Водяной пар в атмосфере - Севастопольская морская академия
advertisement
Севастопольская морская академия Кафедра «Судовождения и безопасности мореплавания» Методические указания по выполнению практического занятия №6 Водяной пар в атмосфере по дисциплине «Гидрометеорологическое обеспечение судовождения» для студентов очной формы обучения направления/специальности 26.05.05 «Судовождение» Севастополь-2014 г. Методические указания разработаны на основе ФГОС по специальности 26.05.05 «Судовождение». Методические указания по проведению практического занятия №6 «Водяной пар в атмосфере» по учебной дисциплине « Гидрометеорологическое обеспечение судовождения» составил профессор, доктор географических наук, профессор кафедры «Судовождения и безопасности мореплавания» Холопцев Александр Вадимович. Севастополь, Севастопольская морская академия, 2014г., 24 страниц. Методические указания по проведению практических занятий рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Судовождения и безопасности мореплавания «14» июля 2014 г., протокол № 1 . Зав.кафедрой “ Судовождения и безопасности мореплавания” доктор технических наук Кулагин В.В. Рекомендовано к использованию в учебном процессе. Протокол заседания учебно-методического совета № __________ от «___»___________ 2014 года СОДЕРЖАНИЕ 1. Цель и основные задания практического занятия 2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов 3. Правильные ответы на поставленные вопросы 4. Основные положения теории. Водяной пар в атмосфере 5. Темы для докладов студентов 4 4 4 6 24 6. Порядок проведения занятия Рекомендованная литература 24 24 1. Цель и основные задания практического занятия . Целью данного практического занятия является закрепление и углубление знаний, полученных студентами на лекции №6. Для достижения указанной цели студент должен выполнить следующие основные задания: - повторить лекционный материал, посвященный особенностям водяного пара в земной атмосферы; - подготовить и доложить реферат по одной из рекомендованных тем. 2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов. 2.1. В каких фазах вода присутствует в земной атмосфере? 2.2. В каких температурных условиях в атмосфере может существовать жидкая вода? 2.3. Укажите характеристику абсолютного содержания в воздухе водяного пара. 2.4. От чего зависит насыщающая упругость водяного пара при нормальном атмосферном давлении. 2.5. В какое время суток упругость водяного пара над морем минимальна? 2.6. В какое время суток точка росы над морем максимальна? 2.7. В какое время суток дефицит упругости воздуха над пустыней максимален? 2.8. Как зависит интенсивность испарения воды от скорости ветра? 2.9. Как зависит интенсивность испарения от диаметра капель воды? 3. Правильные ответы на поставленные вопросы. 3.1. В атмосфере есть вода твердая жидкая и газообразная. 3.2. Жидкая вода может существовать при температурах выше-26 град. С.. 3.3. Абсолютная влажность воздуха.. 3.4. От температуры воздуха. 3.5. В предрассветные часы. 3.6. После полудня. 3.7. После полудня. 3.8. Интенсивность испарения воды тем больше, чем больше скорость ветра. 3.9. Интенсивность испарения воды тем больше, чем меньше диаметр ее капель. 3.10. 4.Основные положения теории. . Водяной пар в атмосфере Вода и земная атмосфера Вода самое распространенное вещество на нашей планете. Она окружает нас повсюду. 71% поверхности нашей планеты занимает гидросфера- Мировой океан, озера, водохранилища, реки, ручьи и болота. Не удивительно, что воду люди начали изучать еще в древности. Уже тогда они поняли, что пути между различными странами по воде, гораздо безопаснее и комфортнее, чем по суше Основой экономики всех великих цивилизаций прошлого являлось сельское хозяйство, невозможное без пресной воды. Главным видом транспорта у многих народов был водный. Поэтому изучением свойств воды, прогнозированием атмосферных осадков и паводков на реках, в той или иной мере занимались их ученые и жрецы. Особое внимание ей уделялось в Древней Греции, где собственных источников пресной воды всегда недоставало, а море было всюду. Этому способствовало географическое положение Греции, чьи города–государства располагались на берегах Эгейского либо Ионического морей, на островах или полуостровах. Сообщению между ними по суше мешали горы и многочисленные разбойники. Самые прямые транспортные коммуникации пролегали по морям (правда, безопасными они были лишь для тех, кто умел предсказывать нередкие здесь – шторма). Фалес Милетский (640-546 г. г. до нашей эры), размышляя о сущности веществ в природе, пришел к выводу о том, что вода является первоосновой, из которой произошел окружающий нас мир. Эмпедокл из Агригента (490430 г. г. до нашей эры) и Аристотель (384-322 г. г. до нашей эры) полагали, что вода является одним из четырех начал всего, существующего вокруг нас. Современная наука также рассматривает воду, как вещество, имеющее исключительное, первостепенное значение для биосферы. В атмосферу вода поступает в основном в виде водяного пара в результате испарения с поверхности гидросферы (Мирового океана и водных объектов суши). С поверхности Мирового океана за год испаряется около 450 тысяч кубических километров воды. Если бы ее распределить по его поверхности, образовался бы слой толщиной около 1, 25м. Значимый вклад вносит также испарение ее почвой и наземной растительностью, а также криосферой. В целом, с материков в атмосферу поступает 71 тысяча кубических километров воды. Значительные количества водяного пара выбрасываются из недр Земли при извержениях вулканов, а также проникают в атмосферу из космоса. Всего за год в атмосферу поступает в среднем примерно 521 тысяча кубических километров воды (это примерно семь таких водоемов как Каспийское море). Такое же количество воды ежегодно возвращается на земную поверхность из атмосферы, увлажняя почву и создавая условия для развития флоры и фауны во внутренних регионах материков, лишенных собственных источников влаги. Вода в атмосфере Земли присутствует во всех четырех агрегатных состояниях: -в виде водяного пара (газа); капельножидкой воды, образующей жидкие атмосферные осадки, водяные и смешанные облака, а также туманы; кристаллической (твердой) воды, входящая в состав твердых атмосферных осадков, ледяных и смешанных облаков, а также туманов; и плазмы (ионизированных и диссоциированных молекул водяного парапреимущественно гидроксилов ОН и протонов Н). Наибольшее значение для всего живого на Земле имеют атмосферные осадки, жидкие, твердые и наземные. Именно они замыкают круговорот воды в природе, доставляют влагу во внутренние районы материков, питают ею микроорганизмы, растения и животных, очищают атмосферу и загрязняют