Характеристики влажности воздуха. Тема 2

1. курс

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА АТМОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

2. Тема 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНОСТИ
ВОЗДУХА

3. Водяной пар является переменной составной частью воздуха.

• Количество водяного пара изменяется в
широких пределах – от значений, близких к
нулю, до 4% по отношению к общему
объему воздуха.
• Количественно содержание пара выражают
с помощью характеристик влажности или
гигрометрических величин.

4. Абсолютная влажность воздуха

• Абсолютная влажность воздуха – есть величина, численно
равная массе водяного пара, находящегося в единице
объема воздуха.
• Наиболее удобно выражать абсолютную влажность в г/м3.
Абсолютная влажность таким образом показывает, как
велико влагосодержание воздуха.
• Вследствие этого закономерности изменения абсолютной
влажности определяются притоком пара в атмосферу за
счет испарения с земной поверхности или адвекции пара.
• В условиях достаточного увлажнения почвы вариации
абсолютной влажности связаны с изменениями
температуры: в течение суток максимум влажности
наблюдается в 14-15 часов и минимум – перед восходом
солнца.

5. Абсолютная влажность воздуха

• Годовой ход абсолютной влажности также подобен
изменению температуры: минимум наблюдается зимой,
максимум – в середине лета. Так, в Москве средняя
абсолютная влажность в январе и июле равна 2.0 и 11.7
г/м3 соответственно. Наибольшая влажность отмечается
летом во влажных субтропиках (до 30 г/м3). На полюсах
холода (Якутия, Антарктида) зимой абсолютная
влажность может быть менее 0.01 г/м3.
• В среднем за год для всей земли абсолютная влажность у
земной поверхности равна 11 г/м3. Это означает, что
среднее содержание водяного пара составляет примерно
1% от общей плотности воздуха.
• С увеличением высоты абсолютная влажность убывает по
экспоненциальному закону и на высотах 5-6 км
становится примерно в 10 раз меньше, чем у земли.

6. Парциальное давление водяного пара

• Парциальное давление водяного пара (е)
представляет собой собственное давление
водяного пара и выражается в единицах давления
– гектопаскалях (гПа).
• Парциальное давление водяного пара во всех
своих закономерностях изменения в пространстве
и во времени повторяет изменения абсолютной
влажности.
• Типичными значениями давления пара являются
0.1-1 гПа в зимнее время в континентальных
районах умеренных широт и 30-35 гПа во
влажных тропических зонах.

7.

• Между давлением пара (е) и абсолютной
влажностью (как плотностью пара)
существует прямая связь, которая
выражается уравнением состояния
водяного пара:
e
T
Rn

8.

• Если перейти от абсолютной шкалы
температур к стоградусной и выразить
абсолютную влажность в г/м3, то получим
1
0.8e
273
1 t

9. Парциальное давление насыщения

• Водяной пар не может содержаться в воздухе в
неограниченном количестве.
• При данной температуре существует некоторое
предельное значение давления пара, при котором
дальнейший приток пара будет приводить к его
конденсации.
• Это максимально возможное (при данной температуре)
давление пара называется давлением насыщения (Е, гПа).
• Давление насыщения зависит от температуры, фазового
состояния и кривизны испаряющей поверхности, а также
от наличия растворимых примесей и электрического
заряда поверхности.
• Физически существование давления насыщения означает,
что между количеством молекул, выходящих из жидкости
в пар, и количеством молекул пара, попадающих в
жидкость, устанавливается равновесие.

10. Относительная влажность

• Относительная влажность есть отношение
фактического давления пара к давлению
насыщения:
e
f
E
• Относительная влажность – величина
безразмерная; она изменяется от 0 до1, или, если
выражать в процентах, от 0 до100%. Подчеркнем,
что относительная влажность характеризует не
истинное влагосодержание, а близость пара к
насыщению

11. удельная влажность

• Массовая доля водяного пара численно равна
массе водяного пара, содержащегося в единице
массы воздуха. Это – величина безразмерная.
Однако, чтобы подчеркнуть физический смысл, ее
выражают как граммы пара, деленные на граммы
воздуха (г/кг или промилле %0).
• Поскольку отношение масс пара и воздуха равно
отношению их плотностей, то удельную
влажность q можно представить в виде
q
n
q 0.622
e

12. Дефицит влажности

• Дефицит влажности – это разность между
давлением насыщения и фактическим
давлением пара: d = E – е.
• Дефицит влажности показывает, на сколько
нужно увеличить парциальное давление
пара, чтобы он достиг насыщения. При
насыщении дефицит влажности равен
нулю.

13. Точка росы

Температура воздуха, при которой водяной
пар достигает насыщения, называется
температурой точки росы. Очевидно, что
если температура воздуха равна точке
росы давление пара равно давлению
насыщения, относительная влажность
составляет 100%, а дефицит влажности
равен нулю.

14. Тема 3

ПРОЦЕССЫ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЗАРОДЫШЕЙ
ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ
В АТМОСФЕРЕ

15. Понятие нуклеации и образования новых частиц

Нуклеация - это процесс образования стабильного кластера,
который продолжает расти за счет конденсации паров.
Критический размер кластера зависит термодинамических свойств
и концентрации конденсирующегося вещества.
В
системе
H2SO4-H2O-NH3,
размер
термодинамически стабильного кластера (ТСК) составляет
примерно 1 нм
Если кластер не достигнет критического размера, то он испарится.
Если кластер быстро не вырастет, то он будет поглощен за счет
коагуляции более крупными частицами.
Момент, когда ТСК вырастет до 3 нм или больше, можно
охарактеризовать как образование новой частицы.

