Тема 1.3. Пар в атмосфере

Кругооборот воды в природе. В природе существует непрерывный кругооборот воды. В результате испарения воды с поверхности океанов и материков в атмосферу поступает пар. Подсчитано, что в среднем за год со всей поверхности земного шара испаряется 5,2*10¹³ т воды, из которых 4,5*10¹³ т приходится на долю испарения с поверхности океанов и 0,7*10¹³ т — с поверхности суши. Ветром пар переносится, на большие расстояния в горизонтальном направлении, а благодаря конвекции и турбулентному движению он распространяется по всей толще тропосферы.

Водяной пар в атмосфере конденсируется, и продукты конденсации выпадают в виде осадков на земную поверхность. Общее количество воды, выпадающей из атмосферы в виде осадков за год, примерно в 40 раз больше, чем общее содержание воды в атмосфере. Приведенные цифры показывают, насколько интенсивно происходит обмен влагой между земной поверхностью и атмосферой. Тот факт, что в уровне Мирового океана не происходит каких-либо заметных систематических изменений, говорит о том, что испаряющаяся с земной поверхности вода возвращается обратно в виде осадков и речного стока.

Рис. 1.3. Круговорот воды в природе.

Количество воды, которое имеется в атмосфере, составляет примерно 0,001% мировых запасов воды, причем основная часть ее в атмосфере (95%) находится в виде пара и лишь 5% массы воды приходится на долю облачных частиц (капель воды и кристаллов льда).

Основные черты круговорота воды, или гидрологического цикла, хорошо известны (рис. 1.3). В этом цикле вода последовательно переходит из одного состояния в другое и из одной части окружающей нас среды в другую. Гидрологический цикл можно рассматривать состоящим из серии состояний, или стадий и процессов (рис. 1.4). Если круговорот воды является процессом установившимся, должно соблюдаться равенство между количеством воды, переходящим в какую-либо фазу, и количеством воды, выходящим из нее.

Рис. 1.4. Стадии (обозначены прямоугольниками) и процессы (обозначены кружками) круговорота воды. Числа (в процентах) показывают количество воды, присутствующей в настоящее время на каждой стадии. Скорости процессов даны в 10¹⁵ кг/год.

В таком случае время, которое молекула воды находится в среднем в каждом состоянии, то есть время пребывания, можно вычислить, разделив массу воды, находящуюся в этом состоянии, на скорость, с которой происходит вынос или привнес молекул - независимо от происходящих процессов. Результаты таких расчетов, основанных на величинах, приведенных на рис. 1.4 (полагая общую массу воды равной 1400 10¹⁸ кг), дают следующие порядки величины времени пребывания молекул в каждом состоянии: в океанах - 4-10³ лет, в грунтовых водах, в виде льда, в озерах и реках (вместе)-4-10 лет, в атмосфере (в виде водяного пара и облаков) -10 дней. В действительности же количество воды очень медленно пополняется за счет так называемой ювенильной воды, находящейся в недрах Земли; эта вода поступает на поверхность во время вулканических извержений, из термальных источников и т.д. Часто бывает очень трудно отличить грунтовые воды, включенные в круговорот воды, от ювенильных, что делает подсчеты количества грунтовых вод, приведенные на рис. 1.4, весьма ненадежными.

Испарение.

Испарение - это процесс, в результате которого вода из океана или с поверхности Земли поступает в атмосферу. Тот же процесс, при котором испарение происходит с поверхности зеленых растений, называется транспирацией, а если молекулы воды переходят в газообразное состояние непосредственно с поверхности льда, то такой процесс называется возгонкой (сублимацией). Пары воды, которые в результате этих процессов пополняют количество газов, находящихся в атмосфере, увеличивают атмосферное давление.

Первая из этих характеристик называется температурой точки росы. Она определяется как температура, при которой некоторый объем воздуха, охлаждающийся при постоянном давлении, достигает состояния насыщения по отношению к воде.

Аналогичная температура относительно поверхности льда называется точкой замерзания. Чтобы в примере, приведенном на рис. 1.5, найти точку росы пробы воздуха А, находящейся при температуре 25°С и давлении паров 20 мб, нужно из точки А провести горизонтальную линию до пересечения с кривой и в точке В снять значение температуры, равное 17,5°С.

Другая из этих характеристик - это относительная влажность, которая определяется следующим образом:

U = 100% e/e_w (3.1)

В приведенном выше примере е равно 20 мб, а е_w, (упругость насыщенных паров при температуре воздуха 25°С) - 31,5 мб (точка С), откуда U = 100% 20/31,5 = 63,5%. Относительная влажность возрастает не только при увеличении содержания водяного пара, но и при уменьшении температуры, если при этом количество водяных паров остается неизменным. Таким образом, суточные колебания относительной влажности часто отражают суточные колебания температуры воздуха.

