11.Водный режим атмосферы.

11.1Какие вопросы относятся к водному режиму атмосферы?

Изменение во времени расходов воды рек, уровней и объёмов воды в реках, озёрах, водохранилищах и болотах. В. р. тесно связан с сезонными изменениями климата. В районах с тёплым климатом на В. р. основное влияние оказывают атмосферные осадки и испарение; в районах с холодным и умеренным климатом очень существенна роль температуры воздуха.

В. р. рек проявляется в виде суточных, декадных, месячных, сезонных и многолетних колебаний; слагается из ряда характерных периодов (фаз), зависящих от сезонных изменений условий питания рек. Различают следующие фазы В. р.: половодье, паводки и межень. Режим питания рек неравномерен в течение года вследствие неравномерности выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки. Наблюдаемые колебания уровня воды вызываются в основном изменением величины расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.

В. р. озёр определяется соотношением между количеством осадков, выпадающих на зеркало озера, испарением, поверхностным и подземным притоком в озеро, поверхностным и подземным стоком воды из озера; размерами озера, его формой, закономерностью изменения площади водного зеркала при изменении уровня, деятельностью ветра, определяющей размеры волн, высоту сгонов и нагонов уровня. Колебания уровня озера могут быть сезонные, годовые и кратковременные.

В. р. болот обусловливается климатическими и гидрологическими условиями, рельефом местности, характером растительности. Хозяйственная деятельность человека вносит всё большие изменения.

11.2. Что относится к физике испарения?

Испаре́ние— процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий на поверхности вещества (пар). Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Испарение (парообразование), переход вещества из конденсированной (твёрдой или жидкой) фазы в газообразную (пар); фазовый переход первого рода.

Существует более развёрнутое понятие испарения в высшей физике.

Испаре́ние— это процесс, при котором с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом Ek > Eп.Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости

— кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства самого вещества: к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно будет происходить медленнее, чем из широкой тарелки.

119

11.3 Условия насыщения водяного пара?

Капля испаряется труднее, чем жидкость, имеющая плоскую поверхность. (Молекулы должны преодолеть свободную поверхностную энергию капли.) Поэтому над каплей (вокруг нее) насыщение пара (при прочих равных условиях) больше, чем над плоской водной поверхностью, т. е. условия насыщения в облаке другие, нежели над водной поверхностью.

Вместе с тем если вода представляет собой раствор каких-либо веществ, то упругость насыщения над ней будет больше, чем над чистой водой. (Поэтому соленая вода испаряется слабее чистой). Так, над морской водой насыщение пара на 2% меньше, чем над чистой водой.

Испарение капель воды также очень зависит от содержащих их примесей и, конечно, от радиуса капель. Капли воды в облаках имеют разные размеры и содержат разные вещества.

Если водная капля представляет собой раствор, то она может испаряться даже раньше, чем будет достигнуто насыщение пара, когда относительная влажность меньше 100%. Но это происходит только с очень малыми каплями. Чем концентрированнее раствор капли, тем большего размера она может достигнуть.

При увеличении капли, состоящей из водного раствора, необходимо, чтобы упругость водяного пара не только достигла уровня насыщения, но и превысила его на десятые доли процента, т. е. надо, чтобы воздух стал пересыщенным.

Это наступает, когда радиус капли становится равным 0,6 мкм. Так, при достижении радиусом капли критической величины — 1,04 мкм пересыщение должно составлять

100,077%.

После того как капля «преодолеет» эту критическую величину, ее размеры за счет конденсации могут расти и без дальнейшего увеличения упругости водяного пара, а далее

— и при меньшей величине пересыщения.

Но относительная влажность воздуха должна быть несколько (на сотые доли процента) больше 100%. Таким образом, если в атмосфере имеются крохотные частицы соли, они еще до достижения условия насыщения вызовут конденсацию водяного пара.

Так возникают маленькие капли воды. Они продолжают расти до некоторого критического размера, преодолеть который могут только при достижении пересыщения. Однако после этого размер капли быстро увеличивается.

Если капля несет на себе электрический заряд, то конденсация происходит при меньшей упругости водяного пара, чем в случае, если капля такого заряда не имеет. Это проявляется при малых размерах капель.

11.4. В чем заключается молекулярная и турбулентная диффузия?

