Откуда роса утром на растениях?

Пройдите летним утром по траве у дорожки: обувь мокрая. Дождя ночью не было, поливальной системы тоже. Капли появились прямо на листьях. Кажется, роса «выпадает», как мелкий дождь, но тумана над тропой не висело и облаков с каплями тоже. Источник рядом: водяной пар, растворённый в самом воздухе. В каждом кубометре летнего воздуха — несколько десятков граммов воды в виде газа. Пока воздух тёплый, пар держится незаметно; охладите воздух — и часть пара перестанет в нём помещаться и выделится каплями. Температуру, при которой это начинается, называют точкой росы.

Но воздух за ночь до своей точки росы обычно не остывает — иначе стоял бы туман. Остывает лист. Ночью каждый предмет излучает тепло в небо, и если небо ясное, излучение уходит в космос почти без возврата. Тонкий лист — хороший излучатель: большая поверхность, мало вещества внутри, слабая связь с тёплой землёй. За пару часов после заката он становится холоднее воздуха на четыре-шесть градусов и переходит точку росы — пар садится на него каплями. Камень и асфальт весь день копили солнечное тепло и остывают медленно: на скамейке роса появится позже и слабее.

Что сделать. В ясный тихий вечер положите на траву два предмета: лист бумаги и металлическую крышку. Утром бумага мокрая, крышка — почти сухая: она теплопроводна и подпитывается теплом земли. Роса выбирает то, что хорошо излучает и плохо греется снизу.

Два условия. Росе нужны влажный воздух и холодная поверхность. Влажность даёт день: испарение с реки, почвы и самих растений. Холод даёт ночь, но не воздух, а излучение: лист светит в инфракрасном диапазоне, как всякое тело при своей температуре, а ясное небо возвращает ему лишь часть. Разность — чистая потеря тепла, и лист выхолаживается ниже воздуха. Это радиационное выхолаживание; когда его поверхность становится холоднее точки росы прилегающего слоя, пар конденсируется.

1. ясное небо: излучение уходит в космос
2. облака возвращают излучение
3. лист холоднее воздуха — роса
4. лист тёплый — росы нет

Предположения, стоящие за картиной:

1. Небо ясное: облака возвращают излучение, и лист не остывает ниже воздуха.
2. Ветра нет: движение воздуха смешивает остывший слой у листа с тёплым выше.
3. Воздух влажный: точка росы выше, и до неё меньше градусов пути.

Когда росы много, когда мало. В облачную ночь росы почти не бывает — облака работают как одеяло. В ветреную тоже мало. Самую обильную росу даёт безветренная ясная ночь после тёплого влажного дня. Иначе говоря, роса — прибор, показывающий сразу три вещи: влажность, облачность и ветер прошедшей ночи, — и по мокрой или сухой траве утром можно восстановить, какой была ночь.

Проверьте сами. В прохладную ясную ночь посмотрите на машину: крыша в инее или росе, боковые двери сухие. Вверх излучение уходит в небо, в стороны — на соседние предметы, дома и деревья, которые сами тёплые и светят в ответ. Роса и иней ложатся на то, что «видит» небо.

Тот же принцип в других местах. Запотевший стакан: стенки холоднее точки росы комнатного воздуха, пар садится на них. Иней — та же роса, но при температуре листа ниже нуля пар замерзает сразу, минуя жидкость. Сборщики тумана в Чили, Перу и Марокко: сетки ловят капли, появившиеся, когда влажный океанский воздух поднялся к холодным склонам и остыл ниже точки росы; одна установка даёт десятки литров воды в сутки. Роса на травинке — след точного баланса: небо остужает лист ровно настолько, чтобы воздух не удержал весь свой пар.

