Атмосферная влага

 

Характеристики влажности воздуха. В атмосферу непрерывно поступает водяной пар, образующийся в ре­зультате испарения с поверхности воды, почвы, испарения растениями (транспирация). При конденсации водяного пара и выпадении осадков вода покидает атмосферу. В среднем на любой момент времени в атмосфере содержится 12900 км³ воды, что составляет 0,001% от всего количества воды на Земле, но в 6 раз больше воды, содержащейся в руслах рек мира.

В атмосфере вода содержится в газообразном (водяной пар), капельно-жидком и твердом (кристаллики льда) со­стояниях.

В метеорологии для оценки содержания водяного пара в воздухе используются характеристики влажности воздуха.

Абсолютная влажность воздуха а – это количество во­дяного пара в граммах, содержащееся в одном кубическом метре воздуха.

Парциальное давление (упругость) водяного пара е – это давление, которое имел бы водяной пар, если бы он один занимал объем газовой смеси при той же температуре, измеряется в гПа.

Зная е, можно определить абсолютную влажность по формуле:

, г/м³

где a – коэффициент расширения воздуха;

t – температура воздуха, °С.

Относительная влажность воздуха f – это отношение фактического парциального давления водяного пара в воз­духе к парциальному давлению насыщенного водяного па­ра E при той же температуре, выражается в процентах:

100 %.

Дефицит насыщения d – недостаток водяного пара до насыщенного состояния, т.е. разность между Е и е:

, гПа.

♦ Абсолютная влажность воздуха и парциальное давление водяного пара характеризуют содержание водяного пара в воздухе (влагосодержание), а ♦ относительная влажность и дефицит насыщения – соотношение между фактическим влагосодержанием воздуха и предельно возможным (насы­щенным состоянием).

Точка росы t_d –температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе при данном атмосферном давле­нии, становится насыщенным.

Дефицит точки росы D – разность между температурой воздуха и точкой росы:

.

Парциальное давление на­сыщенного водяного пара Е сильно зависит от температу­ры воздуха, увеличиваясь с ростом температуры (рис.). Это значит, что с ростом температуры воздух способен содержать большее количест­во водяного пара. Поэтому при той же величине е с уве­личением температуры отно­сительная влажность умень­шается, а с понижением тем­пературы увеличивается и при определенной температуре может достигнуть 100%, что соответствует стадии насыщения водяного пара, а температура – точке росы.

 

 

Рис.Парциальное давле­ние насыщенного водяного пара

в зависимости от темпе­ратуры.

 

Зависимостью Е от температуры объясняется, например, тот факт, что в Арктике, несмотря на малое влагосодержание воздуха, но в силу низких температур, относительная влажность воздуха намного больше, чем в субтропических пустынях, где воздух обладает большей абсолютной влаж­ностью, но при высоких температурах.

Испарение и конденсация водяного пара. Физическая сущность процесса испарения состоит в том, что молекулы воды, находясь в беспорядочном движении, отрываются от испаряющей поверхности. Совокупность молекул воды в воздушном пространстве образует водяной пар. Двигаясь над испаряющей поверхностью в различных направлениях, часть молекул возвращается в воду. Если число вылетаю­щих молекул больше числа возвращающихся, то это ведет к убыли воды и такой процесс называется испарением. Если количество вылетающих молекул равно количеству воз­вращающихся в воду, то имеет место равновесие, и испаре­ние (т.е. убыль воды) не происходит. При этом пространст­во над испаряющей поверхностью становится насыщенным водяным паром.

Когда количество водяного пара над испаряющей по­верхностью становится больше необходимого для насыще­ния, т.е. когда число возвращающихся молекул превышает число отрывающихся, то наступает процесс, обратный ис­парению, – конденсация пара на поверхности.

Скорость испарения увеличивается с повышением тем­пературы испаряющей поверхности, поскольку с повыше­нием температуры увеличивается число быстродвижущихся молекул, способных оторваться от испаряющей поверх­ности.

Для поддержания процесса испарения требуется тепло, называемое теплотой испарения. Если тепло не подводит­ся извне, то испаряющее тело охлаждается. При конденса­ции происходит выделение этого тепла.

Скорость испарения выражается слоем воды (в милли­метрах), испарившейся за единицу времени, и может быть представлена зависимостью:

,

где Е –парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре подстилающей поверхности;

е – парци­альное давление водяного пара, находящегося в воздухе над подстилающей поверхностью;

р –атмосферное давле­ние;

– функция скорости ветра;

К – коэффициент про­порциональности.

Испарение зависит от скорости ветра, поскольку ветер и связанная с ним турбулентность относят водяной пар от испаряющей поверхности и создают дефицит насыщения.

В реальных условиях атмосферы наряду с испарением происходит обратный процесс – превращение водяного па­ра в капельки воды (конденсация), а при низких температу­рах – в кристаллики льда (сублимация – переход водяного пара из газообразного состояния в лед, минуя жидкую фазу). Конденсация и сублимация происходят при наличии ядер конденсации. Ядрами конденсации являются взвешен­ные в воздухе мельчайшие частицы почвы, горных пород, органических веществ, вулканической и космической пыли.

Суточный и годовой ход характеристик влажности воздуха. Влагосодержание воздуха, характеризуемое абсо­лютной влажностью и парциальным давлением водяного пара, у земной поверхности имеет суточный и годовой ход.

Суточный ход опосредованно определяется суточным хо­дом температуры, поскольку от температуры зависят, с од­ной стороны, количество влаги, поступающей в воздух от испарения, а с другой – турбулентный и конвективный пе­ренос пара от подстилающей поверхности в вышележащие слои воздуха.

Суточный и годовой ход абсолютной влажности и пар­циального давления полностью взаимно идентичны. По­этому достаточно ограничиться рассмотрением изменений во времени парциального давления водяного пара.

В теплое время года над сушей в ясную погоду в суточном ходе парциаль­ное давление имеет два ми­нимума и два максимума (рис.). Первый минимум наступает утром вместе с минимумом температуры подстилающей поверхности и, следовательно, при ми­нимальном поступлении влаги от испарения.

 

 

Рис.Суточный ход парци­ального давления водяного пара, типичный

для месяца умеренных широт Западной Сибири (июль).

 

С увеличением высоты Солнца повышается температура подстилающей поверхности, и парциальное давление быст­ро растет, пока испарение преобладает над переносом пара вверх. Таким образом, к 8-10 ч наступает первый макси­мум. В последующие часы турбулентный перенос влаги в вышележащие слои воздуха превышает поступление влаги от испарения и парциальное давление пара понижается, достигая минимума к 15-16 ч. Затем при ослабевающей турбулентности земная поверхность остается еще доста­точно теплой, что обеспечивает превышение испарения над переносом влаги вверх. При этих условиях парциальное давление пара продолжает расти, достигая максимума к 20-22 ч, после чего испарение уменьшается до полного прекращения и парциальное давление также понижается до утреннего минимума.

Над морями суточный ход парциального давления сле­дует за суточным ходом температуры.

Годовой ход парциального давления параллелен годо­вому ходу температуры.