подстилающую поверхность микроэлементами, микроорганизмами, спорами и пыльцой растений. Больше всего осадков выпадает за год на Гавайских островах и у подножья Гималаев. Здесь в среднем за год выпадает до 12 м осадков (как в Севастополе за 30 лет). Наименьшее количество осадков выпадает в пустынях. В частности, в пустыне Атакама (Южная Америка) осадки выпадают так редко, что многие живущие здесь люди никогда их не видели. Водяной пар – наиболее вездесущий, но наиболее изменчивый и неустойчивый компонент атмосферы. В атмосфере содержится в виде пара более 10000 миллиардов тон воды (т. е. около 200 тон над каждым гектаром земной поверхности). Если бы это количество единовременно вылилось на Европу, вся ее территория покрылась бы слоем толщиной 1 м. Основная часть водяного пара сосредоточена в нижних слоях тропосферы (до высоты 5-6 км). Водяной пар является мощнейшим регулятором и стабилизатором климата. Это один из парниковых газов, поглощающий тепловое излучение Земной поверхности в диапазоне от 4 до 7.5 микрон, а также инфракрасное излучение Солнца. Если бы в атмосфере Земли водяной пар отсутствовал, средняя температура ее поверхности была бы примерно на 21 о С ниже современной. Охлаждаясь, водяной пар переходит в жидкое или твердое состояние, образуя облака, туманы и атмосферные осадки. При конденсации, кристаллизации и сублимации в атмосферу выделяется т. н. «скрытое» тепло, препятствующее резкому снижению ее температуры. При испарении, таянии и возгонке это тепло напротив поглощается, замедляя рост температуры. Благодаря аномально высокому значению удельной теплоты испарения воды, а также удельной теплоты ее плавления, водяной пар в атмосфере является мощным стабилизатором температурного режима. Под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечной радиации и других ионизирующих излучений часть молекул водяного пара, проникших от земной поверхности в верхние слои атмосферы, переходят в диссоциированное состояние. Образующиеся при этом положительные ионы водорода обладают высокой химической активностью и восстанавливают всевозможные содержащиеся в атмосфере газообразные вещества и их отрицательные ионы (хлор, озон, фтор и др.). Отрицательные ионы – гидроксилы ОН, взаимодействуют с атомарным водородом, а также протонами и другими веществами. Соотношение между интенсивностями процессов фотодиссоциации молекул воды и рекомбинации ее компонентов зависит от плотности атмосферы и интенсивности потока солнечной радиации. Днем на любых высотах фотодиссоциация воды в атмосфере активизируется, ночью она прекращается. В нижних слоях атмосферы даже днем преобладает рекомбинация. Здесь водяной пар практически не содержит диссоциированных молекул. В термосфере преобладает фотодиссоциация и большинство молекул водяного пара находится в любое время суток в диссоциированном состоянии. Облака и туманы не только вдохновляют поэтов и живописцев. Они также регулируют приток к земной поверхности солнечной радиации и задерживают тепловое излучение земной поверхности, транспортируют на большие расстояния капельножидкую и кристаллическую воду, пыль, микроорганизмы, споры растений, а также различные микроэлементы, кислоты и другие химические соединения, формируют атмосферные осадки. Облака позволяют морякам прогнозировать перемены погоды. Благодаря присутствию в атмосфере капельножидкой воды существует такое красивейшее явление природы как радуга (которую древние греки принимали за очаровательную улыбку быстрокрылой посланницы Зевсабогини Ириды). В средние века радуга считалась божественным знамением. За попытку дать научное объяснение этому явлению в XVII веке был отлучен от церкви и заключен в тюрьму ученый Доминис. Следствие длилось долго. Доминис не дождался суда и умер. Но грех его был столь велик, что суда трупу Доминиса избежать не удалось. Суд приговорил его к сожжению на костре, что и было сделано. Подобная участь поджидала в средние века многих метеорологов, поскольку ошибки их прогнозов стоили очень дорого. Они приводили к гибели караванов торговых судов и военных эскадр, а также вымиранию от голода населения обширных территорий, если в период вызревания урожая, вместо ожидаемых дождей, происходила жестокая засуха, и наоборот. В наши дни метеорологов судят не так строго, возможно потому, что их прогнозы становятся более достоверными. Еще одним оптическим явлением, вызванным присутствием в атмосфере капельножидкой воды, являются венцы – имеющие радужную окраску кольца вокруг луны и Солнца, а также «Броккенские призраки»четкие тени людей и животных в облаках, наблюдаемые в горных странах. Другим, не менее интересным оптическим явлением в атмосфере является гало - светящиеся кресты, столбы, круги и дуги. Оно возникает в результате преломления света на содержащихся в атмосфере микрокристаллах льда, имеющих форму шестигранной призмы. Благодаря присутствию в атмосфере жидкой и твердой воды, в ней происходят грозы. В облаках, содержащих капельки воды, происходит разделение и накопление электрических зарядов. Образующиеся при этом разности потенциалов достигают десятков миллионов вольт. На земной поверхности при этом также индуцируется значительный электрический заряд противоположного знака. Со временем накопившийся в облаке заряд становится велик настолько, что возникает электрический пробой воздушного промежутка между облаком и земной поверхностью - молния. Молния представляет собой плазменный шнур протяженностью до 10 км, по которому за тысячные доли секунды разряжается вся накопившаяся электрическая энергия. Это приводит к сильному и резкому разогреву воздуха в канале молнии, что приводит к его расширению, воспринимаемому как гром. Грозы с древнейших времен отождествлялись людьми с гневом богов. Молнии считались божественным оружием, а бог , владевший ими, полагался главным – столь велико было почтение к этому явлению природы. Так, в древнегреческой мифологии «главным» богом считался громовержец Зевс. У римлян его аналогом был «громовержец» Юпитер. У древних славян в большом почете был «громовержец» Перун, у викингов – Один, у древних германцев – Тор. Научное объяснение рассматриваемому явлению впервые дал М. В. Ломоносов (25.11.1753 г. в докладе на заседании АН России). Молнии – источник огромной энергии. Ежесекундно на нашей планете происходит примерно 100 000 молний. Расчеты показывают, что их суммарная мощность составляет 0.1% мощности потока солнечной радиации, достигающего земной поверхности. Использовать эту энергию в мирных целях пока не удается. Пределом мечтаний ученых пока остается научиться предотвращать чрезвычайные ситуации, вызванные грозами. Молнии также являются одним из основных тропосферных источников