Лабораторна робота № 4 визначення кількості і форми хмар

Метою роботи є вивчення основних видів хмар, а також визначення кількості і форми хмар нижнього, середнього і верхнього ярусу в день виконання лабораторної роботи.

4.1 Теоретична частина

Спостереження за хмарністю складаються у визначенні кількості хмар, їхніх форм і висоти над рівнем місця спостереження.

Хмари є продуктами конденсації чи сублімації водяної пари в атмосфері. Конденсація водяної пари відбувається в тому випадку, якщо повітря досягає насичення, тобто пружність водяної пари е досягає гранично можливого при даній температурі значення Е. Стан насичення звичайно настає внаслідок зниження температури повітря нижче точки роси.

При конденсації водяної пари виділяється схована теплота конденсації, величина якої з підвищенням температури зменшується. Для обчислення теплоти конденсації застосовується емпірична формула:

С = 2500 – 2,51* t, (4.1)

де С – теплота конденсації в Дж/г;

t – температура повітря, °С.

Теплота, що виділилася при конденсації, йде на нагрівання повітря, у результаті чого його температура трохи підвищується.

При радіаційному охолодженні земної поверхні прохолоджуються і прилягаючі до неї шари повітря, що часто приводить до конденсації водяної пари.

Припустимо, що повітря при температурі T₁ насичене водяною парою, при чому абсолютна вологість дорівнює а₁ г/м³. Якщо повітря прохолоджується до температури T₂ при незмінному тиску, то виділяється кількість водяної пари Δа = а₁ – а₂, де а₂ – абсолютна вологість насиченого водяною парою повітря при температурі T₂ .

Висота хмар і їхня будівля взаємозалежні з рівнем конденсації і рівнем конвекції.

Рівень конденсації практично збігається з нижньою границею хмари. Висота, на якій водяна пара при адіабатичному підйомі вологого повітря досягає стану насичення, зветься рівнем конденсації (h) і визначається по формулі:

h = 122 (t – τ), (4.2)

де t – температура повітря;

τ – точка роси.

Верхня границя хмари збігається з рівнем конвекції. Рівень конвекції (Z) – це висота, на якій припиняється висхідний конвективний рух. Рівень конвекції можна також визначити, як висоту, на якій температура окремого об'єму вологого повітря, що підіймається, знизиться до температури навколишнього повітря.

Хмари утворюються за рахунок висхідного руху окремого об'єму повітря. При цьому окремий об'єм повітря рухається адіабатично, тобто без теплообміну з навколишнім повітрям. Зміни температури при висхідному русі характеризуються адіабатичним градієнтом температури. В залежності від вмісту вологи в повітрі є сухоадіабатичний вертикальний градієнт температури і вологоадіабатичний вертикальний градієнт температури.

Сухоадіабатичним вертикальним градієнтом температури є величина, що характеризує зміну температури повітря на кожні 100 м при адіабатичному підйомі ненасиченого водяною парою повітря.

Вологоадіабатичним градієнтом називається величина, що характеризує зміну температури повітря на кожні 100 м при адіабатичному підйомі насиченого водяною парою повітря. Величини вологоадіабатичного градієнта при різних значеннях температури й атмосферного тиску наведені в додатку В.

Крива зміни стану навколишнього повітря при його підйомі зветься кривою стану. Це графік залежності температури навколишнього повітря від висоти над рівнем моря.

Криві, що характеризують зміну температури в залежності від висоти при сухоадіабатичному піднятті ненасиченого повітря, називаються сухими адіабатами.

Криві, що характеризують зміну температури в залежності від висоти при вологоадіабатичному піднятті насиченого повітря, називаються вологими адіабатами.

Крива стану до рівня конденсації наводиться у вигляді сухої адіабати, а вище рівня конденсації – у вигляді вологої адіабати.

Середня величина вологоадіабатичного градієнту дорівнює 0,5°С/100 м.

Охолодження повітря в основному здійснюється адіабатично шляхом випромінювання. Особливо велике значення для утворення хмар має адіабатичне охолодження, що може бути викликано наступними процесами:

- конвекцією у середині повітряних мас;

- висхідним ковзанням теплого повітря по похилій фронтальній поверхні, що розділяє дві повітряні маси;

- хвильовими рухами на поверхні розподілу двох різних по фізичним властивостям шарів повітря;

- турбулентним перемішуванням в атмосфері.

Часте виникнення хмар є результатом одночасної дії декількох процесів. Багато форм хмар утворюються в результаті переходу хмар в інші форми в процесі їхнього подальшого розвитку або розпаду.