Конденсация

В атмосфере над поверхностью воды или льда присутствует множество загрязняющих ее частиц, таких, как кристаллы соли, образовавшиеся при испарении брызг воды, пыль, занесенная из пустынь или образовавшаяся в результате вулканических извержений, а также частички от дыма пожаров. Эти частицы, на которых происходит конденсация, называются ядрами конденсации. Они различаются по своей способности вызывать конденсацию, но обычно в атмосфере бывает все же достаточное количество частиц, чтобы началась конденсация, как только влажность воздуха превысит 100%. Ядра, на которых происходит конденсация, даже если относительная влажность еще не достигла 100%, называются гигроскопическими ядрами. Это обычно растворимые соли или загрязняющие частицы индустриального происхождения. Конденсация также может происходить на поверхности земли в виде росы или, если температура опускается ниже 0°С и происходит сублимация, в виде инея.

Насыщение воздуха водяным паром, приводящее к конденсации, обычно происходит при его охлаждении. Чаще насыщение воздуха водяным паром происходит при охлаждении, которое может произойти на контакте с холодной поверхностью или же при подъеме воздуха вверх. В том случае, если воздух соприкасается с поверхностью, температура которой ниже его точки росы, и находится почти без движения, будет образовываться роса или иней. Но если поднимется слабый ветер, охлажденный воздух будет перемешиваться в тонком поверхностном слое. При достаточном охлаждении весь этот слой насыщается водяным паром, в результате чего образуется туман.

Факторы, влияющие на фазовые переходы воды, cвязанные со свойствами испаряющей среды

Поток водяного пара зависит от разности между парциальным давлением насыщенного пара непосредственно у поверхности воды или суши (E₁) и парциальным давлением пара, содержащегося в воздухе на некотором удалении от поверхности (е). Если E₁— е> 0 , то происходит перенос пара от поверхности воды в воздух — испарение; если E₁— е<0, то, наоборот, преобладает поступление пара из воздуха на поверхность водоема (суши)—конденсация или сублимация пара. При E₁ — е = 0 наблюдается динамическое равновесие потоков к поверхности водоема (суши) и от нее. Величину d= E₁ — е называют дефицитом насыщения, рассчитанным по температуре испаряющей поверхности. Характер процесса (испарение или конденсация) можно определить также и по равновесной относительной влажности fp (%) сопоставляя последнюю с относительной влажностью воздуха. Под равновесной относительной влажностью понимается влажность, при которой устанавливается динамическое равновесие систем.

f_p=*100

где E₁ — давление насыщенного водяного пара в тонком слое над поверхностью воды (льда), определяемое по температуре испаряющей поверхности с учетом ее фазового состояния, наличия примесей, кривизны испаряющей поверхности и электрических зарядов; Е — давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, определяемое по температуре воздуха.

При отрицательных температурах Е берется по отношению к воде. Если

f < fp, то осуществляется испарение, если f >fp — конденсация, если f = fp,

то наступает динамическое равновесие фаз. Влияние факторов, определяющих испарение и связанных со свойствами испаряющей среды, проявляется через изменение давления насыщенного пара в тонком слое воздуха, прилегающем к испаряющей поверхности. Изменение давления насыщенного пара dE в зависимости от изменения температуры dT выражается уравнением Клаузиуса— Клапейрона

где Сi-2 — удельная теплота перехода из одного фазового состояния в другое,— удельные объемы воды в различных агрегатных состояниях Для определения E = f(T) можно использовать уравнение Клаузиуса—Клапейрона, а также эмпирические формулы Магнуса, позволяющие вычислить парциальное давление насыщенного водяного пара над водой и над льдом :

Если известно давление насыщенного пара над плоской поверхностью чистой воды, то для расчета давления насыщенного пара над плоской поверхностью чистого льда при разных температурах можно использовать формулу :

Зависимость давления насыщенного пара от кривизны испаряющей поверхности описывается формулой Томсона:

где Ег—давление насыщенного водяного пара над каплей или капилляром радиусом r,ơ — коэффициент поверхностного натяжения на границе вода—водяной пар, или поверхностная энергия; ƍк — плотность воды; г — радиус кривизны поверхности; Т — температура воздуха (К). Эту формулу можно преобразовать к виду:

где Сr = 2ơ/RƍKT — величина, которую практически можно считать постоянной и равной 1,2*10^-7 .Совместное влияние кривизны и фазового состояния на давление насыщенного водяного пара можно описать выражением :

Зависимость давления насыщенного пара от наличия примесей в воде, согласно закону Рауля, имеет вид:

где n — число молей растворенного вещества, N — число молей растворителя. Закон Рауля получен для растворов неэлектролитов малой концентрации. Формула при условии N>>n может быть записана в виде:

Для растворов электролитов со значительной концентрацией учитывается степень диссоциации молекул на ионы:

