В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Указанный факт приводит к конвекции в экваториальной зоне.При подъеме воздушные массы, расширяясь, охлаждаются. На определенной высоте при достижении температуры точки росы начинается конденсация водяного пара и формирование мощных кучево-дождевых облаков. Дальнейший подъем воздушных масс поддерживается выделением теплоты конденсации. Достигая тропопаузы, воздушные массы растекаются от экватора на полюса Северный и Южный.Влажность растекающихся потоков низкая, так как почти вся влагаостается в зоне образования облаков.При растекании воздушные массы теряют тепло на излучение, иплотность их повышается. В области 30° северной и южной широтпроисходит опускание воздушных масс по всей толще тропосферы, заисключением нижнего 2-километрового слоя, где господствует мелкомасштабная конвекция.
В зоне 30° широты давление у поверхностиокеана выше, чем в экваториальной области. Этот перепад давленияприводит к переносу воздушных масс ветровыми системами — пассатами. Пассаты замыкают первую циркуляционную ячейку (ячейку Гадлея). В Северном полушарии из-за действия сил Кориолиса пассатыимеют северо-восточное направление, а в южном полушарии — юговосточное. Вблизи экватора пассаты обоих полушарий сходятсяв так называемую внутритропическую зону конвергенции.В северных широтах, в районе 30-60°, реализуется ячейкаФерреля. В этой зоне под действием субтропических антициклонов преобладают западные ветры и погода определяется дви Рис. 3.30. Перемещение воздушных массжущимися циклонами и анти из зоны высокого давления (В) в областьнизкого (Н)циклонами (рис. 3.30).В полярных областях радиационные потери тепла приводятк выхолаживанию и опусканиювоздушных масс.
Это, в свою очередь, повышает давление у подстилающей поверхности. Перепад давления между зоной полярного антициклона и поясомнизкого давления в зоне 60° Северного (и соответственно Южного) полушария определяет перемещение воздушных масс отполюса, которые под действиемсил Кориолиса приобретают восточную составляющую скорости.На рис. 3.31 приведена схемаРис.
3.31. Схема распределения поясов высокого (В) и низкого (Н) давления и ветрараспределения поясов давления ина земном шареветра над поверхностью земногошара, определяющих общую циркуляцию атомсферных масс (полноеизложение циркуляционных процессов можно найти во многих монографиях, например у Э.Н.Лоренца, 1970). Следует отметить, что принятая схема общей циркуляции описывает только усредненную картинупереносов атмосферных масс. Отклонения могут быть вызваны различными факторами: значением альбедо для водной и твердой оболочекЗемли, орографией суши, состоянием метеорологических условий и др.Исследование общей циркуляции атмосферы в целях дальнейшегоуточнения ее влияния на климат представляет собой одну из главныхпроблем века.
В последние десятилетия уже разработаны и реализуются такие международные и национальные научные программы, как“Всемирная программа исследования климата” (ВПИК), “Трбпический океан и глобальная атмосфера” (TOGA), WOCE, “Разрезы” и др.В этих программах принимают участие все ведущие научные организации географического профиля РАН, а также университеты Российской Федерации и других государств СНГ.В России ведущей организацией по изучению роли процессоввзаимодействия в энергоактивных зонах Мирового океана являетсяГосударственный океанографический институт.Проведенные в последнее время научными силами РоссийскойФедерации исследования представляют особый интерес, так как онивыполнялись по комплексной программе, последовательно охватываявсю цепочку пространственно-временных масштабов взаимодействияот глобальных до мелкомасштабных.
Такой подход обеспечил получение новых представлений о переносе тепла в системе океан-атмосфера. (Более подробно см. монографию С.С. Лаппо и др., 1990.)ГЛАВА 4ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЗЕМЛИНаша Земля из Космоса выглядит бело-голубой. Голубоватыйцвет — это цвет океанов, занимающих: около двух третей поверхности Земли. Белый цвет — рассеянное от облаков солнечное излучение. Помимо водяных капель облаков (рис. 4.1) в атмосфере находятся невидимые массы водяного пара, поступающего в атмосферу врезультате испарения воды с поверхности Мирового океана и вод суши(реки и озера), а также сублимации с ледовых покрытий и транспирации влаги растениями.
Поднимаясь вверх в атмосферу, водяной парохлаждается, переходит в жидкую или твердую фазу и в конечномсчете выпадает в виде осадков — дождя или снега. Часть осадковвозвращается в океан, а часть — на поверхность литосферы, где черезстоки и фильтрацию вновь поступает в океан. Весь этот цикл всистеме океан-атмосфера-литосфера-океан называется гидрологическим циклом Земли (рис.
4.2).Замечательным свойством этого цикла является сохранение наЗемле общего количества влаги и восстановление ее пригодности кновому, употреблению.При своем “круговороте” вода испытывает фазовые превращения.При существующих на Земле значениях температуры и давлениявода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Если бы земной шар не находился на расстоянииУсловная границамежду облачными tдождевыми каплями)г з 100,V - 70Типичное ядро• конденсацииr =0,1,n*10stv --0,0001ОТипичная облачная капляг -10, П - -1 0 6.
v - 1Рис. 4.1. Сравнительные размеры, концентрация и скорости падения частиц, участвующих в процессах облако- и осадкообразования (по Мак-Дональду, 1958): г — радиус(мкм), п — число частиц (л- 1 ), v — установившаяся скорость падения (см/с)Рис. 4.3. Стадии (прямоугольники) и процессы (кружки) круговорота воды. Числа(в процентах) показывают количество воды, присутствующей в настоящее время вкаждой стадии.