оксидов азота, нитратов (более 50%), а также озона. Таким образом, физические явления, обусловленные наличием воды в атмосфере многообразны и не всегда предсказуемы. Они играют важную роль в функционировании биосферы и значимо влияют на условия мореплавания. Поэтому углубление знакомства с ними принесет несомненную пользу будущим специалистам – судоводителям. Водяной пар в атмосфере Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Большая часть воды в атмосфере содержится в виде водяного пара. Концентрация водяного пара в воздухе изменяется в широких пределах. Ее значение зависит, как от географических координат, так и от высоты над земной поверхностью. Больше всего водяного пара содержит воздух в нижних слоях атмосферы экваториального пояса нашей планеты – до 4%. Меньше всего водяного пара в воздухе полярной зимой над районами полюса холода – центральной Антарктидой в районе станции Восток. По мере удаления от земной поверхности масса воды в виде водяного пара, содержащейся в каждом кубическом метре воздуха убывает по закону, близкому к экспоненциальному. Эта закономерность называется законом Ганна. До высоты 25 км преобладающая часть водяного пара в атмосфере преобладает в виде одиночных молекул воды Н2О. На высотах более 25 км фотодиссоциация молекул воды в атмосфере уже становится значимой. Принято считать, что свободная (химически не связанная с другими веществами) вода первоначально образовалась в атмосфере Земли в виде водяного пара. Водяной пар частично поступал в нее из космоса (и ныне его следы присутствуют в хвостах комет), частично выделялся в результате происходящих в недрах планеты химических реакций. На начальных стадиях формирования нашей планеты на ее поверхность из космоса многократно обрушивался «строительный мусор» - твердые частицы различного размера и массы, остатки протовещества из которого сформировались все небесные тела Солнечной системы. В том числе поступала и вода. В результате этой бомбардировки температура планеты повышалась до такой степени, что основная масса ее вещества перешла в расплавленное, жидкое состояние. В это время вся имевшаяся на планете вода существовала лишь в виде водяного пара и плазмы. В условиях высокой температуры часть водяного пара из атмосферы поглощалась при образовании различных горных пород (и ныне содержится в них, образуя т. н. конституционную и другие формы связанной воды). Объем связанной воды, находящейся в наши дни в недрах Земли, примерно равен 40 объемам современного Мирового океана. Наряду с процессом поглощения свободной воды в недрах Земли на всех стадиях ее эволюции происходил процесс дегидратации – высвобождения связанной воды. Некоторая часть воды из атмосферы улетучивалась в космическое пространство. Шлейф из диссоциированных молекул воды простирается в космическое пространство далеко за пределы земной атмосферы. Образование гидросферы нашей планеты началось лишь после того, как температура в атмосфере понизилась до значения, при котором стало возможным существование воды в жидкой фазе. На поверхность планеты пролились первые дожди. Произошло это ориентировочно 4 миллиарда лет назад. Постепенно из выпавшей на земную поверхность воды сформировались первые водоемы, в которых произошло чудо возникновения жизни. В отличие от своей твердой фазы, жидкая вода обладает гораздо более сложным строением. Выше упоминалось, что многие физические свойства жидкой фазы воды являются аномальными. Этими свойствами вода обладает благодаря особенностям своей жидкокристаллической структуры. У водяного пара молекулы расположены неупорядочено, во льду они образуют кристаллическую решетку и расположены детерминировано. В жидкой фазе воды происходит постепенный переход от упорядоченного расположения молекул к неупорядоченному. Этот процесс весьма сложен, что и породило множество теорий структуры воды. Свойства влажного воздуха Столь высокое разнообразие молекулярных структур воды обуславливает многообразие и неточную предсказуемость ее физических свойств, проявляющихся в природных явлениях. Присутствие воды в атмосфере существенно влияет на ее теплофизические и физико-химические свойства влажного воздуха. Сухой воздух, адиабатически поднимаясь на 1000 м, расширяется и остывает на 10 градусов С. Благодаря высокой теплоемкости воды, а также ее высокой удельной теплоте парообразования (конденсации), при адиабатическом подъеме на такую же высоту влажный воздух остывает всего на 6 градусов. Присутствие в атмосфере водяного пара изменяет величину вертикального градиента температуры воздуха. Чем более влажным является воздух тем сильнее проявляется парниковый эффект и температура нижних слоев атмосферы возрастает, а верхних уменьшается. Присутствие водяного пара не только изменяет в атмосфере зависимость от высоты температуры воздуха, а также атмосферного давления, но и влияет на энергию ураганов, торнадо и других атмосферных вихрей. Источник энергии этих атмосферных вихрей - взаимодействие теплого и влажного воздуха, поднимающегося от земной поверхности и холодного и сухого воздуха, опускающегося к ней из верхних слоев тропосферы, а также нижних слоев стратосферы. Чем больше содержание в атмосфере водяного пара, тем больше контраст температуры и влажности воздуха между верхними и нижними слоями тропосферы, тем больше энергия указанного источника и разрушительней порождаемые им атмосферные явления. Таким образом, роль водяного пара в атмосфере состоит в следующем: - водяной пар во многом ответственен за т.н. "парниковый эффект", поглощая часть теплового излучения земной поверхности и атмосферы, а также солнечную радиацию инфракрасного диапазона; - он осуществляет стабилизацию теплового режима атмосферы и уменьшает климатические контрасты между экваториальными и приполярными регионами нашей планеты, а также между летними и зимними сезонами: - в результате ионизации молекул воды под действием ультрафиолетового излучения происходит поглощение некоторой части потока энергии Солнца: - при конденсации и сублимации водяного пара формируются облака, туманы и атмосферные осадки: - содержание водяного пара в стратосфере управляет траекториями циклонов, переносящих влагу с океанов вглубь материков, и чем оно выше, тем сильнее влияние солнечной активности на погоду на нашей планете: - от содержания водяного пара в атмосфере зависит разрушительная энергия ураганов и торнадо, При его увеличении энергия этих атмосферных вихрей возрастает, а также они начинают все чаше проникать в регионы нашей планеты, все более удаленные от экватора. Как уже отмечалось выше, в основном водяной пар поступает в атмосферу путем испарения из гидросферы, а из земной коры - в составе вулканических газов