МиК.Пр. работа №4

Практическое занятие №4

Задание 1.

ТЕМА: Испарение. Испаряемость

ЦЕЛЬ: формирование знаний о влагосодержании атмосферного воздуха и факторах, его определяющих, умений анализировать географическое распространение метеовеличин.

ОБОРУДОВАНИЕ: ФГАМ.

ВОПРОСЫ ДЛЯ СОБЕСЕДОВАНИЯ:

1. Свойства воды, важные для формирования погоды.

2. Испарение. Давление насыщенного водяного пара, факторы, его определяющие.

3. Скорость испарения.

4. Испаряемость.

Влагооборот – постоянный обмен влагой между атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, конденсации его в атмосфере, выпадения осадков и стока.

Свойства воды.

Вода, которая содержится в атмосфере, – единственное вещество, которое может находиться там во всех трех фазовых состояниях (твердое, жидкое и газообразное) одновременно.

Свойства воды, важные для климатообразования:

• вода является поглотителем лучистой энергии;

• обладает одним из самых высоких значений удельной теплоемкости среди других веществ на земле (это сказывается на разности в нагревании суши и моря, проникновение радиации и тепла вглубь почвы и водоёмов);

• идеальный (почти) растворитель;

• дипольное (биполярное) строение молекул воды обеспечивает высокую температуру кипения (без водородных связей температура кипения равнялась бы -80°С).

• расширение при замерзании в отличие от других веществ, которые сжимаются. (максимальная плотность воды наблюдается при температуре = +4°С; плотность льда меньше плотности воды: дистиллированной на 1/9, морской на 1/7; более легкий лед плавает по поверхности воды).

Испарение (обычно воды) – поступление водяного пара в атмосферу вследствие отрыва наиболее быстродвижущихся молекул с поверхности воды, снега, льда, влажной почвы, капель и кристаллов в атмосфере. Испарение с поверхности земли называется физическим испарением. Физическое испарение и транспирация вместе – суммарное испарение.

Содержащийся в атмосфере пар конденсируется при охлаждении воздуха. Сгущение водяного пара также может идти путем сублимации (процесс непосредственного перехода вещества из газообразного в твердое минуя жидкое).

Любое изменение фазового состояния сопровождается затратами или выделением энергии. Теплота конденсации равна 597 кал/г при 0°С, 539 кал/г при 100°С. Теплота сублимации 677 кал/г (597 кал/г + 80 кал/г) при 0°С, теплота плавления 80 кал/г. Из атмосферы вода удаляется при выпадении осадков.

Молекулы жидкости всегда находятся в движении, причем некоторые из них могут прорываться через поверхность жидкости и уходить в воздух. Водяной пар, как и все другие газы, создает определенное давление (его называют парциальное). По мере того, как молекулы воды переходят в воздух, давление пара в воздухе увеличивается. Когда достигается состояние подвижного равновесия (количество молекул, покидающих жидкость, равно количеству возвращающихся молекул), то испарение прекращается. Такое состояние называется насыщением, водяной пар в таком состоянии – насыщающим, а воздух насыщенным. Давление водяного пара в состоянии насыщения называется давлением насыщенного водяного пара (Е), или упругостью насыщения, или максимальной упругостью. Пока состояние насыщения не достигнуто, то идет процесс испарения воды, при этом упругость водяного пара (е) над жидкостью меньше максимальной упругости: е<Е. Если количество возвращающихся молекул воды больше количества вылетающих, то имеет место процесс конденсации или сублимации (надо льдом): е>Е.

Давление насыщенного водяного пара зависит от:

• температуры воздуха,

• от характера поверхности (жидкость, лед),

• от формы этой поверхности,

• солености воды.