Скорости процессов даны в 1015 кг/год (по Гарвею, 1982)1,5 • 108км от Солнца, то вода не могла бы существовать в трехсостояниях. Расчеты показывают, что изменение расстояния до Солнца примерно на ± 11% привело бы к полному испарению илизамерзанию воды. Гидрологический цикл состоит из серии переходовводы из одного агрегатного состояния в другое. Поскольку в среднегодовом бюджете круговорот воды можно рассматривать как установившийся процесс, то источники и стоки воды для каждого состояниядолжны быть равны между собой (закон сохранения вещества). Следовательно, время пребывания молекул воды в каждом состоянииопределяется отношением массы воды в указанном состоянии.
намассовую скорость: г = т / ит. Схема состояний (стадий) и процессовгидрологического цикла приведена на рис. 4.3. Исходя из общеймассы воды на Земле, равной 1,4 • 1021 кг, время пребывания молекул воды в каждом состоянии составляет следующие значения:в океане — 4 • 103 лет, в лиВодяной пар Iтосфере (все воды суши) —Жидкая вода + водяной пар /4 * 10 лет, в атмосфереj-*------- Теплота испарени!(водяной пар и облака) —540 кал/г10 дней. Из приведенной схемы также следует, что пракЖидкая водатически вся вода (97%) находится в Мировом океане.Любое изменение фазоТеплота талииявого состояния требует за80 кал/гтраты энергии.
На рис. 4.4приведены переходы в различные фазы и соответству - 1 0 0800600200400ющие им температуры и коТеплота, калличества теплоты. Особо об Рис. 4.4. Фазовые переходы воды (по Вайсбергу,ращают на себя внимание 1980)большие значения величины теплоты испарения и теплоты таяния. Это то свойство воды,которое позволяет ей играть определяющую роль в энергетике атмосферы и океана.Рассмотрим физику процессов фазового перехода воды.—И СП АР ЕН И Е И К ОН ДЕН САЦ И ЯВ природе испарение является единственным процессом переносавлаги в атмосферу с поверхности Мирового океана и суши.
Физический механизм испарения состоит в том, что часть молекул водыв результате хаотического движения приобретает значительные скорости, позволяющие им преодолеть силы притяжения соседних молекул и покинуть жидкость. При этом совершается работа, состоящаяиз работы против сил сцепления и работы против внешнего давленияобразовавшегося пара. Указанная работа в конечном итоге совершается за счет кинетической энершк теплового движения молекул, чтоприводит к охлаждению жидкости.
Поэтому для поддержания процесса испарения при постоянной температуре необходимо подводитьк жидкосп? тепло. Как уже указывалось, это тепло, отнесенное кединице массы, есть теплота испарения (L = Q /m [Дж/кг]).Обратный испарению процесс — конденсация — состоит в переходе игра в жидкое состояние. При этом выделяется теплота, количество которой равне теплу, затраченному на испарение сконденсированной влаги.Вследствие, теплового движения молекул испарение происходитпри любой температуре. Естественно, что при повышении температуры жидкости скорость испарения возрастает. Если жидкость поместить в замкнутый сосз'д, то через некоторое время между жидкостьюи паром над ней установится динамическое равновесие, состоящее втом, что число вылетающих в единицу времени из жидкости молекулводы будет равно числу возвращающихся в жидкость молекул пара.Таким образом, ь указанных условиях одновременно с испарениемпроисусдит конденсация, чем и обеспечивается взаимная компенсация этих процессов.
Пар, находящийся в динамическом равновесиисо своей жидкостью, называется насыщенным паром. Давление, которое оказывает насыщенный пар, называется упругостью (или давлением) насыщенного пара по отношению к водкой поверхности (е ).Поскольку кинетическая энергия молекул воды определяется температурой. упругость насыщенного пара также зависит от температурыжидкости. Скорость изменения давления насыщения от температуры описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса.Обычно это уравнение получают из рассмотрения бесконечно малого обратимого процесса Карно для двухфазной системы.
На рис. 4.5в координатах р, V показан графикизотермического процесса для изотерм Т и Т + d T реального газа.В промежутке точек 1 и 2 жидкость находится в равновесии со своим насыщенным паром. Работу вцикле (заштрихованная область) приближенно можно выразить в видеАЛ - m(Vn - Уж) Ар. Тоща коэффициент полезного действия цикла будетг, = AA / Q = [(Vn - V j / L ] ■ Ар,Рис. 4.5.График изотермическогоппоцрг-':а лля изотерм 7 и 7' +rfrгде L — теплота испарения, a Q —подведенное тепло (Q = mb).
В своюочередь КПД можно выразить в виде rj = АТ /Т . Из последних двухвыражений получаемdp ^LdTT (V n - V j ;так как Vn » Кж, то окончательноdpdTLTV„(4.1)Это уравнение Клапейрона-Клаузиуса, связывающее давление итемпературу, при которых двухфазная система жидкость-пар находится в равновесии.При температурах, близких к нормальной, плотность насыщенного водяного пара понижается настолько, что его можно принять заидеальный газ. Теперь, если еще учесть, что изменение теплоты испарения в диапазоне нескольких десятков градусов составляет малуювеличину (меньше 10%), т.е.
положить L = const, то уравнение (4.1)ввиду того, что p V = RT, можно записать какf " " ‘' ( е т ) После интегрирования получимр=С ехр (-^ ),где С — постоянный коэф,тж,фициент. Из графика зависимости давления насыщения от температурыжидкости (рис. 4.6) видно,что давление насыщенияпара растет с температурой очень быстро — поэкспоненциальному закону.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
