Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 80
Текст из файла (страница 80)
435 овллкА и ослдки 11.2.5. Теорема Норманда: температура смоченного термометра и точка росы Если провести через точку А нзобару, а через точку С (соответствующу>о уровню конденсации) — влажиу>о адиабату, то эти линии пересекутся в точке К. Точка Ю' представляет собой температуру, до которой воздух охладился бы, если бы вода в нем испарилась при влажпоаднабатическом переходе от точки С до уровня давления в точке А (вместо сухоадиабатического перехода от точки С до температуры в точке А). Влажная частица воздуха охлаждается пз-за испарения, а как только температура смоченного гермометра станет постоян>юй, можно считать, что все тепло для испарения получается из воздуха; единственная разница заключается в том, что в случае влажной частицы вода испрястся при постояннойтемпературесмоченного термометра, а не при переменной температуре вдоль СК. Тем не мопсе эта разница невелика, и для практических целей температура в точке К может считаться температурой смоченного термометра.
Ошибки возпика>от из-за того, что корпус термометра проводит тепло от влажного конца к сухому: тем не менее теоретически считается, что весь термометр заключен во влажную оболочку. Ошибки мппимпзируются лучше всего, если увеличить скорость испарения, усилив вентиляцию влажного конца. Это приведет к увеличению общих потерь тепла и изоляции остальной части стеклянного корпуса термометра. Линия постоянного отношения смеси, проходя>цая через точку С, пересекает изобару, проходящую через точку А, в точке П.
Точка 0 является точкой росы: температура в ней равна той температуре, до которой должен быть охлажден воздух при постоянном давлении, чтобы стать насыщенным. В теореме Норманда утверждается, что сухая адиабата пересекает влажную адиабату и линию отношения смеси, проходящую через точку росы, в точке уровня конденсации. Если воздух охлажден до б (рис. 1!.2.2), то он может содержать пе более чем 2,4 г(кг водяного пара.
Следовательно, 0,6 г пара должны быть сконденсированы либо в виде росы на холодной поверхности, либо, если выхолажпвапие вызвано потерями за счет излучения (главным образом на водяном паре, содержащемся в нем), в виде тумана. В последнем случае некоторая часть воздуха охлаждается до температуры значительно ниже точки росы, и роса выпадает даже при слабом ветре. Если утром воздух персме>впвается, то выхолажнванпе распространяется на атмосферный слой существенной толщины, и в результате перемешивания воздушных объемов с различными температурами образуется туман (равд. 11.3), овлхкА и ослдки 43Т дух охлаждается за счет подъема вдоль сухой адиабаты, то конденсация не будет иметь места до тех пор, пока не будет достигнут уровень конденсации в точке С. Если до достижения точки Е сконденсировалось конечное количество воды, которая потом замерзла, то сначала высвобождается скрытая теплота таяния, а затем продолжается сублимация водяного пара на кристаллах льда.
Это вызывает дальнейшее нагрева ние, которое продолжается до тех пор, пока воздух нс достигает состояния, соответствующего точке Т, которая на липин влажной адиабаты представляет собой точку насыщения над льдом (с тем же самым суммарным содержанием воды, что и в точке С, но в виде льда вместо жидкой фазы). Если теперь воздух опускается от точки Т, оставаясь насыщенным для льда, то ледяные кристаллы будут продолжать испаряться, и весь лед испарится прн достижении точки Е. Точка Е, в которой адиабата для льда, проходящая через точку Т, пересекается с сухой адпабатой, проходящей через точку А, лежит на линии насыщения, проходящей через точку Е.
Линия отношения смеси при насыщении для воды, проходящая через С и О, сливается с линией отношения смеси при насыщении для льда, проходящей через Е и Е, на нулевой нзотерме (О'С). Подобным же образом влажная аднабата, проходящая черезточку С (н 5), сливается с адиабатой для льда, проходящей через точку Е (и Т), на изотсрче О'С.
Если влага в частице воздуха замерзает при давлении, существующем в точке А, то температура этой частицы будет равна температуре в точке Ф", являющейся пересечением изобары, проходящей через точку А, и аднабаты для льда, проходящей через точку Е, Точка Е находится на уровне конденсации для льда, так как нри падении давления ледяные кристаллы пз пара не образуются.
Но если, скажем, в точке Т, замерзшее облако все жс присутствует, то оно нри опускании не испарится до тех пор, пока не достигнет точки Е. Точка Е поэтому называется точкой испарения для льда. Разность мсжду ледяной и водной адиабатамн и линиями отношения смеси при насыщении может быть просто представлена с помощью разности между точкой замерзания и точкой росы для одного и того же давления при различных значениях точки росы. Это отражено в табл. 1!.2.1, в которой Т1 п Те Таблица 11.2.1 Ти аС 0 — 4,4 — 9 — 14 — 19,4 — 24,5 — 32,2 — 40,4 Ту — Тю аС 0 0,5 ! 1,5 2 2,5 3 3,5 обозначают точку замерзания и точку росы соответственно.