Молекулярная диффузия осуществляется без видимого перемещения участков фазы и обусловлена тепловым движением молекул. Эквимолярный ( при равенстве числа молей компонентов, переходящих из одной фазы в другую) перенос вещества за счет молекулярной диффузии описывается уравнением Фика - см. уравнение ( 2 а) в табл. 1.5. Поток вещества пропорционален градиенту концентрации дс / д8 компонента по слою толщиной б и поверхности F. Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом молекулярной диффузии. При постоянстве градиента концентрации уравнение Фика принимает вид зависимости ( 2, б), приведенной в табл. 1.5. Условие равновесия при молекулярной диффузии в пределах одной фазы соответствует равенству концентраций компонента во всех точках Турбулентность́ , устар. турбуленция́ (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтноетече́ние— явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные

120

различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности. Волны появляются случайно. То есть их размер и амплитуда меняется хаотически в некотором интервале. Они возникают чаще всего либо на границе, у стенки, и/или при разрушении или опрокидывании волны. Они могут образоваться на струях. Экспериментально ее можно наблюдать на конце струи пара из электрочайника. Турбулентность экспериментально открыта английским инженером Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения несжимаемой жидкости (воды) в трубах.

Для возникновения турбулентности необходима сплошная среда, которая подчиняется кинетическому уравнению Больцмана[источник не указан 296 дней], уравнениям Навье — Стокса или пограничного слоя. Система уравнений Навье — Стокса (в неё входит и уравнение сохранения массы или уравнение неразрывности) описывает множество турбулентных течений с достаточной для практики точностью. Диффузия, связанная с турбулентностью, турбулентным состоянием воздуха.

11.5.Какое влияние на испарение оказывают конвекционные и адвентивные процессы?

Конве́кция (от лат. convectiō — «перенесение») — явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой. Адвентивность - приход (иммиграция) вида из другого сообщества или области географического распространения. Адвентивный орган (растения) - придаточный орган, развивающийся на необычных местах, например почки и побеги не в пазухах листьев, а на корнях и листьях растений. Адвентивное растение - растение, занесенное человеком в места, где оно раньше не произрастало. Адвентивная эмбрион и я - развитие зародыша растения без оплодотворения из клеток зародышевого мешка или покровов семяпочки.

11.6Что такое упругость насыщения водяного пара?

Вметеорологии — упругость водяного пара Е, максимально возможная при данной температуре; зависит от температуры водяного пара (равной температуре влажного воздуха) и выражается эмпирическими формулами (формула Магнуса, уравнение Клаузиуса — Клапейрона). Над переохлажденной водой У. Н. больше, чем над льдом при тех же температурах; над выпуклой водной поверхностью больше, чем над плоской; над вогнутой меньше, чем над плоской (формула Томсона); над идеальными (не электролитическими) водными растворами меньше, чем над дистиллированной водой

121

(закон Рауля). Приводим значения У. Н. при различных температурах t над плоской поверхностью воды (при отрицательных температурах — переохлажденной) Ев и над плоской поверхностью льда Еπ в миллибарах:

Синонимы: насыщающая упругость, упругость насыщенного пара.

Зависимость упругости насыщения от температуры.

Разность упругостей насыщения над водой и над льдом и относительная влажность при насыщении над льдом.

11.7 Какими свойствами обладает упругость водяного пара?

Упругость водяного пара у земной поверхности может быть около нуля (в Антарктиде, зимой в Якутии, иногда в пустынях) и до 30—35 мбар вблизи экватора. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость водяного пара понижена до 5—10 мбар. С высотой упругость пара быстро убывает — в 2 раза в нижних 1,5 км и почти до нуля на верхней границе тропосферы.

11.8 При каких условиях возникает конденсация водяного пара?

Чтобы произошла конденсация водяного пара, необходим некоторый избыток его сверх насыщения. Он может появиться либо вследствие увеличения влагосодержания воздуха, либо вследствие понижения его температуры ниже точки росы, то есть ниже температуры, при которой содержащийся в воздухе водяной пар становится насыщенным.

11.9 Какие законы раскрывают процессы испарения и испаряемости?

Испарение твердого тела называется сублимацией (возгонкой), а парообразование в объёме жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар.

122