Умови конденсації водяної пари в атмосфері

Тема 7. Конденсація водяної пари

Лекція 11

Вплив рослинного покриву та великого міста на вологість повітря

Рослинний покрив чинить великий вплив на вологість повітря, особливо в ясну та тиху погоду. Дійсно, завдяки великій випаровуючій поверхні рослинність випаровує багато вологи, чим підвищує абсолютну вологість приземного шару повітря. Крім того, вона ще, зменшуючи швидкість вітру, перешкоджає обміну вологого повітря з більш сухим, що знаходиться над рослинним покривом.

Врешті, рослинний покрив чинить вплив на температуру приземного шару повітря; ці зміни виявляються і на значеннях відносної вологості. Найбільша абсолютна вологість спостерігається всередині рослинного покриву. Найбільш різко це виявляється в денні години. В порівнянні з відкритим місцем у посівах пшениці (на висоті 10 см) абсолютна вологість повітря виявляється на 1,5 – 2,0 мб вище. Ще більший вплив рослинного покриву на відносну вологість. В ясні літні дні всередині посівів жита та пшениці відносна вологість на 15 – 30 % більша в порівнянні з відкритим місцем (над парою).

Особливо великий вплив лісу на вологість повітря. За спостереженнями В.Н.Оболенського в розсаднику Ленінградської лісотехнічної академії серед молодих дубів висотою в 1,5 м, найбільші величини абсолютної вологості спостерігалися всередині крон. Різниці в середніх добових величинах абсолютної вологості повітря всередині крон дерев і на відкритому місці убачали до 0,8 – 1,1 мм. Причому в 13 год. ці різниці доходили до 2,6 – 3,0 мм, що пояснюється впливом потоків, які піднімаються.

Ще більше впливає ліс на відносну вологість. За даними В.Н.Оболенського різниці середньодобових значень відносної вологості повітря всередині крон дерев і на відкритому місці на висоті 2 м досягають 8 – 11 %. У 13 год. в ясні дні ці різниці дісиавали 22%, а в окремих випадках 33%.

Помітний вплив на вологість повітря чинять великі міста. Як абсолютна, так і відносна вологість у містах значно нижча, ніж в околицях. Це пояснюється тим, що вкрита камінням і асфальтом територія міста дуже мало затримує на своїй поверхні випавших опадів; більша частина води стікає в каналізацію та лише невелика кількість її повертається в повітря шляхом випаровування. В той же час більш високі температури в порівнянні з околицями сприяють зменшенню відносної вологості.

Процес переходу води з пароподібного стану в рідкий називається конденсацією. Перехід водяної пари безпосередньо у твердий стан, минаючи рідку фазу, називається сублімацією.

Водяна пара, що знаходиться в атмосфері, може переходити в рідкий чи твердий стан лише в тому випадку, якщо пружність її досягає пружності насичуючої пари чи перевищує її, тобто при умові:

е ≥ Е, (11.1)

де е – пружність водяної пари, що знаходиться в повітрі; Е – пружність насичуючої пари при даній температурі.

При вказаних умовах температура повинна знизитись до точки роси чи нижче, тобто

t ≤ τ. (11.2)

Отже, перехід водяної пари в рідкий чи твердий стан обумовлюється головним чином зниженням температури при наявності поверхонь, що мають температуру нижче точки роси. Молекули водяної пари осідають на окремі нерівності предметів, утворюючи первісну тонку плівку води. У випадку, якщо конденсація відбувається не на поверхні, а в якому-небудь об’ємі повітря, позбавленого усяких домішок, на які могли б осідати молекули водяної пари, найдрібніші, так звані зародкові краплини, можуть виникнути тільки в результаті взаємного об’єднання цих молекул одна з одною. Розміри цих зародкових краплин мало відрізняються від розмірів молекул. Конденсація водяної пари на поверхні таких малих частинок, як показали проведені досліди, може відбутися тільки при значному перенасичені. Пружність водяної пари в даному випадку повинна в 4–6 разів перевищувати пружність насичуючої пари, тобто r повинно дорівнювати 400–600%. Якщо перенасичення менше цього значення, то утворені краплини швидко випаровуються.

У звичайному перенасиченому повітрі, в якому наявні змочувані чи гігроскопічні частинки, конденсація відбувається при відносній вологості 110–120%, а іноді менше 100%.

Ці частинки, що підвішені в повітрі та слугують центрами, на яких починається конденсація водяної пари, називаються ядрами конденсації.

