Практичне заняття 4. Водяна пара в атмосфері

Зміст: Величини, що характеризують вологість повітря. Випаровування. Зміна вологості повітря з висотою. Вологоадіабатичні процеси у атмосфері. Умови вертикальної стійкості в насиченому водяною парою повітрі. Хмарність. Основні рівні в атмосфері, пов’язані з утворенням хмар.

За результатами практичного заняття студент повинен знати:

- закономірності зміни вологості з висотою;

- характеристики вологогості повітря;

- вологоадіабатичні процеси у атмосфері.

Повинен вміти:

- визначати характеристик вологості.

- розраховувати максимальне вологоутримання і відносну вологість повітря на початковій та черговій висоті;

- дефіцит вологості.

Теоретичні відомості

Величини, що характеризують вологість повітря. Парціальний тиск гадячої пари e - тиск, який мала б водяна пара, що знаходиться в газовій суміші, якби вона одна займала об'єм. який дорівнює об'єму газовій суміші при тій же температурі.

Тиски повітря та водяної пари в системі СІ виражаються в Па На практиці тиск водяної пари виражають в гПа.

Тиск насиченої водяної пари Е показує ту межову величину тиску водяної пари, яку могла б вона мати при даній температурі. Для обчислення тиску насиченої водяної пари над плоскою поверхнею води використовується емпірична формула:

Е = 6,1^. 10 , гПа. (4.1)

На практиці Е визначається за таблицями В.1, В.2 (додаток В).

Точкою роси t_р називається температура, при якій водяна пара, що міститься в повітрі при сталому загальному атмосферному тиску та питомій вологості, стає насиченою. Величину t_р визначають за таблицями В.1 і В.2, знаючи парціальний тиск водяної пари e.

Абсолютною вологістю а називають кількість водяної пари в грамах, що міститься в 1 м³ повітря (г/м³). Між абсолютною вологістю та парціальним тиском водяної пари e. який виражений в міліметрах, існує співвідношення:

a =1,06e / 1+at, г/м³ (4.2)

Якщо e виражається в гПа, то формула має вигляд:

а =0,80e / 1+at, г/м (4.3)

Коли є виражається в гПа, формула мас вигляд:

а = 0,008e / 1+ α t , г/м (4.4)

де α - температурний коефіцієнт розширення повітря (α = 0,004).

Відносна вологість f являє собою відношення парціального тиску водяної пари, яка міститься у повітрі, до тиску насиченої водяної пари при даній температурі, що виражається у процентах:

(4.5)

Дефіцит вологості d становить, різницю між тиском насиченої водяної пари Е при даній температурі та парціальним тиском водяної пари с. яка міститься у повітрі:

d = E-e (4.6)

Питомою вологістю s називається кількість водяної пари в грамах або кілограмах, що міститься в 1 кг вологого повіїря.

Для визначення питомої вологості користуються формулою:

s = , г/кг (4.7)

де e - парціальний тиск водяної пари;

р - атмосферний тиск.

Оскільки парціальний тиск водяної пари значно менший порівняно з величиною атмосферного тиску, то з достатньою точністю можна прийняти, що

, г/кг (4.8)

Відношенням суміші (вологовміст) r називається відношення маси водяної пари до маси сухого повітря в тому ж об'ємі. Величина r визначається за формулою:

,г/кг (4.9)

Психрометрична формула Парціальний тиск водяної пари e можна визначити за психрометричною формулою:

(4.10)

де Е' - тиск насиченої пари при температурі змоченого термометра;

t - температура сухого термометра;

t' - температура змоченого термометра;

р - атмосферний тиск;

А - коефіцієнт, який залежить від швидкості вітру.

Для станційного психрометра А = 0,0007947, для аспіраційного психрометра А = 0,000662. На практиці для визначення вологості повітря користуються психрометричними таблицями.

З закону Дальтона випливає, що чим більша річниця (Е'-e), тобто дефіцит вологи, тим більше випаровування. Якщо поверхня, що випаровує, тепліша за повітря, то Е' більше, ніж Е при температурі повітря. В такому випадку випаровування триває навіть тоді, коли пара в повітрі насичена, тобто коли e = Е (але Е < Е'). Навпаки, якщо поверхня, що випаровує - холодніша за повітря, то при достатньо великій відносній вологості може виявитися що Е' < є. В цьому випадку отримуємо W < 0, тобто випаровування зміниться конденсацією пари на поверхні, незважаючи на те. що пара в повітрі ще не стала насиченою.

