Powstawanie chmur, czyli dlaczego nie z każdej chmury pada deszcz?

Autor:

Adam Czyżewski

Słowa kluczowe:

chmury,obieg wody,parowanie,pogoda,woda

Cel doświadczenia:

Celem doświadczenia jest zbadanie, dlaczego nie z każdej chmury pada deszcz, choć wszystkie chmury zbudowane są z cząsteczek wody w postaci kropli (stan ciekły) lub bryłek lodu (stan stały).

 Wskazówki dla opiekuna

Podczas doświadczenia można realizować elementy Podstawy Programowej wychowania przedszkolnego:

• Obszar I, pkt 7
• Obszar IV, pkt 5, 8

Wskazówka 1

Na jeden nawilżać nie powinno przypadać zbyt wiele osób. Wodną mgiełkę o wiele lepiej zbiera się, trzymając gąbkę obok nawilżacza, a nie nad nim. Klubowicze powinni sami to odkryć. Jeśli tego nie zrobią, należy ich poprosić, aby poobserwowali zachowanie się mgiełki nad nawilżaczem.

Wskazówka 2

Aby na gąbce zebrała się wystarczająca ilość wody, trzeba dość długo trzymać gąbkę nad nawilżaczem (lub obok niego). Jeśli po ściśnięciu gąbki nadal nie kapie z niej woda, należy wydłużyć czas nawilżania. Może to być pretekst do rozpoczęcia rozmowy o tym, dlaczego nie z każdej chmury pada deszcz.

Wskazówka 3

Aby pokazać dzieciom, że deszcz nie zawsze pada tam, gdzie paruje woda, można poprosić je, by podmuchały przez chwilę w wodną mgiełkę i zaobserwowały, co się dzieje. Następnie można im wytłumaczyć, że jednym z czynników kształtujących pogodę (miejsce opadów) jest wiatr (przy okazji wyjaśniając, czym on jest).

Pytania służące zaciekawieniu klubowiczów

• Skąd się bierze woda w chmurach?
• Dlaczego nie z każdej chmury pada deszcz, choć wszystkie są zbudowane z wody?
• Czy oceany lub jeziora mogą wyparować?
• Dlaczego woda paruje?
• W jaki sposób powstają chmury?

 Sprawdzanie przedwiedzy klubowiczów

Przed przystąpieniem do doświadczenia można przeprowadzić z klubowiczami dyskusję na następujące tematy:

• Skąd możemy się dowiedzieć o pogodzie?
• Jak możemy sami przewidzieć pogodę?
• Po co przewiduje się pogodę?
• Czy pogoda może być niebezpieczna? Jakie znasz niebezpieczne zjawiska atmosferyczne – komu one mogą zagrażać?

Przed doświadczeniem można też zaproponować klubowiczom kilka zabaw.

• Dzieci rysują najdziwniejsza chmurę, jaką widziały w życiu. Mogą też powiedzieć, czy z danej chmury według nich będzie padał deszcz czy śnieg, a może wystąpią pioruny.
• Dzieci udają odgłosy padającego deszczu – od cichego kap-kap po głośne tupanie nogami czy pukanie palcami w stół. Opiekun łączy wydawane przez dzieci odgłosy z intensywnością i rodzajem opadów.
• Dzieci wychodzą na zewnątrz i obserwują chmury na niebie. Opiekun nazywa chmury, które widać na niebie, i mówi, jaką pogodę (zmiany pogodowe) mogą one przynieść.
• Dzieci szukają na niebie chmur, które swoim kształtem coś im przypominają. Opiekun może też poprosić dzieci, by znalazły na niebie chmurę najbardziej przypominającą im np. psa, kota czy dinozaura.
• Opiekun czyta dzieciom wiersz Juliana Tuwima, „Dyzio Marzyciel”, a następnie pyta je o ich marzenia à la Dyzio.

Spis materiałów:

1. nawilżacz ultradźwiękowy
2. woda (do nawilżacza)
3. gąbki kuchenne
4. miska lub inne podobne naczynie

Planowanie doświadczenia wspólnie z klubowiczami

Opiekun i klubowicze zastanawiają się wspólnie nad następującymi pytaniami:

• Co jest nam potrzebne do wykonania tego doświadczenia?
• Co będziemy kolejno sprawdzali?
• W jaki sposób zanotujemy wyniki?

Etapy realizacji:

1. Nalej wody do nawilżacza i podłącz go do zasilania.
2. Przystaw z boku nawilżacza gąbkę i poczekaj, aż zacznie się na niej zbierać wydobywająca się z nawilżacza woda. Postaraj się zebrać na gąbce jak najwięcej wody.
3. Odwróć gąbkę tak, aby zgromadzone krople znalazły się na dole gąbki. Co się dzieje z wodą zgromadzoną na gąbce?
4. Ściśnij gąbkę nad miską. Co teraz dzieje się z wodą zgromadzoną na gąbce?
5. Powtórz eksperyment, wydłużając czas trzymania gąbki przy nawilżaczu.