и из космоса. Подавляющее количество водяного пара поступает в результате испарения вод Мирового океана. С его поверхности водяной пар поднимается в различные слои тропосферы путем конвекции и под воздействием вертикального турбулентного обмена, обусловленного ветрами. Из тропосферы водяной пар частично удаляют атмосферные осадки, а частично - он улетучивается в космос. Особенности влияния водяного пара в атмосфере на физические свойства воздуха зависят от его количества, а также температуры. Однозначно охарактеризовать значимость того или иного количества в атмосфере водяного пара сложно, поэтому в метеорологии и экологии используют несколько параметров влагосодержания в воздухе. Эти параметры называются гигрометрическими характеристиками. К ним относятся: Упругость водяного пара (е)- парциальное давление водяного пара в воздухе, как его смеси с другими газами. В системе СИ единицей измерения давления служит Паскаль. - давление которое оказывает сила 1 Ньютон на площадку 1 кв. м. В метеорологии атмосферное давление в Паскалях измерять неудобно эта единица является слишком мелкой. Поэтому здесь принято использовать производную единицу - гектопаскаль (равный ста Паскалям)- гПа. Как дань истории, в метеорологии сохранились и такие единицы измерения давления как миллиметры ртутного столба и миллибары. Соотношение между ними таково: 1 миллибар= 1 гПа 1 ммрт. ст = 1.33 гПа. При фиксированной температуре упругость водяного пара не может превышать некоторого предельного значения, называемого максимальной, или насыщающей упругостью (Е). Если упругость водяного пара равна насыщающей, процессы испарения с некоторой поверхности и конденсации на нее взаимно уравновешиваются. Величина насыщающей упругости водяного пара существенно зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем больше Е. Так, при температуре воздуха –50оС, Е над плоской поверхностью дистилированной воды равно 0.063 гПа, а при температуре –5 оС, Е= 4.21 гПа. Очевидно, что значение Е зависит не только от температуры, но и от свойств поверхности, с которой происходит испарение. Интенсивность испарения с некоторой поверхности зависит от температуры, а также средней величины работы, которую необходимо затратить на то, чтобы разорвать связи молекулы воды с другими молекулами вещества, из которого эта поверхность состоит. Интенсивность конденсации на ту же поверхность от ее физикохимических свойств не зависит, а определяется лишь температурой воздуха и упругостью содержащегося в нем водяного пара. Как правило, в справочниках по метеорологии приводится значение насыщающей упругости водяного пара над свободной плоской поверхностью воды, не содержащей примесей. При фиксированной температуре значение Е над плоской поверхностью льда (или снега) меньше, чем над такой же поверхностью дистилированной воды. Объясняется это тем, что в твердом теле молекулы связаны между собой сильнее, чем в жидкости. В результате, при любой температуре воздуха испарение с поверхности льда слабее, чем с поверхности жидкости, а для того, чтобы конденсация уравновешивала испарение, достаточна меньшая упругость водяного пара в окружающей среде. При прочих равных условиях, над остриями и пиками на поверхности льда Е меньше, чем над плоскими ледяными поверхностями. На остриях и пиках, как правило, накапливаются электрические заряды, притягивающие к себе из воздуха молекулы водяного пара, обладающие очень большим дипольным моментом. В результате этого на остриях конденсация влаги происходит интенсивнее, чем на плоских поверхностях. Согласно закону Рауля, при прочих равных условиях, насыщающая упругость водяного пара над плоской водной поверхностью, содержащей примесь в концентрации N (Е N ) тем меньше, чем больше эта концентрация: E N =E/(l+N). Связь молекул воды с другими молекулами в растворе несколько сильнее, чем в химически чистой воде. Следовательно, при прочих равных условиях, интенсивность испарения с поверхности раствора с ростом его концентрации снижается. Поэтому снижается и величина упругости водяного пара в окружающей среде, при которой достигается такая же интенсивность конденсации, Над поверхностью сферической капли дистилированной воды насыщающая упругость водяного пара Ек больше, чем над плоской поверхностью воды. Она может быть определена из соотношения: Ек = 2σ μ / ρRrT , где σ- коэффициент поверхностного натяжения: μ - молекулярная масса воды: ρ - плотность воды; R - универсальная газовая постоянная; г - радиус капли; Т - абсолютная температура. Чем меньше радиус капель, тем существеннее влияет на процесс испарения с их поверхности сила поверхностного натяжения. При радиусе капли 0.0001 микрона Ек=З.ЗЕ. Зародыши капель, образующиеся в очищенном от пылинок и аэрозолей воздухе, имеют еще меньший радиус. Поэтому в таком воздухе туман появляется лишь при упругости водяного пара более 4Е. Если капля содержит примесь, то величина насыщающей упругости над ее поверхностью при малых значениях радиуса меньше, а иногда и много меньше Е, а при больших может быть больше либо равна Е. В воздухе, содержащем такие капли, туман образуется уже при упругости Е. Над поверхностью частиц пыли или аэрозоли, несущих электрический заряд, упругость насыщающего пара существенно меньше, чем над электрически нейтральными частицами такого же радиуса. Благодаря этому, заряженные зародыши капель способны формировать вокруг себя капли в менее влажном воздухе, чем зародыши такого же размера, но электрически нейтральные. Над свободной и обширной водной поверхностью упругость водяного пара всегда равна насыщающей упругости. Здесь процесс испарения не ограничен недостатком влаги. В частности, над* поверхностью Мирового океана е=Е и изменяется соответственно изменению температуры воздуха, с увеличением температуры е возрастает, с уменьшением снижается. Над поверхностью суши водяной пар чаще не насыщен. Он может иметь насыщающую упругость только при охлаждении надвигающихся на нее влажных воздушных масс с океана. Минимальна упругость водяного пара в антарктических и арктических пустынях зимой при минимальной температуре воздуха. Абсолютный минимум –003гПа отмечается зимой в Оймяконе (Якутия). В пустынях тропиков, несмотря на кажущуюся сухость воздуха, упругость содержащегося в нем водяного паря отнюдь не мала (в Сахаре днем, летом около 5 гПа). Вызвано это весьма высокой температурой воздуха. Абсолютная влажность (а) - масса водяного пара в единице объема, выраженная в г/м 3 . Абсолютная влажность связана с упругостью соотношением: а= 216e / Т Здесь: Т – абсолютная температура воздуха в градусах по шкале Кельвина. При фиксированной температуре воздуха его абсолютная влажность может достигать различных