Крім дефіциту вологи, на величину випаровування сильно впливає вітер. Найбільш простою емпіричною формулою, яка виражає залежність швидкості випаровування від дефіциту вологості та швидкості вітру, є формула В.В. Шулейкіна:

, (4.11)

де - швидкість випаровування, г/см² с;

Е' - тиск насиченої водяної пари при температурі поверхні, яка випаровує. гПа:

e - парціальний тиск водяної парк гПа;

u - швидкість вітру, в м/с:

с - коефіцієнт, що залежить від висоти, на якій виміряється парціальний тиск водяної пари.

Якщо швидкість вітру та парціальний тиск водяної пари вимірюються на висоті 2 м, то величина с дорівнює 0,34∙10^-6.

Для визначення випаровування з невеликих водосховищ використовується емпірична формула:

(4.12)

де W- випаровування за місяць, мм;

d - середньомісячний дефіцит вологості, гПа;

u - середньомісячна швидкість вітру, м/с.

Для розрахунку випаровування з відкритих водоймищ застосовується формула Мейера–Тихомирова:

(4.13)

де Е - тиск насиченої водяної пари, що відповідає середньомісячній температурі повітря, гПа;

e - парціальний тиск водяної пари, розрахований за середньомісячними температурою та відносною вологістю. гПа;

u - середньомісячна швидкість вітру на висоті флюгера, м/с.

Контрольні запитання

1 Що таке процес конденсації? Які обов’язкові його умови?

2 Якщо максимальний вологоутримання рівняється абсолютній вологості, чому рівняється відносна вологість?

3 При якій температурі опиніться насиченим повітря з абсолютною вологістю 1,6 г/м³, 9,4 г/м³.

4 Повітря підіймається від абсолютної відмітки 100 м і до висоти 2100 м. Він має температуру + 20 ⁰С, абсолютну вологість 9,4 г/м³.

Визначте:

а) максимальне вологоутримання і відносну вологість повітря на початковій висоті;

б) на якій висоті повітря стане насиченим (яка висота границі конденсації)?

в) яка буде його температура, абсолютна і відносна вологість на висоті 2100 м?

5 Повітря з температурою + 5 ⁰С і абсолютною вологістю 6,8 г/м³ опускається з висоти 2100 м до висоти 100 м. Визначте температуру опустившогося повітря, його абсолютну вологість, максимальний вологоутримання, відносну вологість.

6 Повітря з температурою + 15 ⁰С і абсолютною вологістю 6,8 г/м³ підіймається догори. Визначте висоту границі конденсації.

7 Повітря з температурою + 30 ⁰С і абсолютною вологістю 9,4 г/м³ перевалює через хребет висотою 1000 м. Визначте, чи досягне він границі конденсації, якщо підйом починається з висоти 0 м над рівнем моря.

8 Яке повітря може утримувати більше вологи – екваторіальне чи повітря помірних широт?

Приклади виконання типових задач

4.1 Визначити парціальний тиск водяної пари, якщо відносна вологість f = 40 %. а дефіцит вологості d = 5,0 гПа.

Розв'язання. За величиною відносної вологості і дефіциту вологості розраховуємо тиск насиченої водяної пари і парціальний тиск водяної пари:

Е = d + с,

Е = 5 + е,

е =

е =

e = 3,3 гПа.

4.2 Визначити відносну вологість та дефіцит вологості, якщо показання сухого термометра в психрометричній будці 20 ⁰С, змоченого термометра 15 ⁰С, а атмосферний тиск дорівнює 1000 гПа.

Розв'язання. Тиск насиченої пари при t = 15,0⁰ дорівнює 17,06 гПа (таблиця Б.2). За формулою:

e = Е' - 0,0007947 (t-t')∙р знаходимо:

e = 17,06 - 0,0007947 (20 - 15) 1000 = 13,09 гПа.

Тиск насиченої пари при t = 20,0⁰ дорівнює 23,39 гПа (табл. В.2), тоді

f =

d = 23,39-13,09= 10,33 гПа.

4.3 Визначити значення середньомісячного випаровування за липень з поверхні озера, якщо середньомісячна відносна вологість дорівнює 50 %, середня за місяць температура становить 24,3 ^°С, а середньомісячна швидкість вітру дорівнює 3,2 м/с.