16. Схематический рисунок образования новых частиц (нуклеации)

H2O
Стабильный зародыш

17.

типичные размеры
молекул пара 10-8 см,
капель облаков 10-4 см,
капель осадков 10-1 см,
т.е. облачная капля имеет радиус в 10 тысяч раз
больший, чем радиус молекулы пара, а капли дождя в
тысячи раз крупнее облачных капель.
•Это означает, что процессы конденсации пара и
укрупнения капель в атмосфере идут очень
интенсивно.

18.

19.

20.

• Если водяной пар в атмосфере становится
пересыщенным, начинается процесс конденсации.
Состояние насыщения предполагает равновесие
водяного пара с испаряющей поверхностью. В
случае, когда давление пара в воздухе меньше
давления насыщения, происходит испарение.
Процессы фазового перехода вполне точно
описываются классической термодинамикой.
• Всемирной метеорологической организацией
(ВМО) рекомендованы более точные формулы,
положенные в основу расчета
«Психрометрических таблиц» 1980 г.

21. Давление насыщения над водой (Ев) и льдом (Ел) при различной температуре t0, гПа

T ºС
Ев
Ел
Ев - Ел
ЕвЕл %
-50
-40
-30
-20
-12
-10
-5
0
0.064
0.189
0.509
1.254
2.441
2.863
4.215
6.107
0.039
0.128
0.380
1.032
2.172
2.597
4.015
6.107
0.024
0.061
0.129
0.222
0.269
0.266
0.200
0
62
68
75
82
87
90
91
100

22.

•Давление насыщения возрастает с
увеличением температуры экспоненциально.
•Если
•при 0 ºС давление насыщения равно 6.1 гПа,
то при температурах давление насыщения
соответственно равно
•10 ºС, 20 ºС и 100 ºС
•12 гПа, 24 гПа и 1013 гПа.
•При отрицательных температурах, давление
насыщения составляет единицы и десятые
доли гПа.

23.

• Давление насыщения над поверхностью льда
всегда меньше, чем над водой. Эта разность
максимальна при температуре –12.6 ºС.
• Насыщение над поверхностью льда достигается
при относительных влажностях существенно
меньших 100%.
• В природе это приводит к тому, что кристаллы
льда в облаках всегда находятся в более
благоприятных условиях для сублимационного
роста по сравнению с каплями воды.
• Уровень с температурой –12.6 ºС, как правило
разделяет капельно-жидкую и смешанную части
облака от чисто ледяной.

24. Давление насыщения над поверхностью капли

В атмосфере конденсация пара происходит
на поверхности капель и кристаллов,
давление насыщения над которыми
помимо температуры и фазового
состояния существенно зависит от
• радиуса кривизны,
• растворимых примесей и
• электрических зарядов.

25. радиус кривизны

• В соответствии с формулой В.Томсона давление
насыщения над каплей Ек больше, чем над плоской
поверхностью
• для начала конденсации водяного пара на очень
мелких частицах (в частности, на комплексах молекул
и подвижных ионах) необходимо большее
пересыщение водяного пара (трех- и четырехкратное).
• если радиус капли больше 10-4 см (1 мк), то кривизна
не влияет на величину пересыщения.
• Это говорит о том, что в облаках и туманах, если они
достаточно устойчивы и не рассеиваются,
относительная влажность должна быть близка к 100%
(поскольку радиус большинства капель больше 1 мк).

26. Растворы солей

• В реальных условиях атмосферы конденсация
водяного пара происходит на так называемых
ядрах конденсации, которые представляют собой
частицы всевозможных солей (прежде всего
NaCl) и других веществ.
• Если на таком ядре образуется капля, то она
является раствором соли.
• Давление насыщения над раствором всегда
меньше (при одной и той же температуре)
давления насыщения над чистой водой.

27. Растворы солей

• Если относительная влажность f воздуха
превосходит некоторую рассчитанную величину
fm, то на капле начнется конденсация водяного
пара.
• При этом, во-первых, уменьшается концентрация
раствора и увеличивается равновесное давление,
• во-вторых, увеличивается радиус капли, что
приводит к падению равновесного давления. Но
на первом этапе первый фактор оказывает
преобладающее влияние.

28. Растворы солей

• Если относительная влажность воздуха меньше 100%, то
при обычных размерах ядер конденсации (m = 10-16 – 10-14
г) образуются лишь очень мелкие капли, радиус которых
меньше 1 мк.
• Для продолжения роста капли необходимо, чтобы вместе
с ее ростом увеличивалась относительная влажность
воздуха, окружающего каплю (что наблюдается,
например, при адиабатическом подъеме частицы воздуха
или притоке водяного пара в объем, содержащий каплю).
• После достижения f = 100% дальнейшее увеличение
размеров капли может происходить только при наличии
некоторого пересыщения водяного пара (f >100%).

29. Влияние электрических зарядов

• Наличие электрического заряда того или
другого знака на капле приводит, как
показывает теория, к уменьшению
равновесного давления водяного пара.
• с влиянием электрических зарядов
необходимо считаться лишь в случае самых
мелких капель
(радиусом порядка 10-6 + 10-7 см).