Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 24
Текст из файла (страница 24)
3) и вода появилась. Понятно, что неизбежна утечка некоторой части оксида водорода из описанных выше круговоротов. Какие-то молекулы Н,О могут быть разбиты на атомы солнечным излучением; судьба этих атомов может оказаться различной. Атомы водорода могут, в частности, вообще улететь за пределы атмосферы. 2.2.
Нарушения равнонесия в системе водяной нар — вода 131 Наряду с выбыванием некоторой части оксида водорода из круговорота происходит и обратный процесс — в круговорот включаются новые молекулы Н О. Откуда они берутся? Источники могут быть разные. От солнца летят к нам протоны и электроны. Некоторые из солнечных протонов, попав в земную атмосферу, могут обзавестись электроном и тем самым превратиться в атомы водорода. Соединившись с кислородом, этот водород даст оксид водорода. Возможно поступление оксида водорода из космоса в виде ледяных ядер комет, которые время от времени залетают в Солнечную систему. Но главным поставщиком оксида водорода в земную атмосферу, а также гидросферу были и остаются вулканы.
Отметим, что вулкан во время извержения больше всего выбрасывает водяного пара. Обратим внимание на то, что именно вулканы наполнили в свое время водой Мировой океан. А это миллион триллионов тонн воды (10'Я т)! 2.2. НАРУШЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ В СИСТЕМЕ ВОДЯНОЙ ПАР— ВОДА Важную роль играют в атмосферных процессах фазовые переходы водяной пар — вода (испарение воды и конденсация пара) и водяной пар — лед (сублимация льда и конденсация пара в твердое состояние). Первопричиной этих фазовых переходов являются нарушения равновесия в системах водяной пар — вода и водяной пар — лед.
Насыщеммый водяной пар В природных условиях можем встретить систему водяной пар — вода, наблюдая, например, поверхность воды пруда или глядя на туман или облако. Обе системы схематично представлены на рис. 2.6. Здесь условно выделен некоторый объем; внутри него одна часть оксида водорода находится в жидком состоянии, т. е. в виде воды (она заштрихована), а другая часть пребывает в газообразном состоянии, т. е. в виде водяного пара (она не заштрихована). В случае, показанном на рис. 2.6, а имеем дело с водяным паром в воздухе над плоской поверхностью воды; в случае, изображенном на рис.
2.6, б — капли воды, взвешенные в воздухе, содержащем некоторое количество водяного пара. Конечно, кроме пара, в воздухе 132 Глава 2 Фазовые переходы и атмосфере есть азот, кислород и ряд других газов, но в данной ситуации их можно не принимать во внимание. Их следовало бы учитывать (точнее говоря, следовало бы учитывать атмосферное давление), если бы в переходе вода ь пар участвовал процесс кипения воды. Рис. 2.6 Итак, отправимся мысленно на берег пруда. В отсутствие ветра водная гладь кажется совершенно спокойной. Но в действительности перед нами совершается великое множество микрособытий, недоступных нашему взору.
Наиболее быстрые молекулы Н О, преодолев притяжение со стороны других молекул, вылетают из водной массы и образуют пар над поверхностью воды. Это и есть испарение воды. Молекулы водяного пара сталкиваются с молекулами воздуха, и часть молекул Н,О возвращается обратно в жидкость. Это конденсация пара. При данной температуре устанавливается своеобразное равновесие в системе пар — вода, когда число молекул Н О, покидающих за единицу времени жидкость, равно в среднем числу молекул Н О, возвращающихся за то же время обратно.
Такое равновесие называют динамическим. При наличии динамического равновесия процессы испарения и конденсации оказываются взаимно скомпенсированными. Водяной пар, находящийся в этом случае над поверхностью воды, называют насыщенным паром. Можно сказать, что насыщенный пар — это пар, который находится в динамическом равновесии с водой, над которой он образовался. При данной температуре насыщенный пар имеет определенное парциальное давление, иначе говоря, определенную упругость.
Ее называют упругостью насыщенного пара или, проще, упругостью насыщения. Этим термином мы будем широко пользоваться; поэтому еше раз отметим: упругость насыщения есть парциальное давление насыщенного пара. 2.2 Нарушения равновесия в системе водяной нвр — вода 133 Если по какой-то причине упругость пара станет меньше упругости насыщения (например, если вдоль поверхности воды подует сухой ветер), то равновесие в системе пар — вода нарушится. Процесс испарения начнет преобладать над процессом конденсации. В результате упругость пара начнет расти. Это будет продолжаться, пока снова не установится динамическое равновесие между испарением и конденсацией; иначе говоря, пока пар снова не станет насыщенным. Если упругость пара станет больше упругости насыщения (например, если над водой подует влажный ветер), то начнет преобладать процесс конденсации над процессом испарения.
упругость пара начнет уменьшаться пока не установится динамическое равновесие и пар не станет насыщенным. Водяной пар, упругость которого меньше упругости насыщения при данной температуре, называют ненасыщенным или перегретым. Пар, упругость которого больше упругости насыщения при данной температуре, называют пересыщенным. Воздух, содержащий ненасыщенный (перегретый) пар, характеризуют физической величиной, называемой относитеяьнои влажностью воздуха.