Для того, щоб відбулася конденсація в атмосфері на деякій висоті, скажімо при утворені туману чи хмар, необхідна наявність в повітрі ядер конденсації та відповідного насичення чи невеликого перенасичення повітря водяною парою.

Таким чином, умови, що необхідні при конденсації водяної пари в повітрі, наступні:

1)температури до точки роси чи нижче,

2)наявність в повітрі ядер конденсації.

Зниження температури повітря, і до того ж нижче точки роси, є можливим:

1)внаслідок охолодження земної поверхні та прилеглих шарів повітря випромінюванням;

2)внаслідок зіткнення теплого повітря з холодною підстилаючою поверхнею;

3)при змішувані двох насичених чи близьких до стану насичення мас повітря, що мають різні температури;

4)внаслідок адіабатичного підняття та відповідного розширення повітря, що супроводжується охолодженням.

Конденсація водяної пари внаслідок охолодження земної поверхні та прилеглих шарів повітря випромінюванням. В ясну тиху погоду після заходу Сонця земна поверхня та наземні предмети завдяки випромінюванню починають охолоджуватися. Охолоджуються і прилеглі до нього шари повітря. Водяна пара, що знаходиться в цих шарах, наближується до стану насичення, і коли температура земної поверхні та наземних предметів досягає точки роси, водяна пара починає на них осідати у вигляді дрібних краплинок на поверхні ґрунту, трави і всіх наземних предметів.

Внаслідок випромінювання найнижчих шарів повітря, охолодження їх нижче точки роси та наявності в цих шарах ядер конденсації згущення водяної пари може відбутися в самому повітрі – утворюється туман.

Якщо на деякій висоті над земною поверхнею знаходиться шар повітря з великим вмістом водяної пари, то при радіаційному випромінювані цього шару, відповідному охолоджені його та наявності ядер конденсації в ньому може відбутися конденсація й утворення хмар.

Конденсація внаслідок зіткнення теплого повітря з холодною підстилаючою поверхнею. Конденсація при цьому може відбутися, коли тепле повітря натікає на більш холодну підстилаючу поверхню, наприклад у тих випадках, коли повітря з теплої морської поверхні натікає на холодну поверхню континенту чи з теплого континенту на холодну водяну поверхню, чи з поверхні теплої морської течії на поверхню холодної течії.

Конденсація водяної пари при змішувані двох повітряних мас. Конденсація водяної пари може відбутися при змішувані двох мас повітря, що насичені водяною парою чи близькі до стану насичення, але які мають різну температуру. Таке змішування призводить до зменшення температури більш теплої маси повітря, а пружність водяної пари, як нам відомо, зменшується швидше ніж температура. Величина пружності водяної пари суміші може виявитися більше пружності насичуючої пари при середній температурі всієї суміші. Надлишок водяної пари повинен конденсуватися. Наприклад, дві маси повітря, що мають температури t ₁ = 10º і t ₂ = 20º, змішуються. При цьому обидві маси насичені водяною парою й, отже, пружність водяної пари кожної з них е ₁ і е ₂ дорівнюють відповідно значенням максимальних пружностей Е ₁ і Е ₂. Величини Е ₁ і Е ₂ можна визначити за таблицями. При t ₁ = 10º Е ₁ = 12,3 мб, при t ₂ = 20º Е ₂ = 23,4 мб. Середня величина максимальної пружності в даному випадку дорівнює мб; а при середній температурі суміші 15º максимальна пружність водяної пари Е = 17,1 мб.

З прикладу отримуємо, що Е _ср > Е, тобто що при змішувані отримуємо надлишок водяної пари в 0,8 мб, який сконденсується.

Конденсація при адіабатичному охолоджені повітря. Під час адіабатичного підняття насиченої маси повітря вона охолоджується на 1º на кожні 100 м висоти. При досягненні даною масою температури точки роси наступне підняття маси і пов’язане з цим охолодження її починається конденсація водяної пари.

Адіабатичне охолодження вологого повітря при піднятті являється дуже важливим процесом, що призводить до конденсації водяної пари у вільній атмосфері. В результаті цього процесу виділяється найбільша кількість продуктів конденсації.

Адіабатичне охолодження повітря може відбуватися іноді також при різкому знижені атмосферного тиску на якому-небудь рівні та пов’язаному з цим розширені повітря. При цьому можливе утворення туману. Але при такому процесі зниження температури звичайно невелике та процес конденсації може мати місце тільки при великій величині відносної вологості повітря.

Дата добавления: 2014-01-04