Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 24
Текст из файла (страница 24)
обитая оаодоиия о иолдумиоб оболояио злили Термодинамические процессы во влажном насыщенном воздухе существенно отличаются от процессов в сухом и влажном ненасыщенном воздухе не только с количественной, но и с качественной стороны. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим процесс адиабатического подъема влажного воздуха. До тех пор пока влажный воздух не насыщен, его состояние меняется по сухоаднабатическому закону. Температура частицы при подъеме уменьшается (практически на 1'С на 100 м), доля пара сохраняется постоянной (5 =сопя(), поскольку не происходит конденсация водяного пара.
Относительная же влажность адиабатически поднимаюя щейся частицы растет с увеличением высоты (это утверждение доказывается в п. ! главы 17). Таким образом, при адиабатическом подъеме влажной ненасьпценной час- 2 тицы наступает такой момент, когда частица достигает состояния насыщения (Г'=100 С4 ). Уровень, на котором влажный ненасыщенхи ный воздух достигает состояния насыщения, называется уровнела конденсации и обозначается г,; температура и давление на этом уровне обозначаются соответственно Т, и р,.
Если влажная насыщенная частица поднимается и выше уровня конденсации, то вследствие дальнейшего понижения температуры начнется конденсация водяного пара. При конденсации выделяется скрытая теплота парообразования (около 2600 кДж при конденсации 1 кг водяного пара), в результате чего температура частицы выше уровня конденсации понижается медленнее: часть работы расширения совершается за счет теплоты конденсации (в то время как до достижения состояния насыщения работа расширения совершалась только за счет уменьшения внутренней энергии).
Кривая состояния насыщенной частицы при ее адиабатическом подъеме называется влажной адиабатой, а изменение температуры частицы при подъеме на единицу высоты при влажноадиабатическом процессе — влажноадиабатическим градиентом а ' Из предыдущего следует, что при влажноадиабатическом процессе: а) температура поднимающейся частицы уменьшается с высотой, но медленнее, чем при сухоадиабатическом процессе (у'„< <т,); 6) доля пара з вследствие конденсации уменьшается с вы. сотой; в) относительная влажность поднимающегося воздуха, постоянна () = 100 $ = сопя().
Адиабатический подъем влажного воздуха до достижения состояния насыщения (до уровня конденсации) называется сухой стадией, а в состоянии насыщения (выше уровня конденсации)— влажной стадией (рис. 4.3). Рнс. 4.3. Кривая состояния влажного воздуха ! — сухая адиобата, У— влажная одиабатл. тормодииамииа атмосбоаы 9 Уравнение первого начала термодинамики для влажноадиабатического процесса (9.1) да=с„йТ;+ рйо;+ Т. йз . Если воспользоваться уравнением состояния влажного воздуха, то уравнение (9.1) можно привести к виду йу = ср йТ; — КТз + 1, йзл,.
ЙР Р (9.2) Уравнения (9.1) и (9.2) для влажноадиабатического процесса (йд = О) принимают вид; с„йТ;+ рйги+ Е,йз =О, с йТ, — рТт — Р+(.йз =О. (9.3) (9,4) С учетом основного уравнения статики уравнение (9.4) запишем в виде со йт, + — ', ' й + (. йз„= О. (9.6) Из этого уравнения находим влажноадиабатический градиент: ° йт, д Т, Г. йз с Тл ср аг или азл1 то=у +, (9.6) Формула (9.6) показывает, что всегда у,' < у„так как при аднабатическом подъеме влажного насыщенного воздуха доля Выделим частицу влажного насыщенного воздуха единичнои массы и сообщим ей количество тепла йд. Это тепло затрачивается иа: а) изменение внутренней энергии сойТь 6) работу расширения рйоь в) испарение некоторого количества воды. Испарение должно произойти потому, что при сообщении тепла йд температура частицы повысится и водяной пар, который содержится в частице, уже не будет насыщенным. Для того чтобы он остаВапея НаСЫщЕННЫМ, НЕОбХОдИМО уВЕЛИЧИтЬ ДОЛЮ Пара На йзтл Путем испарения водьь На испарение такой массы воды затрачивается количество тепла Т.йзм (1.
— удельная теплота парообразования). Таким образом, уравнение первого начала термодинамики имеет в этом случае вид об шне свеаеннн а волнушкой оболочке землн сухие адиабаты — к — ривые состояния сухой или влажной ненасыщенной частицы. Поскольку вдоль сухой ди б а а аты сохраняет н — ! постоянное значение потенциальная температ а: В =Т,',' ) ' =сонэ(, то с хне тура: = (ро~'Р) — у е адиабаты на аэрологической диаграмме, как нетрудно видеть, представляют собой прямые линии.