Розв'язання. При температурі 24,3 ^°С знаходимо за таблицею Б.2 Е = 30,4 гПа.

Парціальний тиск водяної пари дорівнює:

е = гПа.

Середньомісячне випаровування за липень з поверхні озера:

W = 0,75∙(30,4 - 15,2)∙ ( 15 + 9,6) = 61,6 мм.

4.4 Визначити, який шар води випарується за одну добу з поверхні суші при середньодобовій відносній вологості 60 % та середній температурі за добу 20,0 ⁰С.

Розв'язання. При температурі 20,0 ⁰С за таблицею В.2 Е = = 23,39 гПа. Парціальний тиск водяної пари дорівнює

е = гПа.

Дефіцит вологи d = 23,39-14,03= 9,36 гПа.

За одну добу з поверхні суші випаровується W_Д = 0,46∙9,36 = 4,3 мм.

Задачі для самостійного розв'язання

4.1 В Харкові 5 лютого відзначалася температура -19,9 ⁰С при відносній вологості 60 %. Пройшов теплий фронт, в результаті чого за добу температура підвищилася на 22,1 ⁰С, а відносна вологість стала 95 %. В скільки разів збільшився за вказану добу парціальний тиск водяної пари?

4.2 В Харкові 24 лютого при вторгненні морського помірного повітря відмічалась температура 7,6 ⁰С при відносній вологості 90 %. Який був при цьому парціальний тиск водяної пари?

4.3 В Курську 6 вересня відмічалась максимальна за місяць температура, що дорівнювала 27,2 ⁰С при відносній вологості 29 %. До часу сходу сонця 7 вересня в результаті радіаційного охолодження температура повітря знизилась до 14,4 ⁰С, а відносна вологість збільшилась до 49 %. Як змінився за вказаний час парціальний тиск водяної пари?

4.4 На березі Червоного моря спостерігалося максимальне значення парціального тиску водяної пари, яке дорівнювало 42,5 гПа. Яка при цьому була точка роси?

4.5 Визначити парціальний тиск водяної пари, питому, відносну та абсолютну вологість і дефіцит вологи, якщо в психрометричній будці показання сухого та змоченого термометрів відповідно дорівнюють 12,3⁰ та 7,3 ⁰С при атмосферному тиску 1000,0 гПа.

4.6 При спостереженнях за аспірацій ним психрометром показання сухого термометра 12,5 ⁰С. а змоченого 7,5 ⁰С при атмосферному тиску 1040,0 гПа. Яка питома, відносна та абсолютна вологість повітря і дефіцит вологи ?

4.7 В Мінську 7 вересня 1995 р. о 13 годині відмічалася найбільша за місяць величина парціального тиску водяної пари, яка дорівнювала 18.6 гПа при атмосферному тиску 998,0 гПа. Визначити питому вологість та відношення суміші.

4.8 На березі Червоного моря абсолютний максимум парціального тиску водяної пари досягав 42,5 гПа. при цьому температура повітря дорівнювала 58,0 ⁰С. Які питома, відносна, абсолютна вологість та відношення суміші і дефіцит вологи, якщо атмосферний тиск 1000,0 гПа?

4.9 Визначити питому, відносну і абсолютну вологість, відношення суміші та вологовміст, якщо дефіцит вологи становить 250 Па; атмосферний тиск 10⁵ Па при температурі 281,7 К?

Контрольны питання

1 Що називають вологістю повітря? Яке повітря називають вологим, сухим?

2 Що таке насиченість водяної пари? Що таке максимальна насиченість водяної пари, дефіцитом вологості?

3 У чому полягає принцип дії психрометра Асмана?

4 Чому температура змоченого термометра нижча, ніж сухого?

5 Що називають абсолютною вологістю? Охарактеризуйте добові і річні коливання абсолютної вологості повітря.

6 Що називають відносною вологістю? Охарактеризуйте добові і річні коливання відносної вологості повітря.

7 Які одиниці вимірювання абсолютної і відносної вологості?

8 Охарактеризуйте вертикальний розподіл водяної пари в атмосфері

9 Як впливає вологость повітря на рослини?

Рекомендована література: [1] с.39-63; [2] с.310-366; [4] с. 50-65; [5], с. 73-102; [6] с. 138-167; [11], с. 47-85.