Воздух и атмосфера.
Атмосферное давление.
Атмосфера состоит из смеси газов называющихся воздухом. В воздухе во взвешенном состоянии находится жидкие и твёрдые частицы. Общая масса частиц не значительна по сравнению со всей массой атмосфера. Как всякий газ, воздух характеризуется давлением, температурой, плотностью, составом. Давление представление собой результирующую силу ударов молекул об стенки ограничивающего сосуда, сила направлена нормалью перпендикулярно к его стенкам. Числовое значение этой силы (F) P=F/Sотнесенное к площади (S) называют давлением (P). В каждой точке атмосфера имеется определенное атмосферное давление Ратм(мм ртут. столба, барах или водного ст-ва) или давление воздуха.
Основным прибором для измерения атмосферного давления служит ртутный барометр. В приборе атмосферное давление уравновешивается давлением столба ртути, по изменениям высоты ртутного столба судят об изменении атмосферного давления. Другие приборы измерения атмосферного давления (анероиды, барографы, метеорографы, радиозонды и др.) основаны на определении деформации упругой пустой внутри металлической коробки, которое происходит при изменении внешнего давления на неё. Приборы этого типа нужно градуировать по показаниям ртутного барометра.
В системе СИ давление измеряется в Па(Паскалях). Метеорология до недавнего времени использовалась единица давления:
Миллибар(мбар)
1 мбар = 100 Па = 1 гПа (гекто Па)
На практике широко используется вне системная единица давления 1мм рт. ст. = 133,33 Па = 1,3333 гПа.
Температура воздуха.
Воздух как и всякое тело всегда имеет температуру отличную от абсолютного нуля. Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется с изменением времени. Кроме того в разных местах земли в одно и тоже время она так же различна. Температура воздуха, а так же почвы и воды в большинстве стран измеряется в единицах СИ по шкале Кельвина. 0 этой шкалы соответствует полному прекращению теплового хаотического движения молекул и по шкале Цельсия равен -273,15 ͦС. Переход от температуры по Цельсию по абсолютной шкале осуществляется по формуле:
Т = t + 273,15
Вне системные единицы шкала Фаренгейта
0 С = +32 F , т.е. 100 С = 180 F
t С = 5/9 (t F - 32);
t F = 9/5 (t C + 32).
Состав сухого воздуха у земной поверхности.
Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило влажный. Это значит, что в его составе вместе с другими газами входит водяной пар, т.е. газовая фаза воды. Воздух без водяного пара называется сухим.
Состав сухого воздуха у земной поверхности
|
Состав |
N2 |
O2 |
Ar |
CO2 |
Ne,He,CH1,Kr, H2,N2O,XeO3, NO2,SO2, NH3,CO,I2,Rn |
|
По V |
78,08 |
20,95 |
0,93 |
0,03 |
0,01 |
|
По m |
75,52 |
23,15 |
1,28 |
0,046 |
0,004 |
Водяной пар в воздухе.
Во влажном воздухе у земной поверхности содержание водяного пара составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется от 0 до 4%. Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путём испарения с водной поверхности и влажной почвы а так же в результате транспирации растениями.
Количество водяного пара в данном объеме атмосферы не может возрастать бесконечно. Для каждого значения температуры существует предельно-возможное количество водяного пара. Когда такое количество достигнуто, водяной пар называют насыщающим(насыщенным), а воздух содержащий его насыщенным. Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха.
Если содержание насыщения достигнуто, а температура продолжает понижаться, часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, т.е. переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капли или ледяные кристаллы облаков и туманов. В одних случаях облака снова испаряются, в других капли и кристаллы облаков укрупняясь могут выпасть на земную поверхность в виде осадков с водяным паром в воздухе и его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды особенности климата.
Давление водяного пара и относительная влажность.
Содержание водяного пара в воздухе называют влажностью. Мерой влажности является парциальное давление водяного пара(давление водяного пара) и относительная влажность. Давление водяного пара выражается в тех же единицах(1 гПа = 1 мбар). Давление водяного пара в состоянии насыщения Е, называют давлением насыщенного водяного пара и это максимальное давление водяного пара возможное при данной температуре:
, где Ео = 6,107 гПа давление
насыщенного пара при температуре равной
t
= 0 ͦC.
Для давления насыщенного водяного пара
над чистой водой коэффициент а = 7,6326, b
= 241,9; надо льдом a
= 9,5 b
= 265,5.
Очень часто воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для его насыщения при данной температуре. Степень близости воздуха к состоянию насыщения характеризует относительная влажность.
F = e/E * 100%, где
е – фактическое парциальное давление водяного пара.
