ענן גשם ממוצע יכול לשקול מאות טונות – ובכל זאת הוא מרחף מעלינו בגובה רב. איך כמות כזאת של מים נוזליים מצליחה להישאר באוויר?
רובנו נוטים להתייחס אל העננים כאל מובן מאליו. הם ניצבים גבוה בשמיים, לבנים ונקיים למראה, עשויים מטיפות מים בלבד – חומר כבד יחסית – אך מעולם לא ראינו אותם נופלים. העננים שוקלים המון. לפי חישוב של המכון הגיאולוגי האמריקאי, ענן קומולוס ממוצע, מהסוג שמזכיר בצורתו כרובית, מכיל כחצי מיליון ליטרים של מים נוזליים, במשקל כולל של כ-500 טונות. זהו משקל עצום, השקול לכ-300 מכוניות ממוצעות. אם כן, איך הם נשארים לרחף באוויר?
מבית היוצר של מכון דוידסון לחינוך מדעי : תקועים בבית- עכשיו אתם יודעים. לרשימת הסרטונים המלאה
סיפורו של ענן מתחיל בקרני השמש, שמחממות את פני הקרקע ואת פני השטח של גופי מים גדולים כמו אוקיינוסים ואגמים. עקב החום, מים מתאדים ומעשירים את האוויר שמעליהם באדי מים. האוויר החם סמוך לפני השטח, שמכיל את האדים, הוא צפוף פחות מהאוויר הקריר יותר שמעליו, ולכן הוא עולה דרכו אל מרומי האטמוספרה, כעמוד של אוויר חם שנקרא תרמיקה.
תופעה נוספת שמעודדת את ההתרוממות של אוויר לח דרך אוויר יבש יותר היא המשקל הסגולי של אדי המים עצמם. אדי מים שוקלים פחות מרוב הגזים האחרים המרכיבים את האוויר, ולכן אוויר המכיל הרבה אדי מים יהיה קל יותר מאוויר יבש.
מאות טונות של מים מרחפים באוויר בזכות הגודל הזערורי של הטיפות. ענני גשם | צילום: Shutterstock
מאדים למים נוזליים
כשהאוויר החם עולה לגובה, הוא מתרחק ממקור החום שלו על פני השטח ומתחיל בהדרגה להתקרר. אוויר קר מסוגל לשאת בתוכו פחות אדי מים (כלומר, מים במצב צבירה גזי) לעומת אוויר חם. כשהאוויר נהיה קר מספיק, אדי המים שבו יגיעו אל נקודת הטל, שנקראת גם נקודת הרוויה, כלומר לטמפרטורה שמעבר לה האוויר אינו מסוגל יותר לשאת את כל אדי המים והם יתעבו לטיפות מים נוזליות. כך קורה שהאוויר, שהיה עד כה שקוף לחלוטין, מתמלא עד מהרה בהמון טיפות מים זעירות וצפופות, שמחזירות חלק מאור השמש הפוגע בהן ולכן נראות מרחוק כצמר גפן לבן ואוורירי. כך נוצר ענן.
אולם גם עתה טיפות המים ממשיכות לרחף באזור שבו נוצרו במרומי השמיים ולא נופלות מחדש לאדמה. מדוע זה קורה? הרי מים נוזליים אמורים להיות כבדים מאוויר.
הסיבה המרכזית לכך היא שטיפות המים שבענן הן ממש קטנות. גודלן הממוצע הוא כעשרה מיקרון, כלומר כמאית המילימטר. ככל שחלקיק הוא קטן יותר, כך שטח הפנים שלו עולה יחסית למשקלו. טיפות המים עדיין כבדות וגדולות יותר מחלקיקי האוויר הסובבים אותן, אולם שטח הפנים הרחב נמצא בכל רגע נתון במגע עם חלקיקי אוויר רבים, ש"נושאים" עליהם את משקלה הכולל של הטיפה. כוח הכבידה מושך את הטיפות למטה, אך החיכוך בינן לבין חלקיקי האוויר מאט מאוד את נפילתן.
במקביל, אם עדיין קיימת תרמיקה מתחת לענן, היא ממשיכה לספק משב רוח אנכי ועדִין שהודף למעלה את טיפות המים שבענן, וכך מחליש בפועל את השפעתו של כוח הכבידה. התרמיקה אף מעשירה את הענן באדי מים נוספים שמקורם בקרקע או בטיפות שנפלו מתוך הענן עצמו, שכן טיפות מים שנופלות אל מתחת לגובהה של נקודת הטל שבבסיס הענן מתאדות מחדש לאדי מים שקופים.
כך שלמעשה ענן אינו גוף נייח העומד בשמיים, כפי שאולי נדמה מרחוק, אלא תהליך מחזורי שבמהלכו מים מתאדים ועולים, מתעבים ויורדים. נקודת הטל היא קו הגבול שממנו והלאה תכולת המים שבאוויר הופכת לענן שאנו יכולים לראות בעינינו.
עננים אינם מתקיימים לנצח. משבי אוויר אנכיים ושינויי טמפרטורה תדירים באטמוספרה עשויים להעלות את גובהה של נקודת הרוויה, כך שאדי המים יתעבו רק בגובה רב יותר. כך קורה שעננים שהתפתחו בשעות הבוקר הקרירות עשויים להתאדות לחלוטין בצהריים.
לעתים, השינויים האטמוספריים שעובר הענן גורמים לטיפות המים שבו להתאחד זו עם זו ולגדול. כשהקוטר שלהן עובר סף מסוים, חלקיקי האוויר לא מסוגלים לשאת אותן יותר, והן יפלו מתוך הענן כגשם. כך שבמובן מסוים השאלה הנכונה אינה מדוע עננים לא נופלים – אלא מתי הם עושים את זה.
סרטון של האגודה האמריקאית לכימיה (ACS) והטלוויזיה הציבורית האמריקאית (PBS) על עננים (באנגלית):
וקצת שאר רוח: "עננים" (Clouds) 🌨🌧☁ של ג'וני מיטשל:
