ТЕМА: Водяной пар в атмосфере

План:

1. Влажность воздуха. Характеристики влажности воздуха.

2. Изменение характеристик влажности воздуха с высотой и в растительном покрове.

3. Испарение. Скорость испарения.

4. Испаряемость. Коэффициент увлажнения.

5. Испарение с поверхности воды, почвы и растений.

6. Конденсация водяного пара. Сублимация водяного пара.

7. Продукты конденсации и сублимации водяного пара наземной поверхности и в свободной атмосфере.

8. Облака. Классификация облаков.

1. Влажность воздуха

«Влажность воздуха – содержание водяного пара в атмосфере».

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхности водоемов, почвы, снега, льда и растительного покрова.

1.Характеристики влажности воздуха

1. Парциальное давление водяного пара [е] – давление, которое имеет водяной пар, находящийся в воздухе.

Измеряется в [гПа]. 1 гПа = 100 Па = 1 мб (миллибар)

2. Давление насыщенного водяного пара [ Е ] – это парциальное давление водяного пара, находящегося в состоянии насыщения.

(Насыщение пара – состояние, при котором в единице обьема воздуха содержится максимально возможное при данной температуре количество водяного пара).

Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара может в нем содержаться. Поэтому Е тем больше, чем выше температура воздуха.

Измеряется в [ гПа ] (гектопаскалях).

3. Абсолютная влажность воздуха [ а ] – количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Измеряется в [г/м.куб].

4. Относительная влажность воздуха [f] – отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре, выраженное в %

(т.е. измеряется в %).

f- показывает степень насыщения воздуха водяным паром. Полное насыщение происходит когда f=100%..

При неизменном содержании водяного пара в воздухе f тем больше, чем ниже температура воздуха. Поэтому f минимальная днем, максимальная на рассвете.

1. Дефицит насыщения воздуха водяным паром [d ] – это разность между Е и е

Измеряется в [гПа]

С увеличением f , d уменьшается и при f = 100%, d = 0

1. Точка росы. [ td ] – это температура, при которой объём воздуха, охлаждающейся при постоянном давлении, становится насыщенный водяным паром.

f [ °C ] –единицы измерения.

При f = 100%, температура воздуха является точкой росы.

Чем меньше водяного пара содержится в воздухе, тем ниже температура точки росы и наоборот.

2. Изменения характеристик влажности воздуха с высотой и в растительном покрове.

1. С высотой [е ] быстро уменьшается, т. к. в нижний слой атмосферы водяной пар поступает непрерывно благодаря испарению с земной поверхности, а в более высокие слои пара поступает меньше. [Е ] также резко уменьшается с высотой, за счет понижения температуры воздуха. А [ f ] изменяется неравномерно : вначале возрастает, т. к. с высотой уменьшается температура воздуха, затем начинает понижаться за счет меньшего поступления водяного пара в высокие слои атмосферы, а потом возрастает до 100% в слое облаков (от 0,5 до 10 км) Выше этого слоя водяного пара практически нет.
2. В растительном покрове влажность воздуха выше, чем над оголенной почвой за счет испарения с поверхности листьев растений (транспирации),а также благодаря снижению скорости ветра между растениями, что уменьшает перенос влаги.

Поэтому [ f ] и [ е ] в растительном покрове выше, чем над оголенной почвой:

Max f (80 – 90%) весь год в тропических и экваториальных лесах, а min (до 5% и менее в пустынях.

3. Испарение

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Количественно испарение характеризуется скоростью испарения – это масса воды, испаряющаяся с единицы поверхности, в единицу времени [г/см. кв ]

Мин

Скорость испарения можно вычислить по следующей формуле:

(закон Дальтона)

где (Е₁ – е) – дефицит насыщения, взятый по температуре испаряющей поверхности

Р – атмосферное давление

А – коэффициент, зависящий от скорости ветра [≈ 0, 0008]

Таким образом, скорость испарения зависит:

1. От температуры испаряющей поверхности (чем выше температура, тем больше скорость).

2. От дефицита насыщения (чем суше воздух, тем больше скорость).

3. От скорости ветра (ветер уносит влажный воздух, заменяя его на сухой и таким образом увеличивает скорость испарения).

4. От атмосферного давления (давление атмосферы затрудняет отрыв молекул воды от испаряющей поверхности, в результате скорость испарения уменьшается)

4. Испаряемость

Испаряемость - теоретически возможное испарение с увлажненной поверхности при данных метеорологических условиях.

Испаряемость может быть равна испарению, но на большей части планеты она выше, чем реальное испарение.

Например: В пустыне испарение примерно в 25 раз меньше испаряемости, т. к. осадков выпадает менее 100 мм/год, а испаряемость более 2.500 мм.

Увлажнение территории можно охарактеризовать с помощью коэффициента увлажнения.

