В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Поднимаясь вверх в атмосферу, водяной пар охлаждается, переходит в жидкую или твердую фазу и в конечном счете выпадает в виде осадков — дождя или снега. Часть осадков возвращается в океан, а часть — на поверхность литосферы, где через стоки и фильтрацию вновь поступает в океан. Весь этот цикл в системе океан — атмосфера — литосфера-океан называется гидрологическим циклом Земли (рис. 4.2). Замечательным свойством этого цикла является сохранение на Земле общего количества влаги и восстановление ее пригодности к новому употреблению. При своем "круговороте" вода испытывает фазовые превращения. При существующих на Земле значениях температуры и давления вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Если бы земной шар не находился на расстоянии Рис. 4.!.
Сравнительные размеры, концентрация и скорости падения частиц, участвующих в процессах облако- и осадкообразования (по Мак-дональду, 1958): л — радиус (мкм), и — число частиц (л ), и — установившаяся скорость падения (см/с) — 1 яконденсвцяя едяекция елеямого Воедуее Рис. 4,2. Круговорот воды в природе Рис. 4.3, Стадии (прямоугольники) и процессы (кружки) круговорота воды. Числа (в процентах) показывают количество воды, присутствующей в настоящее время в каждой стадии. Скорости процессов даны в 1015 кгl год (по Гарвею, 1982) 1,5 10 км от Солнца, то вода не могла бы существовать в трех состояниях. Расчеты показывают, что изменение расстояния до Солнца примерно на й 11% привело бы к полному испарению или замерзанию воды.
Гидрологический цикл состоит из серии переходов воды из одного агрегатного состояния в другое. Поскольку в среднегодовом бюджете круговорот воды можно рассматривать как установившийся процесс, то источники и стоки воды для каждого состояния должны быть равны между собой (закон сохранения вещества). Следовательно, время пребывания молекул воды в каждом состоянии определяется отношением массы воды в указанном состоянии на массовую скорость: т = тlи . Схема состояний (стадий) и процессов гидрологического цикла приведена на рис.
4.3. Исходя из общей массы воды на Земле, равной 1,4 . 1021 кг, время пребывания молекул воды в каждом состоянии составляет следующие значения: в океане — 4 10 лет, в ли- т,.с з Водяной пар— тосфеуе (все воды суши)— Жидкая вода+ водяной пар 4 10 лет, в атмосфере (водяной пар и облака)— — Теплота испарення— 540 кал/г 10 дней.
Из приведенной схемы также следует, что прак- Жидкая вода тически вся вода (97%) находится в Мировом океане. Любое изменение фазового состояния требует за- Теплота таяния — 50 80 кал/г траты энергии. На рис. 4.4 ~лед приведены переходы в различные фазы И СООТВеТСТВу- 0 . 200 400 800 800 ющие им температуры и ко- Теплота, кал личества 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. ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ В природе испарение является единственным процессом переноса влаги в атмосферу с поверхности Мирового океана и суши. Физический механизм испарения состоит в том, что часть молекул воды в результате хаотического движения приобретает значительные скорости, позволяющие им преодолеть силы притяжения соседних молекул и покинуть жидкость.
При этом совершается работа, состоящая 197 из работы против сил сцепления и работы против внешнего давления образовавшегося пара. Указанная работа в конечном итоге совершается за счет кинетической энергии теплового движения молекул, что приводит к охлаждению жидкости. Поэтому для поддержания прогесса испарения при постоянной температуре необходимо подводить к жидкости тепло. Как уже указывалось, это тепло, отнесенное к единпце массы., есть теплота испарения (Х. = („)/т Щж/кг]). Обратный испарению процесс — конденсация — состоит в переходе пара в жидкое состояние. При этом выделяется тецлотг, количество которой равнс теплу, затраченному на испарение сконденсированной влаги, Вследствие, теплового движения молекул испарение происходит при любой температуре.
Естественно, что при повышенип температуры жидкости скорость испарения возрастает. Если жидкость поместить в замкнутый сосуд, то через некоторое время между жидкостью и паром над ней установится динамическое равновесие, состоящее в том, что число вылетающих в единицу времени из жидкости молекул воды будет равно числу возвращающихся в жидкость молекул пара. Таким образом, ь указанных условиях одновременно с испарением происхсдит конденсация, чем и обеспечивается взаимная компенсация этих процессов. Пар, находящийся в динамическом равновесии со 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 температуры жидкости. Скорость изменения давления насьпцения от теьшературь: описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса.