1. На графиках, отображающих зависимость давления насыщенного водяного пара Е от температуры t выделяется тройная точка. Ее координаты: t = 0,01°С, Е (р) = 6,1 гПа. При этих значениях t и Е все три фазы воды находятся в состоянии равновесия. При положительных температурах (выше точки плавления) вода может находиться только в жидком или газообразном состоянии. С ростом температуры выше температура тройной точки давление насыщенного водяного пара растет сначала медленно, а затем все быстрее. На каждые 10°С температуры давление насыщенного водяного пара возрастает почти вдвое. При температуре 30°С воздух может содержать в 7 раз больше водяного пара, чем при температуре 0°С.

При температуре меньше 0°С, т.е. ниже тройной точки, вода может находиться как в твердом (лед), так и в жидком переохлажденном состоянии. При этом следует подчеркнуть, что состояние переохлаждения является достаточно устойчивым (метастабильным). При температуре до -10°С явление переохлаждения в атмосфере является обычным, лишь при более низких температурах часть капелек жидкости замерзает. Вся вода переходит в лед при температуре меньше -40°С (по другим данным меньше -80°С). поэтому в атмосфере жидкая вода, лед и пар часто находятся в непосредственной близости.

2. Сила сцепления вылетающих молекул водяного пара с молекулами воды меньше сил сцепления с молекулами льда. Это приводит к тому, что равновесная упругость водяного пара над переохлажденной водой Е больше упругости насыщения над льдом Е_Л (при одной и той же температуре). Разность Е - Е_Л (∆Е_Л) достигает максимума при температуре -12°С:

Е = 2,441 гПа, Е_Л = 2,172 гПа, ∆Е_Л = 0,269 гПа.

Различие в упругостях насыщения над водой и льдом приходит в условиях атмосферы к важным следствиям. Пусть рядом оказались капли переохлажденной воды и кристаллы льда. Истинная упругость водяного пара в окружающем каплю воздухе в облаках, как правило, больше Е_Л надо льдом и меньше Е над водой, т.е.

Е_Л < е <Е (при температуре -12°С: 2,172<2,250<2,441).

По отношению ко льду водяной пар находится в пересыщенном состоянии, следовательно, будет происходить сублимация водяного пара на кристаллах льда. С другой стороны, по отношению к переохлажденной капле водяной пар находится в ненасыщенном состоянии, (е<Е), следовательно, будет происходить испарение капли воды. Этот эффект перегонки воды с капель на кристаллы играет большую роль в образовании осадков. Наибольшая скорость перегонки наблюдается при температурах близких к -12°С.

3. Максимальное (равновесное) давление водяного пара над выпуклой поверхностью больше, чем над плоской, а последнее в свою очередь больше, чем над вогнутой: Е_вып>Е_пл>Е_вогн. Капли воды имеют выпуклую поверхность. Для круглых капель это превышение незначительно, а для капель радиусом 10^-7 см необходимо значительное пересыщение водяного пара (в 3 или 4 раза). Если радиус капли больше 1 мкм, то отношение Е_вып/Е_пл близко к 1, т.е. кривизна не влияет на кривизну пересыщения. Это говорит о том, что в облаках и туманах, если они достаточно устойчивы, относительная влажность должна быть близка к 100% (поскольку радиус большинства капель больше 1 мкм).

4. Давление насыщения над раствором соли меньше давления насыщения над чистой водой. Поэтому и над морской водой насыщение устанавливается при давлении пара меньшем, чем над пресной водой (~ на 2%).В реальных условиях атмосферы конденсация водяного пара идет на ядрах конденсации, которые представляют собой частицы солей (прежде всего NaСl). Если на кристаллике соли образуется капля, то она является раствором соли.

5. Наличие электрического заряда того или иного знака на капле приводит к уменьшению равновесной упругости водяного пара. Но с влиянием электрических зарядов следует считаться лишь в случае самых мелких капель.

Испарение можно характеризовать скоростью протекания процесса. Скорость испарения (V) выражается в миллиметрах слоя воды, испарившейся за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от дефицита насыщения, атмосферного давления и скорости ветра.