I – испаряемость за год (мм)

Если К больше 1,увлажнение территории избыточное (то есть осадков выпадает больше, чем может испариться в данных условиях.

Если К=1,увлажнение нормальное.

Если К меньше 1, но больше 0,3 –недостаточное.

Если ≤ 0,3 – скудное.

Чем меньше К_увл, тем засушливее климат.

5. Испарение с поверхности воды, почвы и растений

1. Испарение с водной поверхности – зависит от всех тех же факторов, что и скорость испарения (то есть: от температуры, скорости ветра, сухости воздуха, атмосферного давления). Но дополнительно влияет и соленость воды: над раствором скорость испарения меньше, чем над пресной водой при тех же метеоусловиях.

2. Испарение с поверхности почвы – зависит от тех же факторов (температуры, скорости ветра, атмосферного давления, влажности воздуха), но, кроме того:

-влажности почвы (чем больше влажность, тем больше испарение)

-цвета почвы (у темных лучше испарение, так как они хорошо прогреваются)

-плотности почвы (плотные испаряют лучше, чем рыхлые, так как имеют капилляры)

-рельефа (южные склоны больше нагреваются; над возвышенностями скорость ветра больше, чем в низинах, поэтому испарение сильнее)

-растительный покров – растения затеняют почву, а так же уменьшают скорость ветра, и таким образом, снижают испарение.

«Процесс испарения влаги растениями – транспирация». Происходит через устьица, находящиеся на листьях, а у теневыносливых растений и через кутикулу ( слой из кутина и воска)

.Значение транспирации:

1. Охлаждает растения, помогая избежать перегрева.

2. Создает непрерывный ток воды по растению – в результате через корни постоянно поступает вода с растворенными минеральными веществами

Интенсивность транспирации - количество воды, испаряемой растениями

с единицы листовой поверхности в единицу времени.

[ г/см²]

час

зависит от состояния атмосферы, влажности почвы и способности растения регулировать испарения. Эта способность различна у каждого вида и обеспечивается разнообразными физиологическими и анатомо-морфологическими механизмами (плотная кутикула, опушение способность листьев сворачиваться и т. д.)

Суммарное испарение поля – сумма испарения воды с поверхности почвы и транспирации.

6. Конденсация водяного пара

Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Для конденсации водяного пара в атмосфере необходимо 2 условия:

1. Охлаждение воздуха до температуры ниже точки росы –

Охлаждение воздуха до точки росы делает его насыщенным, а при дальнейшем понижении температуры воздуха, водяной пар, содержащийся в нем, становится перенасыщенным и излишки пара, превышающие предел насыщения, конденсируются.

2. Наличие ядер конденсации в атмосфере

Ядра конденсации – это аэрозольные частицы, находящиеся в атмосфере, на поверхности которых происходит адсорбция молекул водяного пара и в, результате образуются капли воды.

Без ядер конденсации капли воды образуются только при большом перенасыщении воздуха водяным паром (f более 400%), что в природе практически никогда не происходит.

Ядра конденсации подразделяют на гигроскопические (это обычно кристаллы солей), на их поверхности адсорбция молекул воды происходит уже при f чуть ниже 100%.

И негигроскопические (смачиваемые) – это частицы почвы, сажи и т. д., на них адсорбция происходит при f чуть более 100%

Сублимация – переход водяного пара из газообразного состояния в твердое, минуя жидкую фазу. Она происходит при температуре ниже 0⁰С.

7.А. Продукты конденсации и сублимации водяного пара на земной поверхности

Воздух соприкасается с земной поверхностью. И в зависимости от ее температуры, а также от температуры и влажности воздуха может происходить конденсация или сублимация водяного пара, и образуются следующие продукты:

1. Роса – мелкие капли воды, образующиеся на поверхности почвы, камнях, растениях при температуре выше 0⁰С. Ночью земная поверхность охлаждается вследствие теплового излучения земли, а от земной поверхности охлаждается и нижний слой воздуха. Если температура воздуха опустится ниже точки росы, произойдет конденсация водяного пара – в результате выпадет роса. Утром роса быстро испаряется.

2. Иней – мелкие кристаллы льда, образующиеся на горизонтальных поверхностях (почве, наземных предметах) в результате тех же причин, что и роса, но при температуре ниже 0⁰С (то есть путем сублимации). Образование инея чаще всего происходит осенью и весной.

3. Изморозь: существует 2 вида → зернистая (это рыхлый снеговидный осадок, нарастающий на ветвях деревьев, проводах, заборах и на других вертикальных и горизонтальных поверхностях, при наличии тумана и температуре –2 ; -7⁰С) и кристаллическая - пушистый слой кристаллов льда, образующийся на тех же поверхностях, но при температуре ниже -15⁰С. Изморозь образуется также путем сублимации, но только зимой.

