Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Испарение с поверхности морей и океанов в теплую погоду сопровождается заметным понижением температуры (говорят о поглошении большого количества теплоты). Конденсация пара в процессах образования облаков и выпадения осадков сопровождается повышением температуры (говорят о выделении большого количества теплоты). Температура плавления для оксида водорода равна 0 'С при нормальном внешнем давлении (оно равно 1 атм., т. е. 760 мм рт. ст.). Удельная теплота плавления составляет 0,33 МДж/кг.
Отметим, что это заметно меньше, чем удельная теплота парообразования для температур до 300 'С. Влажность воздуха н водноств облаков Оксид водорода в атмосфере Земли состоит, во-первых, из водяного пара и, во-вторых, из водяных капель и леднных кристаллов в облаках (а также в туманах). Будем обозначать через р плотность атмосферного оксида водорода, т, е, суммарную массу молекул Н О в единице объема атмосферы. Эту величину можно назвать влагосодерзканием атмосферы.
Она складывается из абсолютной влажности воздуха и водности облаков. Абсолютная влажность воздуха есть масса водяного пара в единице объема воздуха (ее называют также плотностью водяного пара). Водность облака (тумана) есть общая масса водяных капель и ледяных кристаллов в единице объема облака (тумана). Единица измерения обеих этих величин — г/м'. 122 Глава 2. Фвзовые нереходы в ввьиокфвре Т(Т) = 100 %. р„(Т) (2.1) Будем рассматривать рТ-плоскость, на которой по горизонтальной оси отложена температура Т, а по вертикальной плотность атмосферного оксида водорода р (влагосодержание атмосферы) (рис.
2.3). Конкретное состояние атмосферы с точки зрения ее влагосодержания характеризуется соответствующей точкой на этой плоскости. На плоскости проведена кривая, представляющая собой геометрическое место состояний, в которых вся влага в атмосфере — насыщенный водяной пар. Эта кривая является графиком зависимости плотности насыщенного пара от температуры — графиком функции р„(Т). Все точки рТ-плоскости под графиком р„(Т) (они попадают в заштрихованную часть плоскости) соответствуют состояниям, в которых весь оксид водорода в атмосфере газообразный, т.
е. является водяным паром. В точках на самом графике р„(Т) пар насыщенный. Обратимся к состоянию, обозначенному на рис. 2.3 точкой А. В этом состоянии весь оксид водорода в атмосфере — водяной пар; его плотность (она же абсолютная влажность) равна 20 г/м, температура 30 'С. При такой температуре пар стал бы насыщенным, если бы его плотность увеличилась на 9 г/м' (этому увеличению плотно- Будем обозначать абсолютную влажность воздуха через ее р.
Чем выше увлажненность воздуха, тем больше р, тем ближе водяной пар к состоянию насыщения (о насыщенном водяном паре мы обстоятельно поговорим в разд. 2.2). Плотность насыщенного водяного пара зависит от его температуры Т; будем обозначать эту плотность через р„(Т). Если в ходе постепенного повышения увлажненности воздуха его абсолютная влажность достигает при температуре Т значения р„(Т), то при наличии в воздухе ядер конденсации (их роль обычно играют всегда присутствующие в атмосфере азрозольные частицы) начинается конденсация пара — возникают водяные капли на ядрах конденсации. В отсутствие или лри недостатке ядер конденсации абсолютная влажность воздуха может оказаться больше р„(Т); такой пар называют нересыщенным.
Отношение абсолютной влажности р к плотности насыщенного пара р„(Т) показывает, в какой мере увлажнен воздух при данной температуре Т. Это отношение, выраженное в процентах, называют относительной влажностью воздуха; г. 1. Онсид водорода в земной атмосфере 123 сти соответствует длина отрезка АА,). Относительная влажность пара в состоянии А равна, как легко сообразить, — М 100% = — 100% = 69% ААо А,Ао 29 -15 -б о !о гогз зо г, с Рис. 2.3 Предположим теперь, что при неизменной плотиости оксида водорода (равной 20 г/мз) температура воздуха начинает понизкаться, что соответствует на рисунке перемещению состояний из А по горизонтали справа налево. В состоянии В температура равна 23 С; в этом состоянии пар становится насыщенным.
При температуре 20 'С оксид водорода оказывается в состоянии С. При этом пар частично конденсируется — возникает облако (или туман). Напомним, что массу воды в единице объема облака называют водиостью облака. Не следует путать водиость облака с абсолютной влажностью воздуха (плотиостью пара)! В состоянии С водиость облака численно равна длине отрезка СС, на рисунке; оиа составляет 20 г/м' — 18 г/м' = 2 г/м'.Остальная часть оксида водорода в точке С вЂ” иасьпцеииый водяной пар (его плотность 18 г/м').
Что произойдет, если температура воздуха будет продолжать понижаться и достигнет, например, значения 10 'С (состояиие Х) иа рисунке)? На первый взгляд, в этом состоянии водиость облака должиа возрасти и составить 20 г/мз — !0 г/мз = 1О г/м' (отрезок 2Ю, иа рис. 2.3), а плотность иасыщениого пара должна равняться 1О г/м' 124 Глава 2 Фазовые переходы в атмосфере (отрезок Р,Рь).
Относительно плотности насыщенного пара все правильно, а вот предполагаемое значение водности облака не может быть реализовано, поскольку произойдет выпадение доэкдя. Перегруженное влагой облако прольется на землю дождем! Известно, что даже в наиболее нагруженных влагой кучево-дождевых облаках (грозовых тучах) водность не превышает 6 г/м'. А в слоисто-дождевых облаках водность не превышает 2 г/м'.
