Конденсація та сублімація водяної пари в атмосфері і на земній поверхні



Скачати 111.42 Kb.
Дата конвертації31.03.2017
Розмір111.42 Kb.
Лекція № 6

Тема: Конденсація та сублімація водяної пари в атмосфері і на земній поверхні.

ПЛАН


  1. Конденсація. Сублімація.

  2. Процеси конденсації і сублімації на поверхні земної поверхні.


1. Конденсація – перетворення водяної пари у рідкий стан. В результаті конденсації утворюються дрібнесенькі крапельки діаметром кілька мікрометрів.

Більші краплі утворюються в результаті злиття кількох дрібненьких або в результаті танення сніжинок. Якщо температура повітря знижується до точки роси, то водяна пара стає насиченою. При подальшому зниженні температури повітря, надлишок водяної пари зверх насиченої, перетворюється у рідкий стан.

           Зниження температури повітря у більшості випадків відбувається через його піднесення угору. Коли повітря не насичене, то воно адіабатично охолоджується на 1С0 на кожні 100м висоти. Тому для початку конденсації досить повітрю піднестись угору на кілька сотень метрів. Коли ж воно далеке від насичення, то воно повинно піднестись на 1-2км і більше.

            Причини піднесення повітря угору різні. Це і турбулентне невпорядковане перемішування, теплова конвекція, і висхідні упорядковані рухи повітря на атмосферних фронтах чи вздовж схилів у горах, а також висхідні рухи повітря на гребенях атмосферних хвиль. Усі ці причини обумовлюють утворення  різних видів хмар.

           Тумани також утворюються в результаті зниження температури приземного шару повітря. Але у цьому випадку температура повітря знижується в результаті теплообміну з холодною земною поверхнею.

            В атмосфері крім конденсації водяної пари відбувається і сублімація.



Сублімація – це перетворення водяної пари безпосередньо у кристалики льоду. Сублімація в атмосфері починається при температурі нижче -40С0. Коли ж в атмосфері уже є кристали льоду, то сублімація на їхній поверхні відбувається і при температурі нижче -6–8С0.

           У більшості випадків кристали льоду появляються в атмосфері при замерзанні переохолоджених крапель води при температурі близько -10С0 і нижчій.

           Краплі води при конденсації водяної пари утворюються на ядрах конденсації. В основному ядрами конденсації є кристалики гігроскопічних солей, особливо морської солі. Морська сіль надходить в атмосферу при хвилюванні моря. На гребенях хвиль утворюється піна, тобто бульбашки, заповнені повітрям. Бульбашка лопається і в усіх напрямках розлітаються дрібненькі краплі. Коли розривається бульбашка діаметром близько 6мм, то розлітається близько 1000 крапель, які вітром розносяться на величезні відстані. При швидкості вітру 15 м/с з 1 см2 поверхні моря за 1с у повітря надходить кілька десятків ядер конденсації з масою 10-15-16 г кожне.

            Розмір ядер конденсації малий: від 5*10-3 до 20 мкм. Цей діапазон умовно поділяють на три групи ядер.



  1. Ядра радіусом від 5*10-3 до 2*10-1 мкм називають ядрами Айткена – на честь англійського фізика Дж. Айткена. Їх концентрація змінюється від 1 до 1?105 см-3 залежно від висоти над земною поверхнею.

  2. Другу групу складають великі ядра з радіусом від 0,2 до 1 мкм, середня концентрація яких близько 102 см-3.Ядра з радіусом понад 1мкм називають  гігантськими і їх концентрація звичайно не перевищує 1*10-3 см-3. Саме ці ядра відіграють велику роль в утворенні опадів. Через свою легкість ядра завжди завислі в атмосфері і самі не падають з атмосфери, вони плавають в атмосфері роками. Через свою гігроскопічність вони часто плавають у вигляді насиченого розчину солей. При збільшенні відносної вологості повітря краплі збільшуються у розмірі, а при наближенні вологості повітря до 100% вони стають видимими на око краплями хмар та туманів.

           Кристалики солей та інші гігроскопічні ядра надходять в атмосферу при розвіюванні ґрунту вітром. Гігроскопічними є також тверді частки продуктів горіння або органічного розкладу. У промислових центрах в атмосфері є дуже багато таких ядер конденсації. Ядрами конденсації можуть бути досить великі негігроскопічні частки, поверхня яких змочується. Взагалі за походженням ядра конденсації поділяють на чотири групи, %: ядра морського походження – 20, продукти горіння – 40, частинки ґрунту – 20, іншого походження – 20.

            Конденсація водяної пари відбувається на найбільших ядрах конденсації. Це так звані метеорологічні ядра конденсації з розміром 0,1 – 1,0 мкм. На малих ядрах водяна пара може конденсувати лише у штучних умовах при значному перенасиченні повітря. У повітрі ядер конденсації достатніх розмірів багато. Поблизу земної поверхні в 1см3 повітря містяться тисячі й десятки тисяч ядер конденсації. При піднесенні угору кількість ядер конденсації швидко зменшується.