Обычно это уравнение получают из рассмотрения бесконечно малого обратимого процесса Карно для двухфазной системы. На рис. 4.5 в координатах р, Ф' показан график Р изотермического процесса для изо-- терм Т и Т+ дТ реального газа. Б промежутке точек 1 и 2 жидкость находится в равновесии со своим насыщенным паром. Работу в цикле (заштрихованная область) приближенно можно выразить в виде ЛА = т($'„— Ф' ) Ьр. Тогда коэффи- ент полезного ействия кла б ет ци д ци уд ; = лл/ц = ~(~„— ъ )~ьЪ ьр, Рис. 4..~.
График иаотермического где Š— теплота испарения, а Д— ""-""'-'='" '-""-' "'""р ~ ~+ "'" подведеннос тепло ® = тХ,), В свою очередь КПД можно выразить в виде ~ = ЛТ/Т. Из последних двух выражений получаем ЙТ Т(У У ) так как У„» У', то окончательно Ир Ь ФТ ТУп Это уравнение Клапейрона-Клаузиуса, связывающее давление и температуру, при которых двухфазная система жидкость — пар находится в равновесии. При температурах, близких к нормальной, плотность насыщенного водяного пара понижается настолько, что его можно принять за идеальный газ.
Теперь, если еще учесть,что изменение теплоты испарения в диапазоне нескольких десятков градусов составляет малую величину (меньше 10%), т.е. положить 1. = сопз1, то уравнение (4.1) ввиду того, что р У = ЮТ, можно записать как ф .Е. После интегрирования получим р=С ехр (4.2) упругость Водяного пара, мд' 199 где С вЂ” постоянный коэф4ищиент. Из 'графика зависимости давления насыщения от температуры жидкости (рис.
4.6) видно, что давление ~исьпг(ения пара растет с температурой очень быстро — по экспоненциальному закону. Зная зависимость давления насыщенного пара от температуры, можно определить точку росы— температуру, при которой водяной пар становится насыщенным. Из рис. 4.6 видно, что если единичный объем пара, состояние которого характеризуется точкой Л, охлаж- -то о го зо дО Температура, 'С Рис.
4.6. Упругость насыщенных паров воды как функция температуры дать при постоянном давлении, то при достижении точки.в, лежащей на кривой насыщения, пар сконденсируется. Температура, соответствующая точке В, — так называемая точка росы В„.
При охлаждении пара до точки росы начинается его конденсация. В атмосфере появляются туманы, выпадает роса. Кривая давления насыщения дает возможность определить относительную влажность. Для состояния пара в точке А давление водяного пара определяется ординатой е (в приведенных на рис. 4.6 значениях координат е = 20 мб), а давление насыщения е ' определяется ординатой точки С на кривой насыщения (в указанном на графике случае е = 31,5 мб для температуры 25'С). Теперь можно рассчитать относительную влажность: /= (е /е„) 100% = (20/31,5) 100% =63,5%. Относительная влажность возрастает не только при увеличении водяного пара, но и при уменьшении температуры.
Интенсивность испарения помимо температуры воды определяется еще и другими метеорологическими факторами. В атмосфере испарение воды происходит не в вакууме, а в воздушной среде с внешним барометрическим давлением ро. В результате молекулы пара испытывают дополнительное соударение с молекулами воздуха и часть водяного пара вновь возвращается на поверхность жидкости, где происходит конденсация. Эмпирически было показано, что интенсивность испарения и внешнее барометрическое давление ро связаны соотношением и = — (е — е), (4.3) 200 где С вЂ” постоянная, определяемая из эксперимента, Я вЂ” площадь свободной поверхности. Наблюдения и расчеты показывают, что давление паров воды в слое воздуха, непосредственно прилегающем к поверхности океана, близко к насыщенному при температуре, равной температуре поверхности океана (ТПО). С высотой давление паров в атмосфере падает. Это приводит к диффузии водяного пара вверх, в область меньшего давления паров.
Подъем водяного пара в атмосферу и его перемешивание с газами воздуха ведет к испарению новой порции воды. В свою очередь скорость переноса пара в приводном слое зависит от интенсивности турбулентности, следовательно, от скорости ветра и его градиента по высоте. Как можно было ожидать, испарение сильно зависит от скорости ветра, что было показано ранее, в гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
