Турбулентний потік і приплив водяної пари в атмосфері

Гомогенне льодоутворення. При зниженні температури швидкість руху молекул зменшується і виникають флуктуації густини, що при від’ємній температурі призводить до виникнення зародку твердої фази - льоду. Поряд з прямим переходом пари у тверду фазу остання може утворюватися із рідкої фази. Процес безпосереднього переходу водяної пари у тверду фазу називається сублімацією, що є гомогенним переходом. Сублімація потребує значного пересичення водяної пари і тому не є основним процесом льодоутворення. Основним процесом льодоутворення в атмосфері є процес кристалізації води.

Льодоутворення в атмосфері

Для початку кристалізації потрібно утворення зародка льодяної фази у середині переохолодженої краплі. Таким зародком може бути скупчення молекул води, що має густину і структуру льоду і утворилося у результаті випадкових рухів молекул. Імовірність виникнення таких скупчень збільшується при зниженні температури. Такий фазовий перехід називається гомогенним.

Теорія фазового гомогенного переходу визначає критичний радіус

, (4.13)

де s_Л = 75,54 мДж/м² - поверхнева сила натягу на межі вода-лід при температурі 0 ⁰С; r_Л = 0,91×10³кг/м ³ густина льоду; L_ПЛ = 324 кДж/кг. – теплота плавлення льоду.

З формули (4.13) випливає, що розмір критичного радіусу кристалічного зародку суттєво залежить від переохолодження (273/Т): чим більше переохолодження, тим менший критичний радіус і кращі умови для утворення стійкого зародку.

В атмосфері льодяна фаза утворюються головним чином шляхом замерзання крапель, що потребує великого переохолодження. Так вода у вигляді крапель може залишаться рідиною при від’ємних температурах до -30 ⁰С, а до температури -12 ⁰С вона практично ніколи не замерзає і краплі знаходяться у переохолодженому метастабільному стані.

Гетерогенне льодоутворення. Гетерогенне льодоутворення потребує існування особливих ядер кристалізації, які є підвалиною для елементів льодяної фази. Ними можуть бути вже знайомі нам ядра конденсації при низькій температурі. За участю ядер кристалізації замерзання може початися при температурах незначно нижчих за 0 ⁰С. Кількість таких ядер мала, це свідчить, що в атмосфері хмари до температури -12÷-15 ⁰С залишаються стійко переохолодженими. Тому можна стверджувати, що основну роль у замерзанні хмарних крапель грає гомогенне льодоутворення.

При введенні в переохолоджену хмару деяких речовин, наприклад йодистого срібла, кристалізація починається при температурі -4 ⁰С. Цей ефект використовується при активних впливах на хмари.

Водяна пара розповсюджується в атмосфері завдяки атмосферним рухам - упорядкованому переносу та турбулентним пульсаціям. Розглянемо турбулентний потік водяної пари W. Субстанція, яка переноситься, є масова частка водяної пари S. Вертикальний та горизонтальний турбулентний поток водяної пари вздовж вісі ОХ, ОУ, OZ визначаємо

(4.14)

де - коефіцієнт турбулентності, або коефіцієнт турбулентної дифузії водяної пари

вздовж відповідних напрямків

Розглянемо вертикальний турбулентний потік водяної пари, що проходить через повітряний стовпчик одиничного перерізу, товщина якого d z. За одиницю часу до об’єму таким чином припливає і залишається маса водяної пари, що дорівнює

W_Z - (W_Z + dW_Z) = - dW_Z. (4.15)

Приплив водяної пари - dW_Z - це зміна потоку водяної пари у виділеному об’ємі за одиницю часу, узята з протилежним знаком. Враховуємо формулу (4.14) і маємо:

- dW_Z = - . (4.16)

Приплив водяної пари до одиниці маси повітря дорівнює

. (4.17)

Аналогічно запишемо горизонтальні турбулентні припливи у напрямах ОХ та ОУ:

- , (4.18)

Приплив водяної пари приведе до зміни масової частки водяної пари на величину dS/dt, що визначається наступним рівнянням:

. (4.17)

Використовує локальні похідні рівняння притоку водяної пари у турбулентній атмосфері має вигляд

(4.18)

Припливи водяної пари, що обумовлюються горизонтальними неупорядкованими рухами, значно менші, ніж інші члени правої частини рівняння (4.18), тому ними можна знехтувати. Тоді рівняння припливу тепла у турбулентній атмосфері для ненасиченого повітря приймає форму

(4.19)

Дата добавления: 2014-11-29