Лекция 7. Водяной пар в атмосфере

Учебные вопросы:

1. Экологическая роль водяного пара

2. Количественные характеристики содержания водяного пара в воздухе.

3. Приборы для определения влажности воздуха

4. Водяной пар в атмосфере, как фактор развития растений, а также заболеваемости животных и человека.

Экологическая роль водяного пара

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Большая часть воды в атмосфере содержится в виде водяного пара. Концентрация водяного пара в воздухе изменяется в широких пределах. Ее значение зависит, как от географических координат, так и от высоты над земной поверхностью.

У земной поверхности среднее содержание водяного пара по объёму составляет 2,6%.

Больше всего его содержит воздух в нижних слоях атмосферы экваториального пояса нашей планеты – до 4%.

Меньше всего водяного пара в воздухе полярной зимой над районами полюса холода – центральной Антарктидой в районе станции Восток - около 0,2 %. От подстилающей поверхности до высоты 1,5-2 км ср. содержание водяного пара уменьшается вдвое, по закону, близкому к экспоненциальному. Эта закономерность называется законом Ганна.

Выше тропопаузы воздух очень сух, и вплоть до высоты 30 км в среднем его относительная влажность не превышает нескольких процентов.

Лишь изредка влажность воздуха в стратосфере может становиться больше. Так бывает при мощных извержениях вулканов, выбрасывающих водяной пар в стратосферу, вследствие чего в ней на высотах 25-35 км иногда образуются перламутровые облака. До высоты 25 км преобладающая часть водяного пара в атмосфере преобладает в виде одиночных молекул воды Н₂О (выше значимым становится их фотолиз).

Принято считать, что свободная (химически не связанная с другими веществами) вода первоначально образовалась в атмосфере Земли в виде водяного пара.

Водяной пар – наиболее вездесущий, но наиболее изменчивый и неустойчивый компонент атмосферы. В атмосфере в среднем содержится 1,24*10¹⁶ кг водяного пара, т. е., сконденсировавшись, он мог бы образовать "слой осаждённой воды" толщиной 2,4 см. Если бы это количество единовременно вылилось на Европу, вся ее территория покрылась бы слоем толщиной 1 м.

Среднее время нахождения молекулы воды в атмосфере 9 суток. Несмотря на это, водяной пар переносятся в атмосфере от места испарения до места выпадения в виде осадков, на огромные расстояния. Скорость переноса водяного пара воздушными течениями по широте (зональный перенос) составляет в среднем 220 км/сут. При этом среднее число смен водяного пара за один оборот вокруг Земли равно 13,5.

Процентное содержание водяного пара в воздухе меняется с высотой. На высоте 5 км оно в десять раз меньше, чем у земной поверхности, а на высоте 8 км - в сто раз меньше. Таким образом, выше 10-15 км содержание водяного пара в воздухе ничтожно мало, а основная его часть сосредоточена в нижних слоях тропосферы (до высоты 5-6 км).

Водяной пар является мощнейшим регулятором и стабилизатором климата. Это один из парниковых газов, поглощающий тепловое излучение Земной поверхности, а также инфракрасное излучение Солнца. Наиболее интенсивные полосы поглощения находятся на длинах волн =5,5-7,0 мкм и 17 мкм. Если бы в атмосфере Земли водяной пар отсутствовал, средняя температура ее поверхности была бы, как минимум, на 21 градусов С ниже современной. Водяной пар влияет на тепловой режим земной атмосферы еще т потому, что в ней он может находиться одновременно в трех агрегатных состояниях, а фазовые переходы воды сопровождаются выделением или поглощением тепла.

Фотолиз молекул воды, происходящий в стратосфере под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечной радиации и других ионизирующих излучений приводит к образованию Н⁺ и ОН^-. Образующиеся при этом положительные ионы водорода обладают высокой химической активностью и восстанавливают всевозможные содержащиеся в атмосфере газообразные вещества и их отрицательные ионы (хлор, фтор и др.).

Отрицательные ионы – гидроксилы ОН разрушают стратосферный озон, взаимодействуют с атомарным водородом, а также протонами и другими веществами.

Соотношение между интенсивностями процессов фотодиссоциации молекул воды и рекомбинации ее компонентов зависит от плотности атмосферы и интенсивности потока солнечной радиации. Днем на любых высотах фотодиссоциация воды в атмосфере активизируется, ночью она практически прекращается.

В нижних слоях атмосферы даже днем преобладает рекомбинация. Здесь водяной пар практически не содержит диссоциированных молекул. В термосфере преобладает фотодиссоциация и большинство молекул водяного пара находится в любое время суток в диссоциированном состоянии.

Присутствие воды в атмосфере существенно влияет на тепло физические и физико-химические свойства воздуха.