Суммарная формула для расчета скорости испарения выглядит следующим образом:

, где

где Е_S – упругость водяного пара при температуре испарителя; е – фактическая упругость водяного пара в воздухе над испаряющей поверхностью; А – коэффициент пропорциональности, р – атмосферное давление, v - скорость ветра.

Испаряемость – потенциально возможное испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях. При этом подразумевают либо испарение с поверхности воды в испарителе; испарение с открытой водной поверхности крупного водоема (естественного пресноводного); испарение с поверхности избыточно увлажненной почвы. Испаряемость выражается в миллиметрах слоя испарившейся воды за единицу времени.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ:

1). Дать анализ карт величин испарения и испаряемости на земном шаре

А. Выявить основные закономерности в распространении годовых величин испарения по широтам.

Б. Сравнить величины испарения на суше и на океане на одних и тех же широтах и объяснить существующие между ними различия.

В. Выявить основные закономерности в распространении годовых величин испаряемости по широтам.

Г. Сравнить годовые величины испарения и испаряемости на разных широтах и объяснить различное соотношение между этими величинами. На каких широтах и почему величины испарения и испаряемости почти совпадают и на каких широтах разница между ними достигает максимальных значений?

Д. Почему на карте годовой испаряемости над океаном не показана величина испаряемости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Неклюкова, Н.П. Общее землеведение. – М.: Просвещение, 1976. – 366 с.

2. Хромов, С.П. Метеорология и климатология: Учебник / С.П. Хромов, М.А. Петросянц. – М.: МГУ, Изд-во «КолосС», 2004. – 582 с.

3. Каўрыга П.А. Лабараторны практыкум па метэаралогіі і кліматалогіі / П.А. Каўрыга. – Мінск: Ураджай, 1997. – 151 с.

4. Каўрыга, П.А. Метэаралогія: падручнік / П.А. Каўрыга. – Мінск: БДУ, 2005. – 184 с.

Задание 2

ТЕМА: ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

ЦЕЛЬ: формирование знаний о характеристиках влажности воздуха, методах ее измерения, умений работать психрометрическими таблицами, строить и анализировать графики.

ОБОРУДОВАНИЕ: психрометрические таблицы

ВОПРОСЫ ДЛЯ СОБЕСЕДОВАНИЯ:

1. Абсолютная влажность.

2. Парциальное давление водяного пара.

3. Относительная влажность.

4. Удельная влажность.

5. Давление насыщения.

6. Дефицит влажности.

7. Отношение смеси.

8. Точка росы.

характеристики влажности воздуха

Парциальное давление водяного пара (е) – основная и наиболее употребительная характеристика влажности. Эта та часть общего давления, которая обусловлена данным газом. Парциальное давление пропорционально его плотности и абсолютной температуре. Выражается в гектопаскалях.

Относительная влажность (f) – отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах:

Абсолютная влажность (а) – масса водяного пара в граммах в 1 м³ воздуха, т.е. плотность водяного пара, выраженная в граммах на кубический метр. Для абсолютной влажности а справедливы выражения:

где е – в гектопаскалях (гПа); Т – в Кельвинах (К). Это выражение получим, если плотность водяного пара ρ_w= (0,622e)/(R_dT) выразим в граммах на 1 м³, а е – в гПа.

,

где е – в гектопаскалях (гПа); t – в градусах Цельсия (°С), ά – температурный коэффициент расширения газов, равный 0,004 (1/273).

Итак, абсолютную влажность легко рассчитать, зная давление пара и температуру воздуха. При температуре 0°С (273 К) и для состояния насыщения а = 4,9 г/м³. Абсолютная влажность меняется при адиабатических процессах. При расширении воздуха объем его увеличивается, и то же количество водяного пара распределяется на большой объем; следовательно, абсолютная влажность уменьшается. При сжатии воздуха абсолютная влажность растет.

Удельная влажность, массовая доля водяного пара (q) – отношение массы водяного пара в некотором объеме к общей массе влажного воздуха в том же объеме. Если этот объем равен 1 м³ можно определить удельную влажность q как отношение плотности водяного пара к общей плотности влажного воздуха: q= ρ_w/ ρ.

