Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Более старые части ледяного облака содержат очень мало незамерзших частиц, так что температурные градиенты в них невелики. Разделение на заряды происходит в основном в более молодых облаках, где существуют более интенсивные восходящие токи и содержится ббльшее количество псреохлажденной воды. В масштабе атмосферных движений в молодых ячейках облачности интенсивная генерация кинетической энергии за счет сил плавучести полностью преобладает над генерацией энергии электрическими силами.
Обычно считается, что при разряде молнии происходят внезапные перемещения электрических полей большой напряженности, и благодаря электростатическим силам выпадает дождь нлн град, находившийся до этого момента во взвешенном состояния. В действительности именно благодаря тому, что градины уже падают, н происходит разделение зарядов, и естественно было бы ожидать, что градины достигнут земли вскоре после удара молнии, особенно в случае молодой облачной ячейки. 11.1.6. Температура капельных облаков Можно считать, что температура ледяных кристаллов и водяных капель очень близка к температуре воздуха, сквозь который они падают. Практически важным исключением являются градины: в момент слияния с персохлажденнымн частицами внутри облака они теплее окружающего воздуха, но достигнуть земли онп могут гораздо более холодными, чем воздух, в котором они падают, что обусловлено их высокой скоростью падения. Лналогично, крупные капли дождя могут быть холоднее окружаюшего воздуха, но происходит это главным образом потому, что прп падении в воздухе они принимают температуру смоченного термометра (равд.
11.2.5). 11.1.7. Оледенение н переохлаждение Когда воздух охлаждается ниже точки росы, конденсация происходит нлн на поверхности, или в ниде облака. При дальнейшем охлаждении частицы, не замерзая прп О'С, могут оста- 431 ОБЛАКА Н ОСАДКИ ваться переохлаждепными и при температуре — 40'С. Ниже этой температуры происходит спонтанное замерзание (если только в воздухе нет концентрированных растворов сульфатов или хлоридов). Время, в течение которого частицы остаются незамерзшими при температурах от 0 до — 40'С, зависит от размера частиц и от температуры окружающего воздуха. Облако, состоящее из мелких частиц (меньше 5 мкм в диаметре), при — 30'С может оставаться незамерзшим в течение многих часов, тогда как дождевые капли в кучевых облаках могут замерзнуть за несколько секунд при — 1О'С.
Следовательно, кучевые облака оледенсвают при более высоких температурах, чем тонкослойные. Образование дождя ускоряется сильными восходящими токами в быстрой конденсацией в А<идку<о фазу. Это особенно ярко проявляется при наличии некоторого количества крупных частиц, так как частицы при этом сталкиваются ц слвва<отся одна с другой гораздо чаше. Вероятность образования первичных кристаллов резко повышается как при увеличении размеров капель, так и при понижении температуры. На практике прн температурах ниже — 40'С олсденение столь интенсивно, что его можно считать мгновенным даже для очень мелких частиц.
11.1.8. Скрытое тепло Количество теплоты, высвобождающееся при конденсации, слабо зависит от изменения температуры. Оно столь велико, что является определяющим фактором в облачной динамике. Скрытая теплота у воды выше, чем у болыцинства других атмосферных примесей; конденсации всего 5 — 10 <!Б водяного пара достаточно, чтобы нагреть воздух на 1'С. Скрытое тепло, выделяющееся при оледенении жидкой фазы, в 6 раз меньше, чем при конденсации, и поэтому с энергетической точки зрения играег второстепенную роль. Главное и без сомнения наиболее важное влияние оледенения заключается в замедлении испарения, которое, таким образом, препятствует потерям скрытой теплоты конденсации. 11.2. Тефиграмыа Для того чтобы графически представить состояние азмосферы по данным аэрологического зондирования, требуются две координаты.
В тсфиграмме роль координат играют температура Т и энтропия <г. Так как энтропия пропорционалы<а логарифму потенциальной температуры О, то по вертикали в логарифмнчсском масштабе откладывается величина О. По горизонтали 432 ГЛАВА и масштаб температуры лпнесц. Тефиграмма представлена на внутренней стороне обложки этой книги. 11.2.1. Изобары Из уравнения (!.6.3) при постоянной температуре следует 0- р<"р' ', так что можно считать, что по вертикали отложен ло- ьдз Рнс !12.1.
Часть тефитраммы, на которой приведены иаотермы с интервалами йт'"С и линии постоянной патснциальной температуры О с интерва- лами 4'С. 7-*6 на уровне 1000 мбар, изабары приведены с интервалами 100 мбар от ООО до ООО мбар. Горпзонталввыс лшпш. такие, «аи АВ, являются сузнми адиабвтами с нейтральной стра. тн$нкацией на кривой зондировании.