Е – давление насыщенного водяного пара при данной температуре.
Пример: при t= 20 ͦC; E = 23,4 гПа; е = 11,7 гПа; f = 50%.
Сгущение водяного пара.
Причины сгущение водяного пара:
Водяной пар достигает насыщения при охлаждении воздуха до точки росы, т.е. до температуры при которой упругость водяного пара становится равной упругости насыщенного пара. При дальнейшем понижении температуры ниже точки росы упругость водяного пара уже превышает упругость необходимую для насыщения и тогда он будет перенасыщать пространство. При таких условиях избыточный водяной пар сгущается, образуя мельчайшие капли воды или кристаллы льда из которых создаются облака, а так же жидкие или твердые осадки, которые затем выпадают на поверхность земли. Охлаждение воздуха ниже точки росы является главной причиной сгущения водяного пара и все другие процессы приводящие к сгущению водяного пара не имеют какого-либо значения, т.к. без охлаждения воздуха сгущение водяного пара наблюдается весьма редко. Охлаждение воздуха ниже точки росы может происходить:
- при соприкосновении воздуха с земной поверхностью или с поверхностью покрова, а так же с растительного земными предметами, охлажденными излучением или предшествующими холодами.
-при охлаждении влажных масс воздуха в следствии непосредственного излучения или тепла.
-при смешивании двух воздушных масс насыщенных паром, но имеющих различные температуры.
-при адиабатическом охлаждении воздуха во время его подъема при восходящих потоках воздуха, создающихся в следствии нагревания нижних слоев воздуха от подстилающей поверхности при восходящем скольжении воздуха вдоль наклонных фронтальных поверхностей и при подъеме воздуха вдоль склонов гор или возвышенностей.
Ядра конденсации
Для сгущения водяного пара кроме охлаждения воздуха необходимо ещё присутствие в воздухе твердых, жидких, газообразных частиц, на которых оседают молекулы водяного пара при сгущении. Эти частицы носят название ядра конденсации. Однако не всякие частицы веществ могут быть ядрами конденсации. Наиболее активными ядрами являются гигроскопические частицы, способные притягивать и удерживать молекулы воды – морские соли попавшие в воздух при разбрызгивании морской воды. Ядрами могут быть частицы солей попавшие в воздух с поверхности солончаковых пустынь и полупустынь при помощи ветра. Или могут быть так же продукты горения при лесных пожарах, торфяников, степей и саван. Ядрами конденсации могут быть и молекулы гигроскопических газов – сернистый ангидрид, который образуется в воздухе из сернистого ангидрида при действии на него озона и других окислителей.
Первичные продукты сгущения водяного пара
Являются капельки воды или капельки тумана и ледяные кристаллы, образующиеся при сгущении. Капельки тумана очень малы, d колеблется в тысячных долях и только при благоприятных условиях может достигать 0,05м и более.
Водяной пар может переходить при низких температурах из газообразного состояния сразу в твердое минуя жидкую фазу. Такой переход называют сублимацией. А ядра на которых происходит переход пара в лед называют ядрами сублимации. При сублимации образуются ледяные кристаллы различных форм, шестигранных призм, столбиков или игл, шести лучевые снежные звездочки различных форм. Из перечисленных выше продуктов конденсации состоят облака и туманы, представляющие скопление этих продуктов в атмосфере. Облака аналогичны туману, существенных различий между ними нет. Как облака так и туман имеют одинаковую структуру. Облака представляют туман, образующийся в воздухе на некоторой высоте от земной поверхности.
Туманы
Если конденсат водяного пара происходит у земной поверхности, то скопление продуктов такой конденсации образует явление называемое туманом. Капельки воды могут находиться в переохлажденном состоянии до температуры -30 ͦ и даже ниже, но при очень низкой температуре могут состоять из кристалликов льда. Причиной образования тумана является главным образом охлаждение нижнего слоя воздуха от соприкосновения с более холодной подстилающей поверхностью.
Различают:
-радиационные туманы
-адвективные
Радиационные туманы (туманы излучения) образуются при ночном охлаждении поверхности земли и воздуха путем излучения. Возникают в ясную тихую погоду в виде расстилающей над землёй пеленой, после восхода солнца обычно рассеиваются.
Адвективные туманы возникают при перемещении теплого, влажного воздуха над охлажденной поверхностью земли.(поздней осенью, зимой или ранней весной при движении влажного теплого воздуха над холодной землей на морях в теплое время года).
Над реками и озерами могут возникать так называемые туманы испарения. Образуются при испарении с теплой водной поверхности в холодный воздух. Чаще всего образуется осенью. Зимой такие туманы часто создаются над незамерзающими морями, озерами.