14

Лекції «Вода в атмосфері» частина 1 Змістовний модуль № 4 «Вода в атмосфері»

4. 1 Загальні відомості

Вода в атмосфері може знаходиться у трьох агрегатних станах або трьох фазових станах. Водяна пара на відміну від інших газів, може змінювати свій фазовий стан (пара-вода, вода-пара, вода-лід тощо). Критична температура для водяної пари 374 К. В атмосфері завжди температура.

1. Залежність тиску насичення від температури, кривизни та солоності випарної поверхні.

При даній температурі існує деякий граничний тиск водяної пари, який не може бути перевищений. Надлишки пари, коли е > Е, переходять у рідкий стан, тобто відбувається конденсація водяної пари. Прие = Евода і пара знаходяться у стані рухливої рівноваги, при е < Е відбувається випаровування.

Для випадку, коли Т₀=273К,Е₀=6,11гПа,розрахунки можна проводити по емпіричній формулі Магнуса:

. (4.1)

Коефіцієнти і: для води:7,63,241,9; для льоду9,5,265,5; 6,11 гПа – це тиск водяної пари приt=.

Всесвітня метеорологічна організація (ВМО) рекомендує визначати тиск насичення водяної пари за так званою психрометричною формулою, яка встановлена Гоффом і Грачем теоретичним шляхом з числовими коефіцієнтами, отриманими при аналізі експериментальних даних. За цією формулою розраховані «Психрометричні таблиці», які використовуються для визначення характеристик вологості повітря за даними спостережень по станційному психрометру.

Залежність тиску насичення від типу випарної поверхні. Тиск насичення над поверхнею льоду менший, ніж над поверхнею води. Рівноважний тиск водяної пари над переохолодженою водою більший ніж над льодом при однаковій температурі, бо сили зчеплення молекул у воді менші ніж у льоду. Максимальна різниця тиску насичення водяної пари над переохолодженою водою і льодом встановлюється при температурі-12⁰С и складає 0,269 гПа.

Залежність тиску насичення від кривини випарної поверхні. Інтенсивність випаровування залежить від форми випарної поверхні, яка може бути випуклою, плоскою, увігнутою. Виліт молекул із випуклої поверхні порівняно з плоскою поверхнею полегшений, бо у сферу взаємодії окремої молекули з іншими попадає менше молекул, томунад випуклою поверхнею тиск насичення більший за умову однакової температури і атмосферного тиску. Протилежні умови для випаровування складаються над увігнутою поверхнею.

В умовах атмосфери випуклу поверхню мають краплі води, показник кривизни 1/r для крапель вважається додатним. Тиск насичення над краплею радіусом r позначимо Е_r. Згідно відомій формулі Томсона

(4.2)

де С = [Дж/м² ] залежить від коефіцієнта поверхневого натягу на межі вода-водяна пара, питомої сталої водяної пари R_П, густини води_К,температури крапліТ.

С =. (4.3)

З урахуванням (4.2, 4.3) записуємо

. (4.4)

Для плоскої випарної поверхні r = і Е_r = Е; для увігнутої поверхні r < 0 і E_r<E; для випуклої випарної поверхні (краплі) r >0 і Е_r >E; С=1,2 10^7 см.

Формула (4.4) дає змогу визначити відносну вологість, при якій над краплями різних радіусів починається кондесація. Для початку конденсації водяної пари надуже мілких частинках і комплексах молекул, які мають r 10^7 см необхідно перенасичення у 3-4 рази.Тількидля крапель, радіус яких більший за 10^4 см,пересичення дорівнює одиниці,відносна вологість 100%.

Залежність тиску насичення від солоності випарної поверхні. Відомо,що тиск насичення водяної пари над розчинами завжди менший порівняно з тиском над чистою водою,бо сили зчеплення у розчинах більші і виліт молекул обтяжений. Рзглянемо тиск насичення пари над краплею радіусомr, яка має масу соліmу масі розчинуМ

, (4.5)

де _Кгустина розчину;

  густина чистої води,

с_m коефіцієнт, що залежить від хімічної природи розчиненої солі та температури.

З урахуванням того, що відношення (_К/);М  m М=;

формула (4.5 ) набуває вигляду

=1 + . (4.6)

Формула (4.6) дозволяє визначити радіус краплі, при якому рівноважна відносна вологість (має ще назву „рівноважної відносної вологості”) досягає максимуму, а також визначити пересичення при різних значенняхm. Так для розчинухлористого натрію тиск насичення, при якому починається конденсація, складає 78%.В атмосферному повітрі пересичення водяної пари не перевищує 0,4-0,5%.