Следовательно, если точка росы равна — 19'С, а точка замерзания 438 главк н равна †!7 С, то воздух, в котором водяной пар сконденснровался при температуре — 19'С, а затем замерз, испарится лишь при опускании па 200 м ниже уровня конденсации. В этом случае изобара, проходящая через точку С, пересечет линию насыщения для льда в точке Е', где температура на 2'С выше Следовательно, точка Е расположена на 230 м ниже точки С и имеет на 2,3'С более высокую температуру.
Итак, паже изотермы — !9'С имеется слой воздуха тол>пипой 230 м, в котором могут сосуществовать как ледяные частицы, кристаллы которых могут расти, так н водяные капли, которые могут испаряться. 11.2.7, Виртуальная температура Водяной пар имеет плотность, составляющую 0,622 от плотности воздуха прн тех же давлении и температуре. Следовательно, если в воздухе содержится 1 % водяного пара, т.
е. воздух вмеет отношение смеси, равное !О г/кг, то его плотность составляет 99,622 '/а от плотности сухого воздуха. Прп температуре — 0'С частица воздуха, содержащая на ! г/кг больше водяного пара, чем осгальной воздух, и име>ощая такую же плотность, должна быть на 0,0388 % (т.
е, на О, !'С) холоднее. Грубо говоря, разница в содержании влаги 1 г/кг эквивалентна разнице температур О,!'С. Виртуальной температурой воздуха называется температура сухого воздуха с теми же самымп давлением и плотностью. Для метеорологии эта разница пренебрежимо мала, по она может быть важна для определения показателя преломления, на который влия>от и температура, и влажность (Скорср, 1964). Следовательно, если влажность неоднородна из-за неравномерного испарения в облаках, то даже при однородной плотности будет происходить рассеяние радиоволн и отражение световых лучей, что можно наблюдать в мощные телескопы. Со времени первых радиолокационных наблюдений причиной такого распределения показателя преломления обычно счита>от турбулентность.
Однако скорости, необходимые для возникновения флюктуаций давления, вызываю>цих такое преломление в воздухе однородного состава, должны быть столь велики, что кажутся невероятнымп. Объяснение этого явления неравномерным распределенном влажности более разумно. В связи с этим указанный эффект назван <замороженной турбулентностью», так как такое название указывает тип происходящего движения. 11.2.8. Консервативные свойства воздуха Если частица воздуха не перемешивается с другими частицами и пе теряет тепло за счет излучения, то ее потенциальная температура остается постоянной. Когда происходит конденса- овлхкА и ослдки ция, частица воздуха перемещается вдоль влажной адиабаты.
Если в облаке влага конденсируется и часть жидкой фазы выпадает в виде осадков, а само облако оказывается ниже точки, где всс оно испаряется, то его характеристикой остается та же влажная адиабата. Если при опускании облака влага, попадающая в него извне, испаряется в нем, то температура смоченного термометра в облаке остается неизменной и точно такой же, как если бы такое испарение происходило при неизменном давлении. Следовательно, только изменение теплопроводности, перемешиванис или радиация могут изменить влажную адиабату, вдоль которой перемещается частица. Эта линия определяется температурой, при которой частица пересекает изобару 1000 мбар, давая при этом температуру смоченного термометра частицы при 1000 мбар.
Это консервативное свойство называется потенциальной температурой смоченного термометра для воздуха. Полная тефиграмма приведена на внутренней стороне обложки этой книги; оиа может быть использована при анализе различных случаев конденсации и вертикальных течений в атмосфере. 11.3. Физика конденсационного следа за самолетом Когда перемешиваются два объема ненасыщенного воздуха, то в результате устанавливается температура, средневзвешенная между исходными температурами, в соответствии с пропорцпсй, которая существовала между этими объемами первоначально.
Выбросы авиационных двигателей медленно перемешиваются с постепенно увеличивающимся объемом окружающего воздуха, пока смесь не достигнет уровня равновесия, при котором пе остается различия в плотностях, В отсутствие жидкой фазы такой уровень всегда найдется.
Однако если некоторое количество влаги присутствует в виде капель, потери тепла па их испарение вызывают различия в плотностях, что в свою очередь приводит к дальней~нему псремешиванию. Следовательно, облачная влага всегда находится в состоянии перемешивания и испарения в тех зонах облака, где она вступает в контакт с ненасыщенным воздухом, находящимся на том же уровне.
Влажность воздуха в условиях насыщения для водяного пара и льда при различных значениях давления может быть представлена как функция температуры. Па рис. !1.3.1 — !1.3.3 привелены характеристики влажности при насыщении для давлений 550, 400 и 250 мбар. Выхлопные газы авиационных двигателеи очень горячи и имеют очень большую влажность; точка, ГЛАВА,1! г,о ч и И уо а о -ба -ФО 7Рмлераглйуга, Г -ЗО Рис 11.3.1. Кривые насыщенна для воды и льда прп давлении 550 мбар, соответствутощем высоте примерна о600 м.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