4. Гололед – слой гладкого льда, образующийся на земной поверхности, стволах деревьев, проводах вследствие намерзания на них очень переохлажденных капель дождя или тумана (в атмосфере переохлажденные капли могут находится при температуре даже до –20⁰С, но при соприкосновении с холодной поверхностью они тут же намерзают на нее). Не путать с гололедицей!

7. Б. Продукты конденсации и сублимации водяного пара в свободной атмосфере

Туман – мельчайшие капли воды и кристаллики льда, взвешенные в атмосфере. Причина возникновения – конденсация или сублимация водяного пара в самом нижнем слое воздуха, в результате его охлаждения (капли тумана отличаются от росы малыми размерами).

Существует 3 основных вида туманов; в зависимости от условий образования выделяют:

1. Радиационный туман (образуется в результате сильного выхолаживания земной поверхности в ясные тихие ночи)

2. Адвективный туман (возникает при движении теплого воздуха над охлажденной поверхностью).

3. Туман испарения (образуется вследствие испарения влаги с поверхности теплой воды. Попадая в холодный воздух, водяной пар конденсируется вновь. Наблюдается над теплыми морскими течениями; например: Гольфстрим в Атлантическом океане, и горячими источниками)

.

Горизонтальная видимость при тумане менее 1 км, если больше 1 км, но меньше 10км – это дымка.

8. Облака

Облака – продукты конденсации и сублимации водяного пара, взвешенные в свободной атмосфере, на расстоянии 0,5 км и более от земной поверхности.

По составу облака бывают

Водяные ЛедяныеСмешанные

(состоят из (из кристаллов (из переохлажденных

капель воды) льда) капель и снежных

кристаллов)

«Высоту, на которой водяной пар в поднимающемся воздухе становится насыщенным, называют уровень конденсации».

Верхняя граница облаков определяется уровнем конвекции – это высота, на которую может подняться объем воздуха в результате тепловой конвекции

уровень конвекции

облака состоят из

кристаллов льда

уровень замерзания

облака из переохлаж-

денных капель и

снежинок

уровень нулевой изотермы

облака из капель

воды и тающих

снежинок

уровень конденсации

По международной классификации облака делятся 4 семейства и 10 родов:

А. Семейство облаков верхнего яруса (высота нижнего основания более 6 км)

Облака эти состоят из ледяных кристаллов, имеют белый цвет. Они не дают тени, сквозь них просвечивает голубое небо, солнце, луна. Не дают осадков.

1 род. Перистые – имеют вид тонких белых волокон, перьев.

2род. Перисто – кучевые - в виде очень мелких белых хлопьев или ряби.

3род. Перисто - слоистые - в виде тонкой, прозрачной белой пелены.

Б. Семейство облаков среднего яруса (высота нижнего основания от 2 до 6 км)

Более плотные облака, состоят из снежинок и переохлажденных капель воды, поэтому имеют светло- серый цвет. Сквозь них плохо просвечивают или совсем не просвечивают Солнце и Луна. Дают слабые тени. Обычно не дают осадков, и редко зимой.

4 род. Высоко – кучевые – имеют вид крупных хлопьев, округлых масс, расположенных часто рядами или группами

5 род. Высоко – слоистые – в виде однородной сероватой пелены.

В. Семейство облаков нижнего яруса (высота нижнего основания менее 2 км).

Это плотные, не просвечивающие облака, дающие хорошую тень. Состоят из капель воды и имеют темно- серый цвет. Обычно дают осадки.

6 род. Слоистые облака – имеют вид однородного серого покрова, расположенного очень низко. Дают моросящие осадки.

7 род. Слоисто – кучевые облака – представляют собой неоднородный серый слой, в котором четко выделяются отдельные глыбы, пластины облаков. Осадки из таких облаков не достигают земной поверхности.

8 род. Слоисто – дождевые – наиболее темные и низко расположенные облака в виде сплошной пелены. Дают обложные осадки.

Г. Семейство облаков вертикального развития (высота нижнего основания менее 2 км, а вершины достигать могут верхнего яруса). Образуются в результате тепловой конвекции, (то есть восходящих потоков воздуха).

9 род. Кучевые облака – отдельные, плотные, белые массы различных размеров. Никогда не дают осадков (в наших широтах)

10 род. Кучево-дождевые (грозовые) облака – образуются в результате дальнейшего развития кучевых облаков. Имеют вид больших башен, гор. В верхней части состоят из ледяных кристаллов, в средней – смешанные , в нижней – из капель воды. Поэтому основание свинцово-синего цвета, а вершины белые. Дают ливневые осадки, часто с градом и грозовыми ливнями.

В метеорологии степень покрытия неба облаками определяют визуально (на глаз) в баллах от 0 до 10.

10 баллов – покрыто все небо, облаков нет или покрыто менее 1/10 части неба, 1 балл-покрытие 1/10 неба.