значений. Максимальное значение а (обозначается А), имеет место в воздухе над свободной водной поверхностью, где процессы испарения и конденсации взаимно уравновешиваются. При максимальной абсолютной влажности воздуха водяной пар является насыщенным. Относительная влажность (f)- есть отношение фактической упругости (абсолютной влажности) к ее максимальному значению при той же температуре воздуха. f=е/Е= а/А. Относительную влажность воздуха выражают в %. Над поверхностью Мирового океана суточный и годовой ход относительной влажности воздуха практически отсутствует. Над свободной водной поверхностью ее значения, как правило, составляют 100%. Над пустыней суточный и годовой ход относительной влажности обратен суточному (годовому) ходу температуры. Чем больше значение температуры -тем меньше значение относительной влажности. Абсолютный минимум относительной влажности в пустыне достигается в послеполуденные часы, летом, когда жаре сильнее всего. Над степью в умеренных шпротах при ясной солнечной погоде суточный ход относительной влажности имеет два максимума. Первый максимум этой кривой соответствует предрассветным часам, когда температура воздуха у земной поверхности минимальна. Второй максимум - напротив, соответствует полудню, когда температура воздуха у земли максимальна. Он возникает потому, что при сильном прогреве воздуха в нем возникает вертикальное перемешивание. При этом теплый воздух от земной поверхности поднимается вверх, а ему на смену опускается воздух более холодный, что может приводить к повышению относительной влажности. Амплитуда суточного и годового хода относительной влажности в высоких широтах и на экваторе минимальна. Максимума этот параметр достигает над континентами в умеренных широтах, Удельная влажность -, масса водяного пара, содержащегося в 1 г воздуха, или 1 /г Удельная влажность тем больше, чем выше упругость водяного пара и относительная влажность воздуха. Дефицит упругости- (С) - разность между максимальной и фактический упругостью: С= Е - е. Точка росы - это температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар становится насыщающим. При постоянном атмосферном давлении и упругости водяного пара точка росы имеет фиксированное значение. Точка росы тем выше, чем (при прочих равных условиях) больше относительная влажность воздуха (либо меньше дефицит упругости водяного пара). Простейшими приборами для измерения относительной влажности воздуха являются волосной гигрометр и психрометр. Основной частью гигрометра является обезжиренный человеческий волос, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос навит на ролик и держится в натянутом состоянии с помощью груза. Ролик связан со стрелкой, которая перемешается по шкале при поворотах ролика. Деления шкалы указывают величину относительной влажности воздуха. Если относительная влажность воздуха изменяется, меняется также и длина волоса, навитого на ролик. Это приводит к повороту ролика и соответственному отклонению стрелки Если одновременно измерять температуру воздуха, то можно определить упруго сть водяного пара, абсолютную влажно сть воздуха и прочие гигрометрические характеристики. Особенности испарения Испарение - процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. При испарении с поверхности жидкости вырываются молекулы, имеющие достаточную кинетическую энергию, достаточную для преодоления силы притяжения со стороны других молекул. При этом воздух над водной поверхностью обогащается водяным паром. Часть молекул водяного пара возвращается обратно в водную среду. Другие молекулы уносятся от водной поверхности воздушными потоками. Жидкость испаряется, если число молекул возвращающихся в жидкую фазу меньше, чем число молекул покидающих ее. Нетрудно видеть, что важнейшим параметром водяного пара над водой, определяющим интенсивность испарения является дефицит его упругости - разность между насыщающей и фактической упругостью. При неподвижном воздухе молекулы водяного пара удаляются от водной поверхности лишь благодаря молекулярной диффузии. В результате, тонкий слой воздуха, непосредственно соприкасающийся с водой, сравнительно быстро насыщается водяным паром. Дальнейшее испарение с водной поверхности оказывается практически уравновешенным конденсацией. Разность между потоками молекул покидающих и возвращающихся в воду при этом равна потоку молекул, уходящих из приповерхностного стоя воздуха за счет их собственного (броуновского) движения. Скорость собственного движения молекул является монотонно возрастающей функцией температуры. Поэтому в неподвижном воздухе интенсивность испарения пропорциональна температуре. Если воздух над водной поверхностью движется, то наряду с молекулярной, возникает турбулентная диффузия. Это резко активизирует отток молекул водяного пара из приповерхностного слоя воздуха. Величина коэффициента турбулентной диффузии пропорциональна средней скорости ветра над водной поверхностью. Благодаря турбулентной диффузии происходит частичный обмен воздуха из приповерхностного слоя атмосферы и слоев, расположенных выше. Поэтому при постоянной температуре, коэффициент диффузии водяного пара в приповерхностном слое атмосферы, а также интенсивность испарения пропорциональна скорости ветра и средней величине дефицита упругости в слое воздуха, который перемешивается с приповерхностным. Интенсивность испарения с водной поверхности определяется также разностью температур воды и воздуха. Если вода холоднее воздуха, то воздух приповерхностного слоя охлаждается и становится плотнее, чем воздух в слое расположенном над ним. В результате этого возникают силы плавучести, препятствующие турбулентному перемешиванию. Чем больше разность температур воды и воздуха, тем больше скорость ветра, при которой начинается турбулентное перемешивание приповерхностного слоя воздуха. Если вода теплее воздуха, то приповерхностный слой воздуха прогреваясь, становится менее плотным. Это приводит к развитию конвективного перемешивания даже при отсутствии ветра. Еще одним фактором, определяющим интенсивность испарения, является наличие примесей в жидкой воде. Согласно закону Рауля, чем выше концентрация растворенных примесей, тем при прочих равных условиях меньше интенсивность испарения (молекулам воды требуется затратить большую работу для выхода в атмосферу). Существенно снижает интенсивность испарения наличие на водной поверхности пленок (например, нефти), препятствующих выходу молекул в воздушную среду. Значимыми факторами испарения являются температурная и соленостная стратификация в водной среде. В процессе испарения температура поверхностного слоя воды всегда понижается, что приводит к увеличению его плотности. Понижению температуры