АС представляет устойчивую стрвтифнкпппю, или рост 6, с увеаивсинем высоты (с уменьшением ри гарифм давления, по в положительном направлении оси (вверх) давление уменьшается. Масштабы могут быть выбраны таким образом, чтобы изобары располагались под углом -45' к осям, а так как рассматриваемая область величин находится далеко от пулевого значения потенциальной температуры, то логарифмический масштаб близок к линейному.
Из сказанного следует, что нзобары пскрнвляются очень мало (рис. 11.2.1). 11.2.2. Сухие аднабаты Если воздух стратифициронан нейтрально, то потенциальная температура одинакова на всех уровнях, и результаты аэрологичсского зондирования изображаются горизонтальными линиями 0 = сопя!. Этп линии называются сухими адиабаталеи, так ОБЛАКА И ОСАДКИ как они отражают вертикальные перемещения частиц без конденсации. Так, на рис.
11.2.1 линия АВ представляет собой результат зондирования в нейтральной атмосфере. ЛС соответствует устойчиво стратифицированному слою атмосферы, в котором потенциальная температура растет кверху, т. е. в направлении возрастания высоты и убывания давления. При аэрологическом зондировании аппаратура регистрирует давление и температуру, и этп две величины используются в качестве координат для изображения результатов зондирования па диаграмме. Некоторые метеорологические оргапизапии использую~ очень похожие диаграммы в координатах Т и 1п р. Эта развернутая под углом система координат наложена на тефиграмму и выглядит подобно последней, с единственной разницей, что изобары па ней прямые, а сухие адпабаты несколько искривлены. Частица воздуха, расположенная в окрестности АС и перемещающаяся адиабатически вниз от Е к Е', была бы теплее, чем ее новое окружение на высоте Н, поэтому на нее действовала бы сила, возвращающая ее к Е.
Если бы частица перемещалась адиабатпчески наверх к Е", она была бы холоднее, чем ее новое окружение, и на нее также действовала бы сила, возвращающая ее в первоначальное положение. Следовательно, воздушный слой ЛС устойчив. 11.2.3. Отношение смеси для влаги; уровень конденсации Это отношение определяется как число граммов пара в 1 кг сухого воздуха.
Для практических целей можно считать, что оно равно одной тысячной От отношения парциального давления водяного пара к общему давлению. Характеристики влажности приведены на диаграмме для насыщенного воздуха в виде линий, показывающих отношение смеси для состояния насыщения, Эти линии наклонены влево от вертикали (рис. 11.2.2).
Частица воздуха, температура и давление которой представлены на рис. 11.2.2 точкой А, может иметь влажность, скажем, 3 г/кг. Если бы она поднималась адиабатически до точки С, которая расположена на липин 3 г/кг, частица превратилась бы в насыщенную. Если бы отношение смеси при насыщении в точке А было равно 5 г/кг, то относительная влажность воздуха в точке А была бы '/Б, или 60 %. Если частица поднимается до точки С и ее относительная влажность при этом достигает 100 %, то высота С называется уровнем конденсации для этой частицы.
1!.2,4, Влажная адиабата Если частица воздуха от точки С на рнс. 11,2.2 будет подниматься вверх до изобары С', то некоторая часть пара ГЛАВА П скондспсируется в жидкость. Следовательно, вместо того, чтобы адиабатически охладиться и попасть в точку С', она нагреется за счет выделения скрытой теплоты конденсации и попадет в точку 5, где должно сконденсироваться значительно меньше жидкости. Линия С5 является частью влажной адиабатон проходящей через С. Она вычислена в предположении, что сконденснровавшаяся часть жидкости сразу же удаляется.
(Это предположение та 1 уз .в \ Рпс. 11.2.2. Тефиграмма, па которой линии постоянных значений отношении смеси при насыщении наклонены влево. Если частаца аоздука нодннмается от точки А аднабатнческн н становятся насьнценной в тачке С, то ее оспа~сеанс снеся равно 3 г1кг.
Высота кан давлснае в точке С называется уровнем «оаденсацнн. Если частнца но.гннмастся ы нне, она следует в,голь влаж ной аднабаты да точки 5. Прн давлснан, соотнетствуюгцем точке А, воздуа, чей уровень нондев«ацнн оааоднтса н С, нмсст темйературу смо~енного термометра в т чке Пг н точку росы а В. сделано потому, что количество влаги в частице зависит от уровня, на котором частица впервые превратилась в насыщенную.) Впрочем, используемое предположение пс вносит болыпих ошибок. Если жидкая фаза остается в воздухе, то воздух при подъеме выхолажпвается медленнее, так как он несет с собой жидкость, которая должна охлаждаться вместе с ним. Точнее говоря, если воздух опускается по влажной адиабатс, то вода, чтобы испариться, должна иметь ту же температуру, что и воздух. На рисунке линия отношения смеси при пасьпценип, проходящая через точку 5, равна 2,7 г/кг, и при подъеме от С к Я должно сконденсироваться 0,3 г жидкой фазы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