Скорость испарения и испаряемость. Испарение обычно характеризуется массой испарившейся жидкости. Эта величина, рассчитанная на единицу поверхности за единицу времени, дает скорость испарения Vисп, которая выражается в г/см²).- Расчеты показывают, что непосредственно у поверхности воды упругость пара равна упругости насыщения Е. Дальнейшее распространение водяного пара в атмосфере определяется. молекулярной и турбулентной диффузией..

В конечном итоге скорость испарения зависит от, температуры испаряющей поверхности t, дефицита влажности d. вычисленного с учетом этой температуры, и скорости ветра w

В метеорологии принято определять среднюю, скорость испарения за длительный промежуток времени: сутки, декаду, месяц, сезон или год, выражая ее высотой испарившегося слоя воды в миллиметрах или сантиметрах.

Скорость испарения увеличивается с повышением температуры благодаря росту упругости насыщения и, следовательно, дефицита влажности d. Поскольку испарение идет при большой затрате тепла, оно при прочих равных условиях больше в теплых районах, чем в холодных, в теплое время суток больше, чем в холодное. Ветер способствует удалению молекул водяного пара из слоя воздуха, прилегающего к поверхности воды. Очевидно, что чем больше скорость ветра, тем больше и испарение.

Максимально возможное (не лимитируемое запасами воды) испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях называется испаряемостью. Очевидно, что фактическое испарение может быть либо равным, либо меньше испаряемости. Например, в пустынях испаряемость велика, а испарение может быть близко к нулю. В Сахаре испаряемость в год равна 4000 мм, в районе Ташкента—2000 мм в год; фактическое испарение в этих районах ничтожно мало. .В океане испарение равно испаряемости.

Наиболее надежные данные величины испарения имеются для , поверхности океанов. Можно считать, что с океанической поверхности испаряется в среднем за сутки в экваториальной зоне 3—4 мм, а в умеренных широтах 1—2 мм. В среднем для всего земного шара испарение примерно равно 100 см в год.

Конденсация. Когда водяной пар в атмосфере достигает насыщения, начинается процесс конденсации (образование капель воды) или процесс сублимации (непосредственное образование кристаллов льда из водяного пара).

Конденсация и сублимация водяного пара происходят как в атмосфере, так и на земной поверхности и расположенных на ней предметах. Конденсация начинается, когда температура понизится до точки росы τ. Если τ <0°С, то может произойти не только конденсация, но и сублимация. Однако в атмосфере сублимация происходит лишь при очень низких температурах, ниже —40°С. При более высокой температуре пар в атмосфере конденсируется, образуя переохлажденные капли.

Ядра конденсации. Обычно в атмосфере в том или ином количестве во взвешенном состоянии находятся аэрозоли - мельчайшие твердые и жидкие частички, на которых и происходит и конденсация водяного пара. Эти частички и называются ядрами конденсации. В чистом воздухе, лишенном всяких примесей, конденсация водяного пара на наступает даже при перенасыщении его в несколько раз.

Ядрами конденсации над океанами в основном являются частички солей, которые попадают в воздух в больших количествах при испарении брызг морской воды в воздухе. Еще большее число ядер конденсации попадает в атмосферу при распылении почвы,, а также в виде продуктов горения.

Ядрами конденсации над океанами в основном являются частички солей, которые попадают в воздух в больших количествах при испарении брызг морской воды в воздухе. Еще большее число ядер конденсации попадает в атмосферу при распылении почвы, а также в виде продуктов горения.

Частицы дыма и твердые частицы пыли, выбрасываемые промышленными предприятиями, уменьшают видимость как непосредственно, так и косвенно в связи с тем, что они представляют собой гигроскопические ядра, способствующие конденсации. Этот густой смешанный туман называется смогом.

Туманы.

При конденсации или сублимации водяного пара в воздухе образуются мельчайшие капли воды или ледяные кристаллы. Скопление таких частиц непосредственно у земной поверхности называется туманом, если дальность видимости меньше -1 км, или туманной дымкой, если дальность видимости меньше 10 км.

Туманы представляют серьезную угрозу для мореплавания. Они относятся к часто повторяющимся явлениям, поэтому изучение условий их образования, а также географическое распределение имеют большое практическое значение.

Содержащиеся в воздухе капли воды и кристаллы льда уменьшают его прозрачность, и поэтому дальность видимости в тумане может быть очень малой. В зависимости от интенсивности тумана или дымки по условиям видимости различают: