Изменение влажности с высотой
Водяной пар поступает в атмосферу с деятельной поверхности. В результате турбулентной диффузии он распространяется в более высокие слои атмосферы.
Распределение упругости водяного пара с высотой зависит от изменения давления и температуры с высотой, от степени развития конвекции и турбулентного перемешивания, от процессов конденсации и облакообразование. Поэтому трудно теоретически установить точную закономерность изменения упругости водяного пара с высотой.
Наблюдение доказали, что в среднем упругость водного пара быстро убывает с высотой. Это убывание описывается эмпирическими формулами, которые выведены для разных районов.
Для горных местностей выведенная формула:
,
(3.13)
где еz и e0 – парциальное давление водного пара на уровне моря и на высоте z;
z – высота места, м.
Из формулы 3.13 видно, что на высоте 6300 г упругость водяного пара в 10 раз меньшая, чем в поверхности земли. Итак, упругость водяного пара с высотой убывает в 4-5 раз быстрее, чем атмосферное давление. Поясняется это тем, что слои воздуха, которые непосредственно прилегают к деятельной поверхности, беспрерывно пополняются водяным паром, тогда как в выше расположенные слои воздуха его поступает значительно меньше. Кроме того, температура воздуха с высотой убывает, а возможное содержание водяного пара ограничивается температурой. Снижение температуры воздуха способствует насыщению водяного пара и его конденсации.
Над равнинами упругость водяного пара убывает с высотой быстрее, чем в горах.
Для свободной атмосферы по аэрологическим данным:
.
(3.14)
За данными Н.Ф. Накоренко упругость водного пара по аэрологическим данным определяется по формуле:
,
(3.15)
где t и t0 – температура воздуха у земной поверхности и на высоте z,
k – эмпирический коэффициент, равный 0,0387.
Относительная влажность изменяется с высотой неравномерно, но в среднем она убывает с высотой. На высотах, где расположены облака или туманы, относительная влажность повышена. В слоях температурной инверсии она уменьшается с высотой в результате повышения температуры. В особенности неравномерно изменяется относительная влажность до высоты 2-3 км. Упругость водяного пара в слоях инверсии растет.
Общие условия фазовых переходов воды в атмосфере
Переход водяного пара в жидкое состояние называется конденсацией. Переход водяного пара в твердое состояние, минуя жидкую фазу, называется возгонкой.
Водяной пар, который содержится в атмосфере, может переходить в жидкое или твердое состояние лишь в том случае, если его упругость превышает упругость насыщения, то есть если е>Е.
Однако, в естественных условиях конденсация или сублимация обуславливаются главным образом снижением температуры воздуха и сравнительно редко увеличением упругости водного пара.
Для конденсации водяного пара в атмосфере необходимые следующие условия:
снижение температуры воздуха ниже точки росы;
наличие в воздухе ядер конденсации.
Снижение температуры воздуха ниже точки росы возможно в следствие:
охлаждение деятельной поверхности излучением и последующего охлаждения прилегающих слоев воздуха;
приходом теплого воздуха на холодную деятельную поверхность;
смешение двух масс воздуха, которые содержат насыщенный или близкий к насыщению водяной пар, но они имеют разные температуры;
адиабатического поднятия воздуха.
Адиабатическое охлаждение влажного воздуха, который поднимается, есть наиболее важным процессом, который приводит к конденсации водяного пара в свободной атмосфере и служит основной причиной образования облаков.
Адиабатическое охлаждение воздуха, которое приводит к понижению температуры воздуха ниже точки росы происходит в результате: понижения атмосферного давления и вертикального перемещения воздуха.
В результате именно этого процесса выделяется наибольшее количество продуктов конденсации. Адиабатическое охлаждение воздуха и связанная с этим конденсация пара иногда могут происходить также при резком снижении атмосферного давления на каком-нибудь уровне.
При сублимации водяного пара сначала возникают жидкие капельки на обычных ядрах конденсации. При довольно низких отрицательных температурах они замерзают (превращаются в твердые элементы) и лишь после этого на них развиваются кристаллы.