaczątkiem chmur. 

² 

Niekiedy także zaczątkiem kondensacji mogą się stać także mikroorganizmy unoszące się w powietrzu. Jak widzimy, sama więc woda w atmosferze nie wystarczy by powstały chmury, konieczna są bowiem jeszcze do tego obecność cząstek stałych. 

Dlaczego pada deszcz

W sytuacji, kiedy cząstki skondensowanej wokół aerozoli wody lub narosłe na nich kryształki lodu staną się zbyt ciężkie, by unosić się w powietrzu, dochodzi do opadu deszczu lub śniegu. Zjawisko to wykorzystuje się do tzw. zasiewania chmur. Stosuje się do tego wiele substancji, które w postaci drobnokrystalicznej są rozpylane nad chmurami, by przyspieszyć ich „rośnięcie” oraz kondensację dużych kropel wody. W tym celu bardzo często wykorzystuje się suchy lód, czyli zestalony dwutlenek węgla. Ma on tę zaletę, że nie tylko stanowi stałe jądro kondensacji to z racji swojej niskiej temperatury (CO₂ zestala się w -78,5⁰C przy ciśnieniu atmosferycznym) także ułatwia skroplenie wody czy powstanie z niej lodu. 

Wykorzystuje się także do zasiewania chmur jodek srebra, AgI. To już, przyznajcie, czysta chemia. Ten związek chemiczny w niewielkiej tylko ilości występuje naturalnie. Należy on do związków światłoczułych, ponieważ w obecności światła rozpada się na metaliczne srebro i jod. To pozwoliło go wykorzystywać w dawnej fotografii, ale nie to sprawiło, że wykorzystuje się go do wywoływania deszczu.

Przyczyną jest bardzo duże podobieństwo jego kryształów do kryształów wodnego lodu. Z tego powodu łatwo „oszukać” chmury, że oto nagle w ich wnętrzu znalazło się mnóstwo kryształów lodu, na których mogą się tworzyć krople deszczu czy płatki śniegu. Nie należy on do związków tanich w produkcji, w końcu otrzymuje się go ze srebra, ale na „zasianie chmur” zużywa się go zwykle około kilkudziesięciu gramów 

³. 

Tak czy inaczej, pamiętajmy, że „zasiewanie chmur” nie zwiększa ilości wody w atmosferze, a więc w czasie suszy, niskiej wilgotności powietrza i braku warunków do tworzenia się chmur, nawet jodek srebra nie pomoże. Trzeba także zaznaczyć, że skuteczność tej metody nie jest jednoznacznie potwierdzona, a złośliwi krytycy powiadają, że skuteczniejsze są tańce deszczu odprawiane przez plemiennych szamanów. Proces tworzenia się chmur i opadów jest na tyle skomplikowany, że trudno go uzależnić od jednego tylko czynnika.

Nieziemskie chmury

Należy jeszcze wspomnieć o tym, że chmury wcale nie muszą być zbudowane tylko z wody. W innych „światach”, czyli na innych planetach czy księżycach, posiadających atmosfery o innych niż ziemska składzie, występują chmury z metanu (Uran, Neptun czy Tytan), amoniaku (Jowisz i Saturn) czy… kwasu siarkowego. 

Te ostatnie są obserwowane w atmosferze Wenus, co sprawia, że nie jest ona zbyt przyjaznym miejscem dla Ziemian (o Wenusjanach i Wenusjankach się nie wypowiem). Chmury mogą być zbudowane z naprawdę przeróżnych związków chemicznych i na pewno nie są jednorodnymi, pod względem chemicznym, tworami. Jedno jest jednak pewne, chmury na pewno nie są z waniliowego kremu, jakby chciał Dyzio Marzyciel z wiersza Juliana Tuwima… 😉

Wojciech Smułek