Удельную влажность можно рассчитать по формуле:

Так как величина (0,378е/р) мала по сравнению с единицей, то ее без больших погрешностей можно отбросить, формула примет вид:

Итак, удельную влажность можно вычислить, зная давление водяного пара и давление воздуха.

Удельная влажность – безразмерная величина. Из выражения видно, что ее значения всегда малы, поскольку р во много раз больше е. В соответствии с ГОСТом удельную влажность выражают в промилле (‰). Однако на практике ее часто выражают числом граммов водяного пара в килограмме воздуха:

В отличие от абсолютной влажности удельная влажность не меняется при адиабатическом расширении или сжатии воздуха, так как при адиабатических процессах меняется объем воздуха, но не масса его.

Близка по значению к удельной влажности другая безразмерная характеристика – отношение смеси S. Отношением смеси называют отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха в том же объеме. Так же как и удельную влажность, на практике отношение смеси выражают числом граммов водяного пара на килограмм сухого воздуха:

Температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар достигает насыщения при неизменном общем давлении воздуха, называется точкой росы τ. Так, если при температуре воздуха ±27°С давление пара в нем равно 23,4 гПа, то такой воздух не является насыщенным. Для того чтобы он стал насыщенным, нужно было бы понизить его температуру до +20°С. Вот эта температура +20°С и является в данном случае точкой росы. Очевидно, что чем меньше разница между фактической температурой и точкой росы, тем ближе воздух к насыщению. При насыщении точка росы равна фактической температуре.

Разность между температурой воздуха Т и точкой росы т называется дефицитом точки росы Δ: Δ = Т – τ.

Разность между давлением насыщенного пара Е при данной температуре воздуха и фактическим давлением е пара в воздухе называется дефицитом насыщения:

D = Е – е. Выражается в гектопаскалях.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Пользуясь психрометрическими таблицами, определить упругость водяных паров е, относительную влажность r, дефицит влажности d и точку росы Т, если известны показания по сухому и смоченному термометрам аспирационного психрометра Ассмана (ºС) и давление атмосферы Р:

Таблица 17 – Показатели термометров аспирационного психрометра

tсух, ºС	tсм, ºС	Давление
-2,7	-3,1	880 гПа (над водой)
-2,7	-3,1	880 гПа (надо льдом)
0,5	-2,4	920 гПа (над водой)
0,5	-2,4	920 гПа (надо льдом)
12,5	8,5	1000
14,8	12,2	1000
16,0	10,0	1000
20,0	12,0	1040

2. Температура воздуха 27,5ºС, точка росы 10,4ºС. Определите давление насыщения, парциальное давление водяного пара, дефицит влажности и относительную влажность (таблица 18).

3. Температура воздуха 10,6ºС (15,1ºС; 5,8ºС; 2,4ºС, –5,2°С), относительная влажность 68%. Найти давление насыщения, парциальное давление водяного пара, дефицит влажности (таблица 18, 19).

4. По данным таблиц 18 и 19 построить и проанализировать график зависимости давления насыщения от температуры (по оси абсцисс отложить температуру воздуха в градусах шкалы Кельвина, по оси ординат – давление).

5. После захода солнца относительная влажность составляет 80%, а температура 17,4ºС. До какой температуры должна охладиться подстилающая поверхность, чтобы на ней образовались продукты конденсации? Что при этом возникнет – роса или иней?

6. В тропических пустынях температура воздуха может повышаться до 50°С (и больше), а относительная влажность в это же время уменьшается до 2%. В полярных же районах возможна температура –45°С (и ниже) при относительной влажности 100%. В каком случае абсолютная влажность наибольшая и во сколько раз?

7. По данным таблицы 20 построить график суточного хода температуры воздуха, относительной влажности воздуха и парциального давления водяного пара в г. Бресте (за 1 сутки на выбор). Парциальное давление определить по психрометрическим таблицам.