Pytania do doświadczenia:

• Co jest potrzebne, aby powstała chmura?
• Jak wyglądają krople wody zgromadzone na powierzchni gąbki?
• Co się dzieje z wodą wydobywającą się z nawilżacza? Gdzie zbiera się ta woda?
• Dlaczego woda nie kapie z gąbki, dopóki nie ściśniemy gąbki?
• Jak mierzy się opady deszczu?
• Po co mierzy się wielkość opadów?

Refleksja po doświadczeniu

Warto zwrócić uwagę klubowiczów na to, że deszcz jest tylko jednym z etapów obiegu wody w przyrodzie, któremu towarzyszą także inne zjawiska, oraz że siłą sprawczą tego obiegu jest Słońce. Można też poruszyć kwestie związane z bezpieczeństwem w górach czy na jeziorach, gdzie nawet elementarna znajomość chmur i umiejętność przewidywania pogody pozwalają podejmować odpowiedzialne decyzje.

Opis zjawiska:

Pod wpływem ciepła docierającego do powierzchni Ziemi woda zaczyna parować. Proces parowania jest procesem powierzchniowym, dlatego woda znajdująca się w naczyniu wyparuje znacznie później od wody rozlanej na dużej powierzchni (np. na stole). Woda paruje zarówno z dużych zbiorników wodnych (jezior, mórz, oceanów), jak i z roślin czy bezpośrednio z Ziemi. Właśnie dlatego, że chodzi o proces powierzchniowy, nie należy się raczej spodziewać wyparowania całej wody z jezior czy oceanów, jednak nadmierne nasłonecznienie może doprowadzić do wysuszenia trawników czy pól uprawnych, gdzie woda gromadzi się przede wszystkim na powierzchni (tylko część wody wsiąka w głąb Ziemi).

Parująca woda wraz z nagrzanymi masami powietrza unosi się do atmosfery. Tam ulega schłodzeniu aż do stanu przesycenia, kiedy ze stanu gazowego zamienia się w ciekły. Jednak to przejście oraz proces formowania się kropli wymagają obecności dowolnej powierzchni materialnej, tzw. jąder kondensacji, którymi mogą być np. drobiny aerozolu. Jądro kondensacji składające się najczęściej z substancji higroskopijnej łatwiej wychwytuje i silniej wiąże molekuły wody niż robią to same molekuły wody (spontaniczne łączenie się kropel wody jest mało prawdopodobne).

Ze względu na bezpieczeństwo (i wydajność procesu) w doświadczeniu nie odparowujemy wody, tylko bezpośrednio wytwarzamy w nawilżaczu mgiełkę składającą się z drobnych kropelek wody. Analogiem jąder kondensacji jest tutaj gąbka kuchenna, na której te kropelki się osadzają. Są one jednak zbyt lekkie, by mogły spać na ziemię w postaci deszczu. Dlatego, aby powstał deszcz, należy ścisnąć gąbkę. Dzięki temu kropelki łączą się w większe i cięższe krople, które pod wpływem siły grawitacji spadają na ziemię. Jeśli woda nie kapie z gąbki, oznacza to, że zebrało się na niej zbyt mało wody.

Interpretacje wyników:

Ciekawostki:

• Nawet niewielkie chmury, które wydają się lekkimi obłokami, mogą ważyć setki tysięcy kilogramów.
• Chmury występują również na innych planetach Układu Słonecznego. Nie składają się one jednak z Na Wenus zbudowane są one z dwutlenku siarki, więc pada z nich kwas siarkowy. Na Jowiszu natomiast chmury składają się z kryształków amoniaku, a na Uranie i Neptunie – z kryształków metanu.
• Smugi kondensacyjne powstają na niebie za lecącymi samolotami na skutek wyrzucania do atmosfery bardzo dużych ilości aerozolu. Wokół jego cząstek dochodzi do kondensacji pary wodnej zgromadzonej w atmosferze, a także wytwarzanej podczas pracy silników samolotu, które w zależności od temperatury i wilgotności powietrza mogą utrzymywać się od kilku sekund nawet do kilku godzin. Zjawiskiem podobnym do smug kondensacyjnych są tzw. „kuzynki” smug (ang. contrail cousins). Powstają one np. za końcówkami skrzydeł samolotu w wyniku bardzo silnych zaburzeń ciśnienia powietrza (turbulencji). Czas utrzymywania się „kuzynek” smug nie jest jednak długi – bardzo szybko po wyrównaniu się ciśnienia kropelki wody ponownie przechodzą w stan gazowy (parę wodną).

Źródła

• Mikrofizyka chmur – artykuł w Wikipedii opisujący dział fizyki zajmującej się opisem chmur [dostęp z dnia 30.09.2019]
• Klasyfikacja chmur [dostęp z dnia 30.09.2019]
• „Skąd się biorą chmury i jak przewidywać z nich pogodę?”, artykuł na portalu pl [dostęp z dnia 30.09.2019]
• Julian Tuwim, „Dyzio Marzyciel”

Powiązane doświadczenia

Mokra ręka na wietrze