поверхностного слоя воды препятствует его теплообмен с водными слоями, расположенными под ним. Чем в большей степени понижается температура поверхности, тем менее интенсивным становится испарение с нее. Интенсивность этого теплообмена зависит от характера температурной и соленостной стратификации. В исходном состоянии эта стратификация всегда устойчива – плотность слоев тем больше, чем больше их глубина. Как известно, плотность воды является функцией ее температуры и солености. Чем соленость выше, тем плотность больше. Если температура воды ниже температуры максимальной плотности, то ее плотность тем выше, чем больше температура. Если температура воды выше температуры максимальной плотности, то ее плотность тем меньше, чем выше температура. Учитывая это, устойчивая плотностная стратификация возможна при трех типах температурной и соленостной стратификации: 1- температура и соленость воды с ростом глубины уменьшаются; 2- температура воды с ростом глубины уменьшается, а соленость увеличивается; 3- температура воды с ростом глубины увеличивается, а соленость также увеличивается. Вызванное испарением увеличение плотности воды в поверхностном слое способно вызвать нарушение устойчивости слоев водной среды и конвекцию, обеспечивающую приток к поверхности более теплой воды из глубины и удаление от поверхности воды охладившейся. Это способствует поддержанию более высокой температуры водной поверхности и более интенсивному испарению. Наиболее интенсивно этот процесс идет в случае, если в исходном состоянии температура слоев воды и их соленость монотонно увеличивались по мере увеличения глубины. В рассматриваемом случае высокая температура водной поверхности поддерживается ее теплообменом практически со всей толщей вод. Этот теплообмен обеспечивается конвекцией, а потому весьма интенсивен. Если температура слоев воды с ростом глубины уменьшается, а соленость увеличивается, лишь интенсивное испарение с поверхности способно вызвать конвекцию, проникающую на сравнительно небольшую глубину (до горизонта, где плотность воды равна плотности охлажденной воды с поверхности). Интенсивность испарения в данном случае оказывается тем ниже, чем тоньше слой воды, участвующий в конвективном перемешивании. Может быть и так, что испарение не на столько сильно охлаждает поверхность воды, чтобы нарушить устойчивость ее слоев. В этом случае поверхность воды быстро охлаждается и интенсивность испарения с нее при прочих равных условиях минимальна. Таким образом, основными факторами интенсивности испарения со свободной водной поверхности являются: -вертикальные распределения температуры и дефицита упругости воздух в атмосфере над водой; -средняя скорость ветра над водой; -разность температур воды и приповерхностного слоя воздуха; -концентрация примесей, растворенных в воде; -наличие на поверхности воды пленок, образованных более легкими жидкостями; - температурная и соленостная стратификация внутри водоема, с поверхности которого идет испарение. Интенсивность испарения с почвы имеет совсем иные закономерности. Она зависит от состава, структуры почвенного слоя, его пористости, а также видового состава и фазы жизненного цикла населяющего его сообщества. Наиболее существенно на интенсивность испарения влияют растения. В период вегетации интенсивность испарения с листвы деревьев многократно больше, чем с луговых трав. Зимой интенсивность испарения растительными сообществами многократно меньше чем летом. Характеристики испарения с почвы изменяются с течением времени. Если почву взрыхлить, суммарная площадь поверхности ее частиц, с которой происходит испарение, может многократно превосходить площадь соответствующей свободной водной поверхности. В результате испарение с рыхлой почвы (по крайней мере, первоначально) может быть более интенсивным, чем с равной по площади водной поверхности. Спустя некоторое время, на поверхности почвы образуется корка, препятствующая, удерживающая в почве запасы влаги. Интенсивность испарения при этом многократно снижается. Интенсивность испарения Еи определяется в миллиметрах слоя воды, испарившегося за сутки. Для оценки интенсивности испарения может использоваться эмпирическая формула Штеллинга: ЕИ= 0.632( Е-е) + 0.103(E+e)w, Е- насыщающая упругость водяного пара в воздухе непосредственно над водой; е- средняя упругость водяного пара в слое воздуха, перемешивающемся с воздухом в приповерхностном слое w – скорость ветра над водой. Особенности конденсации водяного пара в воздушной среде В отличие от прочих компонентов воздуха, водяной пар в атмосфере находится при температуре значительно меньше критической (342о С), а зачастую и ниже температуры плавления (0о С). При таких условиях парциальные давления водяного пара, достаточные для его сжижения и замерзания невелики (0.1- 50 мб) и часто встречаются в атмосфере. Поэтому вода в тропосфере встречается во всех трех агрегатных состояниях. Как уже отмечалось выше, если водяной пар насыщен, процесс его конденсации уравновешивается процессом испарения (наблюдается динамическое равновесие). Если испарение с водной поверхности доминирует, водяной пар называется ненасыщенным. Если доминирует конденсация на водную поверхность- водяной пар называется пересыщенным. Принято считать, что конденсация в свободной воздушной среде, как и на водной поверхности, начинается также при повышении относительной влажности до 100%. В действительности же это не всегда так. Установлено, что насыщение и даже пересыщение водяного пара в атмосфере само по себе не является достаточным условием для фазового превращения водяного пара в водяные капли. Многочисленные опыты по адиабатическому охлаждению тщательно пpo фильтрованного влажного воздуха в камере Вильсона показали, что в таком воздухе при относительной влажности, незначительно превышающей 100% конденсация не происходит. Лишь при увеличении относительной влажности воздуха до 400% в нем образуются немногочисленные капельки воды диаметром около 50 микрон. При дальнейшем увеличении относительной влажности новых капель не образуется, а ранее возникшие капли увеличиваются в диаметре. Образование новых капель начинается лишь при повышении относительной влажности воздуха до 600%. Продукты конденсации, образующиеся при этом - такие же немногочисленные капельки (общее число капелек увеличивается). При дальнейшем увеличении относительной влажности число капель вновь остается неизменным, а увеличивается их диаметр. Туман, состоящий из многочисленных капелек диаметром единицы микрон, начинает формироваться лишь при пересыщении более 800%. При дальнейшем увеличении пересыщения водяного пара водность тумана монотонно возрастает В обычном атмосферном воздухе, не очищенном