Сухой воздух, адиабатически поднимаясь на 1000 м, расширяется и остывает на 10 градусов С.

Благодаря высокой теплоемкости воды, я также ее высокой удельной теплоте парообразования (конденсации) при адиабатическом подъеме на такую же высоту влажный воздух остывает всего на 6 градусов.

Присутствие в атмосфере водяного пара изменяет величину вертикального градиента температуры воздуха. Чем более влажным является воздух тем сильнее проявляется парниковый эффект и температура нижних слоев атмосферы возрастает, а верхних уменьшается.

Присутствие водяного пара не только изменяет в атмосфере зависимость от высоты температуры воздуха, а также атмосферного давления, но и влияет на энергию ураганов, торнадо и других атмосферных вихрей.

Водяной пар - источник энергии этих атмосферных вихрей (циклонов, ураганов, торнадо). Энергия выделяется при взаимодействии теплого, влажного воздуха, поднимающегося от земной поверхности и холодного, сухого воздуха, опускающегося к ней из верхних слоев тропосферы.

Чем больше содержание в тропосфере водяного пара, тем больше контраст температуры и влажности воздуха между верхними и нижними ее слоями, тем больше энергия указанного источника и разрушительней порождаемые им атмосферные явления.

Содержание в воздухе водяного пара существенно влияет на развитие растений, а также заболеваемость людей и животных.

Количественные характеристики содержания водяного пара в воздухе.

Упругость водяного пара (е)- парциальное давление водяного пара в воздухе, как его смеси с другими газами. В системе СИ единицей измерения давления служит Паскаль. - давление которое оказывает сила 1 Ньютон на площадку 1 кв. м.

В метеорологии атмосферное давление в Паскалях измерять неудобно - эта единица является слишком мелкой. Поэтому здесь принято использовать производную единицу - гектопаскаль (равный ста Паскалям)- гПа.

Как дань истории, в метеорологии сохранились и такие единицы измерения давления как миллиметры ртутного столба и миллибары. Соотношение между ними таково:

1 миллибар= 1 гПа

1 ммрт. ст = 1.33 гПа.

При фиксированной температуре упругость водяного пара не может превышать некоторого предельного значения, называемого максимальной, или насыщающей упругостью (Е). Если упругость водяного пара равна насыщающей, процессы испарения с некоторой поверхности и конденсации на нее взаимно уравновешиваются.

Величина насыщающей упругости водяного пара существенно зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем больше Е.

Так, при температуре воздуха –50^оС, Е над плоской поверхностью дистилированной воды равно 0.063 гПа, а при температуре –5 ^оС, Е= 4.21 гПа.

Очевидно, что значение Е зависит не только от температуры, но и от свойств поверхности, с которой происходит испарение.

Интенсивность испарения с некоторой поверхности зависит от температуры, а также средней величины работы, которую необходимо затратить на то, чтобы разорвать связи молекулы воды с другими молекулами вещества, из которого эта поверхность состоит.

Интенсивность конденсации на ту же поверхность от ее физико-химических свойств не зависит, а определяется лишь температурой воздуха и упругостью содержащегося в нем водяного пара.

Как правило, в справочниках по метеорологии приводится значение насыщающей упругости водяного пара над свободной плоской поверхностью воды, не содержащей примесей.

При фиксированной температуре значение Е над плоской поверхностью льда (или снега) меньше, чем над такой же поверхностью дистилированной воды.

Объясняется это тем, что в твердом теле молекулы связаны между собой сильнее, чем в жидкости. В результате, при любой температуре воздуха испарение с поверхности льда слабее, чем с поверхности жидкости, а для того, чтобы конденсация уравновешивала испарение, достаточна меньшая упругость водяного пара в окружающей среде.

При прочих равных условиях, над остриями и пиками на поверхности льда Е меньше, чем над плоскими ледяными поверхностями.

На остриях и пиках, как правило, накапливаются электрические заряды, притягивающие к себе из воздуха молекулы водяного пара, обладающие очень большим дипольным моментом. В результате этого на остриях конденсация влаги происходит интенсивнее, чем на плоских поверхностях.

Согласно закону Рауля, при прочих равных условиях, насыщающая упругость водяного пара над плоской водной поверхностью, содержащей примесь в концентрации N (Е_N) тем меньше, чем больше эта концентрация:

E_N=E/(l+N).

Связь молекул воды с другими молекулами в растворе несколько сильнее, чем в химически чистой воде. Следовательно, при прочих равных условиях, интенсивность испарения с поверхности раствора с ростом его концентрации снижается. Поэтому снижается и величина упругости водяного пара в окружающей среде, при которой достигается такая же интенсивность конденсации,

Над поверхностью сферической капли дистилированной воды насыщающая упругость водяного пара Ек больше, чем над плоской поверхностью воды. Она может быть определена из соотношения:

Ек = 2σ μ / ρRrT ,

где σ- коэффициент поверхностного натяжения:

μ - молекулярная масса воды:

ρ - плотность воды;

R - универсальная газовая постоянная;

г - радиус капли;

Т - абсолютная температура.