Для того, чтобы определить, к р . ть, какому постоянному значению 6 соответствует та или иная сухая адиабата, необходимо найти точку пересечения этой адиабаты с изобарой 1000 гПа; ия влажного насыщен- влажные адиабаты — кривые состояния ного воздуха; изограммьс — кривые равных значений доли пара в состоянии насыщения (зш = сопз1) . Н а диаграмме нанесены также: расстояния (в гп.
м) меж главными изоба иче о арическими поверхностями при данной средней тем(а гп. м) между псратуре слоя; распределение температуры в стандартной атмосфере; виртуальные добавки в состоянии насыщения (в виде расстояний между штрихами на главных изоба ах). В у у диаграммы помещена вспомогательная номограмма, устанавливающая связь между температурой, относительной влажностью и дефицитом точки росы. Наряду с прямоугольным бланком построены и на практике используются так называем е у . б анки аэрологической диаграммы. На последних по оси ординат также отложено давление в степени (х — !)/х=0286, однако изотермы представляют собой наклонные прямые линии, Косоугольные бланки предназначены для раздельного анализа состояния атмосферы в теплую и холодную пол 1050 до 100 П до 00 гПа.
Эти бланки позволяют проводить анализ с более высокой точностью, чем прямоугольные бланки. 11 Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков Аэрологическая диаграмма (см. рис. 4,4) позволяет достаточно быстро и с нужной для практики точностью проводить анализ результатов зондирования атмосферы, Рассмотрим некоторые из приемов такого анализа. Характеристики влажности воздуха.
На аэрологической диаграмме проведены изолинии доли насыщенного пара (з ). Поэтому доля пара, отсчитанная в точке А, которую наносим по измеренным температуре Т и давлению р, будет представлять собой долю насыщенного пара для исходного состояния А (з л). Чтобы определить фактическую долю пара з„, смешаемся от точки А вдоль изобары до точки 1), которая нанесена по известным (изс меренным) точке росы т и давлению р. Если теперь отсчитать зна- терноаннамнка атмосферы чение доли пара по изограмме, проходящей через точку О, то это значение и будет представлять собой фактическую долю пара воздуха: з о = зл, Относительная влажность определяется по соотношению !'=(б ь1бшл) !00.
Уровень конденсации и кривая состояния влажной частицы. Через исходную точку А проводим сухую адиабату до пересечения с изограммой, проходящей через точку Т1. Точка К вЂ” уровень конденсации. Выше точки К воздушная частица поднимается влажноадиабатически. Таким образом, кривая АК6 представляет собой кривую состояния влажной частицы, расположенной в начальный момент в точке А.
Она всегда состоит из отрезков сухой и влажной адиабаты. В том частном случае, когда в начальный момент 1= = 100%, кривая состояния представляет собой влажную адиабату. Потенциальная температура 6, От исходной точки А смещаемся вдоль сухой адиабаты до изобары 1000 гПа (точка Т), где и отсчитываем потенциальную температуру. Псевдоэквивалентная и псевдопотенциальная температуры. Наряду с понятием влажноадиабатнческого процесса, который характеризуется тем„что вся сконденсировавшаяся при подъеме влага остается внутри воздушной частицы, введем понятие псевдаадиабатического процесса. Псевдоадиабатическим называется адиабатический процесс, протекающий во влажном насыщенном воздухе, при условии полного выпадения из частицы всей жидкой влаги. Если вся сконденсированная влага остается внутри воздушной частицы, то выше уровня конденсации кривой состояния частицы будет служить влажная адиабата; если сконденсированная влага целиком выпадает, то кривая состояния частицы — псевдоадиабата.
Из качественно физических представлений и теории (масса капель воды мала по сравнению с массой воздуха) вытекает, что различие между влажной адиабатой и псевдоадиабатой несущественно. Это значит, что практически псевдоадиабатический подъем частицы может быть заменен влажноадиабатическим подьемом.
Но наблюдается принципиальное различие в опускании воздушных частиц, поднявшихся до некоторого уровня влажно- и псевдоадиабатическн. Влажноадиабатический процесс обратимый: кривой состояния частицы при подъеме и опускании служит одна и та же влажная адиабата. Псевдоадиабатический процесс необратимый: кривой стратификации частицы при подъеме служит псевдоадиабата, а при опускании — сухая адиабата, в результате чего температура частицы после возвращения на исходный уровень оказывается выше, чем она была до подъема.
Псевдоэквивалепгпой температурой Тр влажной частицы называется такая температура, которую принимает эта частица, если ее поднять сухоадиабатически да уровня конденсации, псевдоадиабатически до полной конденсации водяного пара (практически до ткрмокхккмкк» кгмосфоам обшко сколечко о воздушное оболочко земли 112 того уровня, где сухая и влажная адиабаты пойдут параллельно), а затем опустить сухоадиабатически до исходного уровня (точка Лг). Псевдопотенциальной температурой 6 называется такая температура, которую принимает частица воздуха, если ее после псевдоадиабатического подъема до полной конденсации водяного пара опустить сухоадиабатически до уровня 1000 гПа (точка М).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