от пылинок и аэрозолей, конденсация водяного пара возникает при существенно меньших пересыщениях - всего 101-110%. Описанные закономерности конденсации водяного пара объясняются рассмотренными в разделе 1.8. зависимостями насыщающей упругости водяного пара над поверхностями капель от величины их диаметра. Рассмотрим физическую сущность упомянутых закономерностей подробнее. В воздухе молекулы, как известно, пребывают в «броуновском» движении. Результатом этого движения являются микрофлуктуации плотности водяного пара, где упругость водяного пара и относительная влажность воздуха хаотично изменяются (как понижаются, так и повышаются). Среди рассматриваемых зон всегда находятся такие, где кратковременно создается достаточно большое пересыщение, приводящее к образованию микроскопической водной капли - т н "зародыша". В подобных зонах возникает кратковременная конденсация водяного пара, приводящая к выделению в окружающую среду тепла. В результате, температура воздуха в рассматриваемой зоне повышается, а относительная влажность понижается (что процесс конденсации останавливает). Спустя некоторое время в зонах образования зародышей спонтанно происходит понижение упругости водяного пара. Окружающий зародыши водяной пар становится ненасыщенным, а испарение с поверхностей зародышей начинает превалировать над конденсацией. При этом с поверхности зародыша усиливается испарение, а из окружающей среды поглощается тепло. В ходе этого процесса капля – зародыш уменьшается в размере и может вовсе исчезнуть. Температура воздуха в зоне испаряющегося зародыша несколько понижается, что замедляет рассматриваемый процесс. Таким образом, в "жизни'' каждого зародыша существуют две стадии – расширения и сокращения. Соотношение между продолжительностями этих стадий и максимальные диаметры зародышей зависит от упругости водяного пара в окружающей среде, температуры и относительной влажности воздуха. При сравнительно малых превышениях относительной влажности воздуха уровня 100% стадия расширения каждого зародыша много меньше стадии сокращения. Размеры, до которых успевают "дорасти" зародыши в течение стадии расширения, тем больше, чем больше упругость водяного пара и относительная влажность воздуха. Зародыши, которые не успевают полностью испариться на стадии сокращения, называются "жизнеспособными". Площадь поверхности зародышей по отношению к объему весьма велика, кроме того, на молекулы действует сила поверхностного натяжения, В результате интенсивность испарения водяного пара такими каплями больше чем плоской водной поверхностью. Любые (в том числе и эти) капли воды способны существовать в воздухе устойчиво, лишь в случае, если водяной пар в окружающем их воздухе является насыщенным по отношению к их поверхности (т.е. количество молекул, испаряющихся в единицу времени с поверхности капель, равно количеству молекул конденсирующихся). В противном случае капли либо укрупняются и выпадают на подстилающую поверхность, образуя атмосферные осадки, либо уменьшаются и исчезают. В обоих случаях облако (туман) рассеивается. Чем меньше диаметр капель, тем больше свободная поверхностная энергия капли и больше упругость водяного пара в окружающей среде, которая по отношению к этим каплям является насыщающей. При постоянной температуре и относительной влажности воздуха средние радиусы жизнеспособных зародышей достигают фиксированной величины, при которой испарение с их поверхности (пропорциональной квадрату радиуса) уравновешивает конденсацию. Зародыши имеют диаметры- тысячные доли микрона. Насыщающая упругость водяного пара по отношению к столь малым водным каплям в 8 раза превосходит насыщающую упругость водяного пара по отношению к плоской водной поверхности. Поэтому первые жизнеспособные зародыши должны были бы возникнуть при относительной влажности воздуха 800%. Почему же в действительности первые капли тумана в отфильтрованном воздухе возникают уже при относительной влажности 400%? Исследования показали, что наряду с электрически нейтральными молекулами воды, в воздухе всегда присутствует некоторое количество заряженных частиц, образовавшихся в результате диссоциации. Это отрицательно заряженные гидроксилы ОН и положительно заряженные протоны Н. Они образуются под воздействием на молекулы воды ультрафиолетовой радиации Солнца, космических лучей, при грозовых разрядах и т.п.. Молекулы воды обладают, как известно, большим дипольным моментом. Положительный полюс этого диполя расположен со стороны атомов водорода, отрицательный у атома кислорода. Заряженные частицы с помощью силы кулоновского притяжения взаимодействуют с подобными диполями. Частицы, заряженные отрицательно, притягивают к себе их положительные полюса, а частицы, заряженные положительно - притягивают полюса отрицательные. Таким образом, заряженные частицы удерживают вокруг себя множество нейтральных молекул воды, совместно образующих каплю – зародыш. Подобные зародыши, образовавшиеся вокруг электрически заряженных частиц, оказываются жизнеспособными при существенно меньших размерах, чем зародыши, возникающие вокруг молекул электрически нейтральных. Эксперименты показали, что в тщательно отфильтрованном воздухе образование первых жизнеспособных зародышей вокруг частиц, носящих отрицательный заряд, начинается при относительной влажности воздуха 400%. Поскольку число таких молекул фиксировано, при дальнейшем увеличении относительной влажности воздуха новых капель не возникает, а размеры образовавшихся зародышей укрупняются. При пересыщении 600% жизнеспособными оказываются зародыши, образовавшиеся у частиц, заряженных положительно. В результате образуется туман, содержащий капли двух диаметров: большие (вокруг носителей отрицательных зарядов) и малые (вокруг носителей зарядов положительных). Лишь при повышении относительной влажности воздуха до 800% жизнеспособными оказываются зародыши, не содержащие электрически заряженных молекул. Если при относительных влажностях воздуха менее 800% число возникавших капель определялось наличием в исследуемом объеме заряженных частиц, то в более влажном ''воздухе это ограничение преодолевается, Жизнеспособные зародыши возникают сразу в огромном количестве. При дальнейшем росте относительной влажности распределение по диаметрам по-прежнему содержит три максимума, однако соответствующие им значения диаметров капель возрастают. Чем выше относительная влажность воздуха, тем конденсация на единицу водной поверхности интенсивнее. Поэтому при увеличении пересыщения водяного пара минимальный диаметр зародыша, начиная с которого он может оказаться жизнеспособным, уменьшается. Лишь при пересыщении 800% «возможное становится действительным», возникают многочисленные мельчайшие капельки. Установлено, что при таком пересыщении жизнеспособны зародыши, состоящие всего из нескольких молекул воды- т.