8. Построить и проанализировать графики годового хода средней месячной температуры воздуха, парциального давления водного пара, относительной влажности и дефицита влажности по данным одной из метеостанций (таблица 21).

9. Масса ненасыщенного воздуха с температурой t = 18,5ºС и относительной влажностью f = 85% поднимается по склону горы и охлаждается (высота горы H = 2800 м). Определить температуру и относительную влажность у подножия противоположного склона горы, если величина влажноадиабатического градиента γ = 0,6ºС/100 м. Объяснить явление фёна.

10. Законспектировать устройство и принципы работы приборов для измерения влажности воздуха.

Таблица 18 – Давление насыщения при температуре выше 0°С, гПа

°С	Десятые доли градуса
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	6,11	6,15	6,20	6,24	6,29	6,33	6,38	6,42	6,47	6,52
1	6,56	6,51	6,66	6,71	6,76	6,80	6,86	6,90	6,95	7,00
2	7,05	7,10	7,16	7,21	7,26	7,31	7,36	7,42	7,47	7,52
3	7,58	7,53	7,68	7,74	7,79	7,85	7,90	7,96	8,02	8,07
4	8,13	8,19	8,24	8,30	8,36	8,42	8,48	8,54	8,60	8,66
5	8,72	8,78	8,84	8,91	8,97	9,03	9,09	9,16	9,22	9,28
6	9,15	9,41	9,48	9,54	9,61	9,68	9,74	9,81	9,88	9,95
7	10,02	10,08	10,15	10,22	10,29	10,36	10,44	10,51	10,58	10,65
8	10,72	10,80	10,87	10,95	11,02	11,10	11,17	11,25	11,32	11,40
9	11,48	11,56	11,63	11,71	11,79	11,87	11,95	12,03	12,11	12,20
10	12,28	12,36	12,44	12,53	12,61	12,70	12,78	12,87	12,95	13,04
11	13,13	13,21	13,30	13,39	13,48	13,57	13,66	13,75	13,84	13,93
12	14,03	14,12	14,21	14,31	14,40	14,50	14,59	14,69	14,78	14,88
13	14,98	15,08	15,18	15,28	15,38	15,48	15,58	15,68	15,78	15,88
14	15,99	16,09	16,20	16,30	16,41	16,51	16,62	16,73	16,84	16,95
15	17,06	17,17	17,28	17,39	17,50	17,61	17,73	17,84	17,96	18,07
16	18,19	18,30	18,42	18,54	18,66	18,78	18,90	19,02	19,14	19,26
17	19,38	19,51	19,63	19,76	19,88	20,01	20,13	20,26	20,39	20,52
18	20,65	20,78	20,91	21,04	21,17	21,30	21,44	21,58	21,71	21,85
19	21,98	22,12	22,26	22,40	22,54	22,68	22,82	22,96	23,10	23,25
20	23,39	23,54	23,68	23,83	23,98	24,13	24,28	24,43	24,58	24,75
21	24,88	25,04	25,19	25,35	25,50	25,66	25,82	25,98	26,13	26,29
22	26,46	26,62	26,78	26,94	27,11	27,27	27,44	27,61	27,77	27,94
23	28,11	28,28	28,46	28,63	28,80	28,98	29,13	29,33	29,50	29,68
24	29,86	30,04	30,22	30,40	30,59	30,77	30,96	31,14	31,33	31,51
25	31,70	31,89	32,08	32,27	32,47	32,66	32,86	33,05	33,25	33,44
26	33,64	33,84	34,04	34,24	34,45	34,65	34,86	35,06	35,27	35,48
27	35,68	35,90	36,11	36,32	36,53	36,75	36,96	37,18	37,40	37,62
28	37,84	38,06	38,28	38,50	38,73	38,95	39,18	39,41	39,64	39,87
29	40,10	40,33	40,56	40,80	41,03	41,27	41,51	41,75	41,99	42,23
30	42,48	42,72	42,97	43,2	43,46	43,71	43,96	44,21	44,46	44,72