Мы видим, таким образом, что далеко не каждая точка на р Т-плоскости фиксирует реализуемое на практике состояние оксида водорода в атмосфере. Обратим внимание на то, что реализуемые состояния находятся под графиком р„(Т) (водяной пар), на самом графике (насыщенный водяной пар)и достаточно близко над ним (насыщенный водяной пар плюс водяные капли в облаке). Используя рис. 2.3, рассмотрим еще одну ситуацию. Допустим, что абсолютная влажность равна всего лишь 3 г/мз, а температура воздуха составляет 30 С вЂ” состояние Е на рисунке. В этом состоянии относительная влажность равна (3/29) 100% = 10,3% Пусть температура постепенно понижается, а плотность оксида водорода остается при этом неизменной.
По достижении температуры — 6 'С (состояние Е) водяной пар станет насыщенным, и дальнейшее понижение температуры приведет к его частичной конденсации с образованием облака в виде ледяных кристаллов. В состоянии б, т. е. при температуре — 15 'С водность такого облака могла бы быть равной 3 г/м' — 1 г/м' = 2 г/м', если бы не выпал снег. А снег, конечно, выпадет, поскольку водность ледяных облаков, содержащих наряду с водяными каплями ледяные кристаллы, не превышает 0,3 г/м'.
Итак, оксид водорода в атмосфере состоит из водяных капель и ледяных кристаллов, а также водяного пара, плотность которого определяет в соответствии с данной температурой воздуха относительную влажность последнего. Плотность оксида водорода в том или ином месте атмосферы складывается иэ водности облака и абсолютной влажности воздуха. Хотя облака покрывают в среднем до половины небосвода, общая масса капель и кристаллов, находящихся в них, составляет всего около 1О" кг, что в 10 000 раз меньше общей массы водяных паров.
Выше отмечалось, что общая масса оксида водорода в земной атмосфере составляет 1,4. 10" кг, т. е. около десяти триллионов тонн. Оэ этих десяти триллионов тонн только миллиард тонн приходитсн на массу воды и льда в облаках; все остальное — масса водяных паров. 2 Л Оксвд водорода в земной атмосфере 125 Водно-ледяной состав облаков По составу облака делятся на три группы: !) водяные, или зкидкокапельные (состоят из водяных капель, в том числе переохлажденных капель), 2) ледяные, или кристаллические (состоят из ледяных кристаллов).
3) смешанные (состоят из смеси ледяных кристаллов и переохлажденных водяных капель). Переохлажденные водяные капли могут образоваться при температуре воздуха выше примерно — 30'С. Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-дождевые, слоисто- кучевые) в теплое время года состоят в основном из водяных капель. Зимой они могут стать облаками смешанного типа. Облака среднего яруса (высоко-кучевые и высоко-слоистые— зто облака смешанного типа. При переходе от теплого времени года к холодному возрастает процентное содержание ледяных кристаллов в облаках возрастает.
Облака верхнего яруса (перистые, перисто-слоистые, пернета-кучевые) построены практически полностью из ледяных кристаллов. Что касается облаков вертикального развития (кучевых и кучево-дождевых), то их структура оказывается различной на разных высотах. Нижняя часть облака может состоять полностью из водяных капель; средняя по высоте часть облака состоит как из капель, так и ледяных кристаллов; верхняя часть облака состоит практически полностью из ледяных кристаллов. Водность жидкокапельных облаков варьируется от 0,5 до б г/мз. В смешанных облаках она составляет 0,1 — 0,3 г/м'.
Водность ледяных облаков оказывается еще меньше; она варьируется от 0,00 ! до 0,05 г/м'. Аэроэольные частицы в атмосфере Аэрозоли относятся к так называемым дисперсным системам. Дисперсная система состоит из множества мелких азрозольных частиц, которые образуют дисперсную фазу системы и как бы рассеяны в однородной среде (дисперсионной среде). Слово йлреглю в переводе с латинского означает рассеяние. В случае аэрозолей дисперсионная среда — зто газообразная среда, а дисперсная фаза — твердые или зкидкие частицы, взвешенные (рассеянные) в газообразной среде. Если в роли дисперсионной среды выступает вода, то такую дисперсную систему называют гидрозолем.
126 Глава 2. Фазовыв переходы в атмосфере Мы будем рассматривать азрозольные частицы в земной атмосфере. Дисперсионная среда — смесь соответствующих газов, включая водяные пары. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой — имеют специальное название туманы, а с твердой дисперсной фазой — дымы и пыли. Размеры аэрозольных частиц находятся в весьма широком диапазоне от 1О в до 1О 4 м. Аэрозольные частицы могут иметь либо природное происхождение (естественные аэрозоли), либо антропогенное происхождение (аэрозоли, являющиеся продуктами деятельности человека). Одним из источников естественных аэрозолей служит поверхность Мирового океана.
Аэрозоли над океаном возникают в результате разбрызгивания и последующего испарения капель морской воды. Эти капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн. Основной компонент морских аэрозолей — хлорид натрия ХаС1. Другие источники естественных аэрозолей — вулканические выбросы в атмосферу, ветровая эрозия почв и горных пород, пылевые бури, степные и лесные пожары. Отметим также аэрозоли космического происхождения (метеорная пыль) и биологического происхождения (споры грибов, пыльца растений).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