н. "молекулярных агрегатов". В реальной атмосфере жизнеспособные зародыши образуются при относительных влажностях воздуха близких к 100% . Это происходит благодаря присутствию в воздухе т. н. атмосферных ядер конденсациимикроскопических твердых частиц, способных аккумулировать у своей поверхности молекулы воды. Ядрами конденсации могут быть частицы любого вещества, взвешенные в атмосфере. Наиболее активны ядра, представляющие собой частицы, на поверхности которых реализуются условия смачиваемости. Такие частицы играют роль готовых, жизнеспособных при любых условиях зародышей. Притягивая к себе из окружающего воздуха молекулы воды, ядра существенно интенсифицируют процесс конденсации и делают возможным образование капель при значениях относительной влажности всего 101-110%. Активность ядер конденсации возрастает; если они состоят из гигроскопичных, либо растворимых в воде веществ. В этом случае конденсация может начаться и при относительной влажности менее 100%. При наличии у таких ядер собственного электрического заряда, еще более возрастает, а конденсация на них может начаться при еще меньших пересыщениях. Превышение относительной влажности воздуха над уровнем 100%, необходимое для начала конденсации в атмосфере, содержащем нерастворимые ядра конденсации в среднем в 10-20 раз больше, чем в случае, если эти ядра – гигроскопичные частицы, например, микрокристаллы NaCL. Указанные микрокристаллы являются весьма гигроскопичными и весьма активно взаимодействуют с водяным паром. Поэтому они являются ядрами конденсации. Концентрация атмосферных ядер конденсации изменяется в зависимости от места и времени от единиц до единиц миллионов штук на кубический сантиметр. Наибольшая концентрация ядер приходится на города и промышленные центры, наименьшая - на горы и океан. Более-менее отчетливый суточный ход концентрации атмосферных ядер конденсации отмечается в трех типах местностей: - городской, сельской и горной. В городах он имеет два максимума (около 9 и 18 часов) и два минимума (около 14 и 24 часов). Суточный ход концентрации атмосферных ядер имеет в сельской местности также два максимума (около 8 и 20 часов) и два минимума (около 4 и 16 часов). В горной местности он имеет один минимум (утро) и один максимум (полдень). Годовой ход концентрации атмосферных ядер в городах характеризуется максимумом зимой и минимумом летом. В сельской местности - наоборот. Рассмотренные особенности процесса конденсации объясняют причину того, что в запыленной атмосфере крупных городов туманы возникают гораздо чаще, чем за их пределами. Они же подсказывают способ искусственного образования туманов - внесение в атмосферу дополнительных ядер конденсации, состоящих из растворимых веществ. В свободной атмосфере распределение ядер конденсации по высоте носит экспоненциальный характер. При наличии слоев изотермии или инверсии это распределение нарушается. Если в воздухе содержатся преимущественно гигроскопические ядра конденсации, между значениями их концентрации и относительной влажностью воздуха, как правило, имеется обратная зависимость. Среди атмосферных ядер конденсации имеются электрически нейтральные и заряженные. Отношение числа нейтральных ядер к числу заряженных возрастает по мере увеличения их суммарного чиста. Все существующие гипотезы о происхождении атмосферных ядqз конденсации делятся на три группы: -космические: -континентальные; -морские. Космические гипотезы связывают образование ядер конденсации: - с поступлением в атмосферу космической пыли и остатков метеоритов, разрушившихся при входе в нее; - с воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца на озон. Озон, взаимодействуя с азотом, образует окислы азота. Взаимодействуя с молекулами воды в каплях, эти окислы превращаются в азотную и азотистую кислоты. При испарении воды с поверхности капель эти кислоты образуют микрокристаллы. При дальнейшем увеличении относительной влажности число капель в тумане не изменяется, а величины их диаметров возрастают. Континентальные гипотезы объясняют возникновение ядер конденсации ветровым подъемом пыли с земной поверхности. Среди этой пыли: - микрочастицы почвы (среди которых доля частиц, растворимых в воде ничтожна); -микрочастицы углерода (продукты горения и гниения); -микрочастицы промышленных выбросов поставляющих в атмосферу углерод, диоксиды серы и азота и др. вещества, способные активно взаимодействовать с водяным паром; -микрочастицы вулканического пепла и других продуктов вулканической деятельности. Морские гипотезы предлагают рассматривать ядра конденсации как результат следующих процессов: -испарение соли (преимущественно хлоридов) непосредственно с поверхности Мирового океана; -химические превращения морской соли в атмосфере (атмосферный озон окисляет хлориды с образованием свободного хлора, последний, взаимодействуя с водяным паром под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца, превращается в соляную кислоту); -разбрызгивание воды с морской поверхности, с образованием, после высыхания брызг, микрокристаллов соли - эффективных ядер конденсации. Несмотря на обилие наблюдений единого источника атмосферных ядер конденсации не выявлено. Ни один из перечисленных источников не исключает остальных. По всей видимости, в определенной мере все эти гипотезы справедливы, а единого универсального механизма может и не существовать. 5. Темы для докладов студентов. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Вода – основа жизни. Образование и эволюция гидросферы Земли. Аномальные свойства воды. Свойства морской воды. Закономерности испарения. Закономерности конденсации. Молекулярное строение воды. 6. Порядок проведения занятия. 1. Вводная часть. Проверка наличия студентов и их готовности к занятию. Оглашение темы занятия, его цели и заданий. 2. Доклады студентов 3. Обсуждение докладов. 4. Заключительная часть. Подведение итогов занятия. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Рекомендованная литература Холопцев А. В. Введение в гидрометеорологию./А. В. Холопцев, А. И. Рябинин// Севастополь. – СНУЯЭиП. -2002. -220с. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л.: «Гидрометеоиздат», 1976. 639с. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: «Гидрометеоиздат», 1978. Т.1. 246с. Школьний Є.П. Фізика атмосфери. -Одеса.; ОГМІ. 1997. - 698 с. Погосян Х.П., Туркетти З.Л. «Атмосфера Земли». М.,1970. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы/ К. Моханакумар. Перевод с английского Р.Ю. Лукьяновой, под ред. Г.В.Алексеева.// Москва. – ФИЗМАТЛИТ. - 2011. -451с.