Если р — упругость пара при некоторой температуре Т, а р„(Т) — упругость насыщения при этой температуре, то относительная влажность воздуха при рассматриваемой температуре: Р'(Т) = 100 % р„(Т) (2.4) Напомним, что относительная влажность воздуха может быть определена иначе — не через упругость (парциальное давление) пара, содержащегося в воздухе, а через абсолютную влажность воздуха, представляющую собой массу водяного пара в единице объема воздуха, т.
е. плотность пара. Именно так мы определили относительную влажность в разд. 2.1. Она выражалась через отношение наблюдаемой при данной температуре плотности лара к плотности пара, который был бы насыщенным при рассматриваемой температуре— см. формулу (2.1). По-видимому, по причине схожести соотношений (2.4) и (2.1) иногда путают понятия «упругость пара» и «плотность пара». Следует помнить, что упругость пара р — это его парциальное давление (единица измерения Н/м' = Па), а плотность пара р — это масса пара в единице объема (единица измерения г/м'). Связь между р и р 134 Глава 2. Фазовые переходы в атмосфере можно получить, воспользовавшись уравнением Клапейрона — Менделеева для идеального газа: (2. 5) р = п1сТ, где п — число молекул в единице объема газа; 11 — постоянная Больцмана.
Учитывая, что и = р/т, где т — масса молекулы, перепишем (2.5) в виде: (2.6) р = р)сТ/т. Поскольку )с= 1,38 10 мДж/К, а масса молекулы Н,О т = 3 1О 'з г, то из (2.6) находим искомое соотношение между р и Гк (2.7) где р измеряется в г/м', а р — в гПа. Зависимость упругости насмщения от температуры (кривая испарения); точка росм Упругость насыщения монотонно возрастает с увеличением температуры. Причем возрастает не линейно, как того требует закон Шарля, а существенно быстрее, поскольку у насыщенного пара с ростом температуры возрастает не только кинетическая энергия молекул, но и их концентрация (за счет испарения).
Отметим, что упругость насыщения над поверхностью льда немного ниже, чем при той же температуре над поверхностью воды. Это объясняется тем, что силы сцепления между молекулами Н О во льду больше, чем в воде. Возможно, читатель удивится тому, что мы говорим об одинаковых температурах поверхности льда и воды.
Дело в том, что чистая вода может находиться в переохлажденном состоянии при отрицательных температурах даже до — 30 С. На рис. 2.7, а представлен график зависимости упругости насыщения р„от температуры Т в интервале от 0 'С до 40 'С. График температурной зависимости упругости насыщения над водой приведен также на рис. 2.7, б (сплошная кривая), где рассматриваются температуры от — 40 до 0 С. Там же штриховой линией показана температурная зависимость упругости насыщения над льдом. 2 2. Нарушения равновесия в системе водяной «ар — евдо 135 30 ~ 40 Т,'С С 35 С -40 -30 -20 -1О 1О 20 $ 24 -40 -30 -20 -1О 0 1О 20 30 40 Т, 'С Рис.
2.7 Кривую на рис. 2.7, а называют (вместе со сплошной кривой на рис. 2.7, б) кривой равновесия воды и пара, а также кривой испарения. На рТ-плоскости она изображает границу между жидкой и газообразной фазами оксида водорода: в области слева и сверху от кривой равновесия находится вода, а справа и снизу — водяной пар. Если, используя соотношение (2.7), связываюшее упругость и плотность пара, перейти от зависимости р„(Т) к рн(Т), то кривая испарения на рис.
2.7 превратится в уже знакомую нам кривую на рис. 2.3. 136 Глава 2. Фозовые переходы в атмосфере Выделим мысленно некоторый относительно малый объем воздуха; он характеризуется температурой, давлением, относительной влажностью, парциальным давлением (упругостью) пара. С помощью термометра измерим температуру воздуха (а значит, и водяного пара, содержащегося в нем); допустим, она равна 35'С. Измерив с помощью конденсационного гигрометра (см. ниже) точку росы, которая оказалась равной 24'С, и используя кривую испарения, изображенную на рис. 2.7, можем определить относительную влажность воздуха при 35 С и упругость пара, содержащегося в рассматриваемом объеме воздуха.
Приведем таблицу для температурной зависимости упругости насыщения над чистой водой и льдом: Напомним, что точка росы — зто температура, до которой должен охладиться воздух при неизменном давлении, чтобы содержащийся в нем пар достиг насыщения и начал конденсироваться. В нашем случае точка росы равна 24 'С. Восставив на рис. 2.7, а перпендикуляр к Т-оси из точки А, находим упругость насыщения при 24 С; она оказалась равной 30 гПа. Значит, пар, достигший насыщения при температуре 24 'С, имеет парциальное давление (упругость) 30 гПа. А зто как раз и есть упругость пара, содержащегося в выделенном 22 Нарушения равновесия в системе водяной нар — вада 137 объеме воздуха (ведь при изобарическом охлаждении воздуха парциальное давление пара, как и давление воздуха, оставалось неизменным).
Мы определили упругость пара, а заодно выяснили, что его исходное состояние есть точка В, на рТ-плоскости (см. рис. 2.7, а). Чтобы теперь найти относительную влажность воздуха при 35 С, нужно разделить упругость пара 30 гПа на упругость насыщения при температуре 35 'С. Последнюю находим, восставив перпендикуляр к Т-оси из точки В', легко видеть, что р„(35 'С) = 57 гПа. Таким образом, искомая относительная влажность равна (30/57) 100% = 52,6%. Рис. 2.8 На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