Чем меньше радиус капель, тем существеннее влияет на процесс испарения с их поверхности сила поверхностного натяжения. При радиусе капли 0.0001 микрона Ек=З.ЗЕ.

Зародыши капель, образующиеся в очищенном от пылинок и аэрозолей воздухе, имеют еще меньший радиус. Поэтому в таком воздухе туман появляется лишь при упругости водяного пара более 4Е.

Если капля содержит примесь, то величина насыщающей упругости над ее поверхностью при малых значениях радиуса меньше, а иногда и много меньше Е, а при больших может быть больше либо равна Е.

В воздухе, содержащем такие капли, туман образуется уже при упругости Е.

Над поверхностью частиц пыли или аэрозоли, несущих электрический заряд, упругость насыщающего пара существенно меньше, чем над электрически нейтральными частицами такого же радиуса.

Благодаря этому, заряженные зародыши капель способны формировать вокруг себя капли в менее влажном воздухе, чем зародыши такого же размера, но электрически нейтральные.

Над свободной и обширной водной поверхностью упругость водяного пара всегда равна насыщающей упругости. Здесь процесс испарения не ограничен недостатком влаги. В частности, над* поверхностью Мирового океана е=Е и изменяется соответственно изменению температуры воздуха, с увеличением температуры е возрастает, с уменьшением снижается.

Над поверхностью суши водяной пар чаще не насыщен. Он может иметь насыщающую упругость только при охлаждении надвигающихся на нее влажных воздушных масс с океана.

Минимальна упругость водяного пара в антарктических и арктических пустынях зимой при минимальной температуре воздуха. Абсолютный минимум –003гПа отмечается зимой в Оймяконе (Якутия).

В пустынях тропиков, несмотря на кажущуюся сухость воздуха, упругость содержащегося в нем водяного паря отнюдь не мала (в Сахаре днем, летом около 5 гПа). Вызвано это весьма высокой температурой воздуха.

Абсолютная влажность (а) - масса водяного пара в единице объема, выраженная в г/м³. Абсолютная влажность связана с упругостью соотношением:

а= 216e / Т

Здесь: Т – абсолютная температура воздуха в градусах по шкале Кельвина.

При фиксированной температуре воздуха его абсолютная влажность может достигать различных значений.

Максимальное значение а (обозначается А), имеет место в воздухе над свободной водной поверхностью, где процессы испарения и конденсации взаимно уравновешиваются. При максимальной абсолютной влажности воздуха водяной пар является насыщенным.

Относительная влажность (f)- есть отношение фактической упругости (абсолютной влажности) к ее максимальному значению при той же температуре воздуха.

f=е/Е= а/А.

Относительную влажность воздуха выражают в %.

Над поверхностью Мирового океана суточный и годовой ход относительной влажности воздуха практически отсутствует. Над свободной водной поверхностью ее значения, как правило, составляют 100%.

Над пустыней суточный и годовой ход относительной влажности обратен суточному (годовому) ходу температуры. Чем больше значение температуры -тем меньше значение относительной влажности.

Абсолютный минимум относительной влажности в пустыне достигается в послеполуденные часы, летом, когда жаре сильнее всего.

Над степью в умеренных широтах при ясной солнечной погоде суточный ход относительной влажности имеет два максимума.

Первый максимум этой кривой соответствует предрассветным часам, когда температура воздуха у земной поверхности минимальна.

Второй максимум - напротив, соответствует полудню, когда температура воздуха у земли максимальна. Он возникает потому, что при сильном прогреве воздуха в нем возникает вертикальное перемешивание. При этом теплый воздух от земной поверхности поднимается вверх, а ему на смену опускается воздух более холодный, что может приводить к повышению относительной влажности.

Амплитуда суточного и годового хода относительной влажности в высоких широтах и на экваторе минимальна. Максимума этот параметр достигает над континентами в умеренных широтах,

Удельная влажность -, масса водяного пара, содержащегося в 1 г воздуха, или 1 /г Удельная влажность тем больше, чем выше упругость водяного пара и относительная влажность воздуха.

Дефицит упругости- (С) - разность между максимальной и фактический упругостью:

С= Е - е.

Точка росы - это температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар становится насыщающим. При постоянном атмосферном давлении и упругости водяного пара точка росы имеет фиксированное значение.

Точка росы тем выше, чем (при прочих равных условиях) больше относительная влажность воздуха (либо меньше дефицит упругости водяного пара).