где i — коэффициент Вант-Гоффа. Однако и с учетом диссоциации закон Рауля для насыщенного раствора солей дает расхождение с экспериментальными данными на 10—15 %. Давление насыщенного пара над каплями растворов зависит от наличия примесей солей и кривизны:

где r и r₀ — радиусы капель с ненасыщенным и насыщенным растворами соли соответственно; Cр = (∆E_p ) _нас/Е - определяемый экспериментально коэффициент, характеризующий уменьшение давления насыщенного пара над насыщенным раствором вещества, который для основных ядер конденсации в атмосфере имеет следующие значения:

Зависимость упругости насыщения от кривизны и электричесzких зарядов капель определяется формулой Томсона:

где Сq для единичного элементарного заряда и температуры О °С равно 7,5*10^-30 см⁴ , ν — число единичных зарядов на поверхности капли. В начальный момент, когда капля представляет насыщенный раствор и ее радиус равен r0, упругость пара над каплей может быть меньше Е для ядер конденсации, и конденсация начнется при влажности ниже 100%. При увеличении начального радиуса (r равен r0) относительно влажность, для начала конденсации, уменьшается.

Таким образом, для конденсации водяного пара в атмосфере необходимо, что бы концентрация пара в воздухе была больше, чем над поверхностью образующихся частичек воды, и что бы в воздухе имелись мельчайшие частички, которые могли бы служить ядрами конденсации. Эти условия являются необходимыми для конденсации, но недостаточными для образования облачных капель, т.к. в ненасыщенном воздухе на гигроскопических ядрах могут образоваться лишь зародышевые капли. Для роста зародышевой капли и перехода ее в облачную требуется, что бы упругость пара в воздухе была больше, чем необходимо для их возникновения. Это соответствует пресыщению ,= 103% моей капли, и капля жизнеспособна.

Известно, что теория фазовых переходов воды в атмосфере разработана еще не полностью; в особой степени это относится к сильнозагрязненной атмосфере. Поскольку загрязненность атмосферы непрерывно возрастает, как по ее уровню, так и по степени географической распространенности, то попытки рассматривать загрязнение как некий новый метеорологический феномен, влияющий качественно и количественно на протекание ряда физических процессов в ее нижних слоях, вполне правомерны.

Наибольший интерес к настоящему времени, в связи с возрастающим загрязнением атмосферы, представляет изучение условий переноса в ней лучистой энергии, качества (состава) атмосферного воздуха и условий конденсации водяного пара и ,отчасти, условий замерзания жидкой фазы воды.

Облака

Облака представляют собой одно из интереснейших явлений природы. Среди тех величин и явлений, которые объединятся понятием «погода»,облакам и связанным с ними осадкам принадлежит определяющая роль.

Изменяя тепловой и радиационный режим атмосферы, облака оказывают большое влияние на многие стороны деятельности человека (прежде всего, в сфере сельскохозяйственного производства),а также на растительный и животный мир Земли. Велика зависимость от облаков, туманов и осадков различных видов транспорта, в первую очередь авиации.

Облаком называют видимую совокупность взвешенных капель воды и кристаллов льда, находящихся на некоторой высоте над земной поверхностью. С точки зрения микрофизического строения принципиальной разницы между облаками и туманом нет. Однако они существенно различаются по условиям образования, вертикальной протяженности и т.п.

Определяющую роль в формировании поля облаков играют вертикальные движения, или токи воздуха. В зависимости о горизонтальных размеров тех областей, в пределах которых вертикальная скорость (w) сохраняет один и тот же знак ( w>0 или w<0),вертикальные движения принято делить на три класса .Первый класс составляют макромасштабные (пульсационные),второй – мезомасштабные и третий – макромасштабные вертикальные движения.

С этой классификацией тесно связано деление облаков по генетическому принципу,т.е. по условиям образования. Согласно этому принципу, облака подразделяются на слоистообразные, волнистообразные и кучевообразные.

Под влиянием вертикальных движений синоптического масштаба образуются обширные облачные поля (системы),называемые слоистообразными облаками. К ним относятся слоисто-дождевые (Ns),высокослоистые (As) и перистослоистые (Cs) облака. Горизонтальная протяженность (размер) слоистообразных облаков имеет такой же порядок, что и масштаб синоптических вихрей (циклонов и ложбин). С образованием и развитием слоистообразных облаков тесно связано формирование атмосферных фронтов. Поэтому эти облака называют также фронтальными.

При мезомасштабных вертикальных скоростях образуются кучевообразные облака,называемые также конвективными. Их горизонтальная протяженность изменяется от сотен метров до 100 км. К конвективным облакам относятся кучевые (Cu) и кучево-дождевые (Cb) облака.

Большая часть волнистообразных (St,Sc,Ac,Cc) имеют переносную природу: они формируются в области повышенного давления из принесенных сюда слоистообразных облаков в процессе их эволюции под влиянием нисходящих вертикальных движений синоптическоо масштаба. Часть волнистообразных облаков образуется из приподнятого тумана как радиационного, так и адвективного происхождения.