Сколько тепла уходит в небо. Тело при температуре $T$ излучает с квадратного метра

$$q = \varepsilon\,\sigma\,T^{4}$$

модель

где $\sigma = 5{,}67\cdot10^{-8}$ Вт/(м²·К⁴), а $\varepsilon$ у листа близка к единице. При $T = 288$ К (15 °C) это около 390 Вт/м². Ясное небо светит в ответ, но как тело холоднее — в среднем эквивалентно примерно −5…0 °C, и возвращает 290–320 Вт/м². Иначе говоря, лист теряет ночью порядка 70–100 Вт с квадратного метра, и раз ему неоткуда взять столько тепла, он остывает, пока разность с воздухом и потери в конденсацию не уравновесят потерю¹. У облачного неба эффективная температура почти равна приземной, потеря падает до единиц ватт — и росы нет.

оценка порядка

Сколько воды даёт роса. Конденсация возвращает тепло: каждый грамм воды, осевшей на лист, отдаёт 2,5 кДж. Потеря 80 Вт/м² за восемь часов ночи — 2,3 МДж, чего хватило бы на конденсацию около килограмма воды на квадратный метр, то есть слоя в миллиметр. На деле бóльшая часть потери уходит на охлаждение воздуха и почвы, и реальная роса — 0,1–0,3 мм за ночь, в лучшем случае до 0,5. Это верхняя граница, и её нельзя обойти никакой конструкцией: сколько уходит в небо, столько и вернётся водой, не больше. За сезон в средней полосе роса даёт 20–40 мм — десятая часть осадков, а в пустынях у побережья бывает главным источником воды для жуков и лишайников.

1. лист излучает ~390 Вт/м²
2. небо возвращает 290–320
3. чистая потеря 70–100 Вт/м² — на неё и садится роса
4. итог за ночь: 0,1–0,3 мм воды, потолок ~0,5

Кто открыл. Что роса не «падает» с неба, а образуется на остывшей поверхности, и что остужает её излучение в ясное небо, показал лондонский врач Уильям Чарльз Уэллс в «Опыте о росе» 1814 года. Он ночами взвешивал клочки шерсти на траве и под навесом, сравнивал с термометрами и получил всё, что сказано выше: роса гуще при ясном небе и штиле, на плохих проводниках тепла, и её нет под крышей из ткани. Работа получила медаль Румфорда и на сто лет вперёд стала образцом того, как ставить опыт на открытом воздухе. Число, стоящее за его наблюдениями, — закон излучения — появилось лишь в 1879 году у Йозефа Стефана и было выведено Больцманом в 1884-м.

Границы этого рассуждения.

• Роса и гуттация — разное. Капли на кончиках листьев злаков и земляники утром часто выдавлены самим растением через водяные устьица; это вода из корней, а не из воздуха.
• Туман — не роса. Если сам воздух остыл до точки росы, капли висят в нём; это другой режим, и он подробно разобран в сюжете о вечернем тумане.
• Оценка потерь — для ясного сухого неба. Водяной пар в воздухе сам излучает, и во влажную ночь небо «теплее», а потеря меньше.
• Городская роса иная. Асфальт и стены светят на лист сбоку, и над городом росы заметно меньше, чем на лугу в километре от него.

О чём спорят. Сколько роса значит для растений? Одни экологи считают её мелочью на фоне дождя; другие показывают, что в засушливые недели листья впитывают росу напрямую и это удерживает растение от увядания, а в туманных пустынях Намиба и Атакамы роса и туман — основа существования сообществ. Насколько широко листья умеют пить воду с поверхности, спорят до сих пор².

Открытый вопрос. Можно ли собирать росу впрок? Опытные росоуловители — наклонные листы с покрытием, хорошо излучающим в ночное окно прозрачности атмосферы, — дают те самые 0,3–0,5 мм за ночь; в 2010-х появились покрытия, остужающиеся ниже воздуха даже днём. Хватит ли этого для чего-то, кроме капель, зависит от того, удастся ли поднять излучение и подавить приток тепла из воздуха одновременно, — инженерная задача, которая пока не решена.