            Конденсація водяної пари може відбуватись і без ядер конденсації. Це відбувається інколи на комплексі молекул газів. Але така крапля не стійка. Наступної миті молекули розлітаються і крапля зникає. Наявність ядра конденсації в краплі збільшує її стійкість через гігроскопічність ядра. В лабораторних умовах конденсація не відбувається навіть при великому перенасиченні повітря, якщо в ньому немає ядер конденсації. В природних умовах перенасичення повітря не спостерігається, оскільки ядер конденсації завжди достатньо.

            Раніше вважалось, що кристалики льоду в атмосфері виникають на особливих ядрах сублімації. Тепер уже досліджено, що на ядрах конденсації виникають краплі води, які при низьких температурах замерзають і на цих кристалах відбувається сублімація водяної пари.

            В результаті конденсації водяної пари утворюються дуже дрібненькі крапельки – це долі мікрометра. При тривалому процесі конденсації радіус крапель може досягти 20 мкм. Залежно від умов утворення та стадії розвитку хмари краплі у ній можуть бути досить однорідні, а можуть бути й різноманітними за розмірами. Краплі хаотично рухаються і в результаті зустрічі двох крапель відбувається їх коагуляція або злиття. Для того, щоб спрацював механізм коагуляції, необхідна наявність крапель у хмарі з радіусом r≥18 мкм. Природним джерелом великих крапель можуть бути гігантські ядра конденсації, які складаються з морської солі. Нова крапля уже більша за розмірами.

           Коагуляції сприяють різнойменні заряди крапель. Однойменно зарядженні краплі взаємно відштовхуються. В результаті коагуляції радіус крапель у хмарі може досягти 100-200 мкм. Такі краплі починають випадати із хмар у вигляді мряки чи слабкого дощу. Краплі більшого розміру виникають при таненні кристалів льоду. Радіус крапель дощу може досягати тисяч мікрометрів, тобто кількох міліметрів.

            При замерзанні крапель води в атмосфері утворюються повні кристали – льодяні шестигранні пластинки або призми з діаметром 10-20 мкм. При подальшій сублімації на їхній поверхні, кристалики збільшуються і на їхніх кутах утворюються розгалуження у вигляді променів. На цих розгалуженнях утворюються нові розгалуження і кристали перетворюються у шестигранні зірочки-сніжинки. Ця форма йде від формули води. Кристали можуть бути й іншого різноманітного складного вигляду, оскільки вони в атмосфері дробляться, змерзаються тощо. Радіус сніжинок досягає кількох міліметрів. Часто кілька сніжинок злипаються і утворюється цілі пластівці.

            Зрозуміло, що не вся водяна пара в атмосфері конденсується. У рідкий чи твердий стан перетворюється  лише частина водяної пари – зверх насиченої водяної пари.



2. Процеси на земній поверхні.

Шари повітря, що безпосередньо торкаються холодного ґрунту чи охолоджених земних предметів, можуть охолоджуватися до точки роси. Ці шари виявляться насиченими водяною парою, та при подальшому охолоджені надлишок вологи почне конденсуватися на поверхні охолодженого предмету. При цьому утворюються наступні продукти конденсації:



  • роса, іній,

  • паморозь,

  • ожеледиця,

  • рідкий і твердий нальоти.

Роса та іній. Роса представляє собою рідкий осад у вигляді найдрібніших краплин води, які, часто зливаючись між собою, покривають земну поверхню та земні предмети. З’являється вона звичайно ввечері чи вночі, коли земна поверхня та предмети, що знаходяться на ній, шляхом випромінювання охолоджені нижче точки роси. При цьому відбувається безпосередня конденсація (сублімація) водяної пари на ґрунті та на земних предметах. Роса осідає переважно на горизонтальних поверхнях.

При охолоджені земної поверхні роса може утворитися за рахунок випаровування ґрунтової вологи з більш глибоких і теплих шарів ґрунту. Тоді роса відкладається на нижніх поверхнях предметів, обернених до ґрунту. Так, наприклад, якщо покласти непроникаючу матерію на поверхню землі, то росою покриється як верхня, так і нижня її сторона. Вказаною особливістю конденсації пояснюється і той факт, що нижні поверхні каміння часто покриваються росою.

Іній представляє собою білий, ніжної кристалічної будови осад; він утворюється при умовах аналогічних до утворення роси, але при температурах поверхні ґрунту та земних предметів нижче 0º відбувається процес сублімації.

Найбільш сприятливими умовами погоди для утворення роси та інею являються ясні ночі та слабкий вітер. Ясні ночі сприяють сильному радіаційному охолодженню ґрунту та рослинного покриву, а слабкий вітер призводить до поступового притоку нових шарів повітря, що дотикаються до поверхні ґрунту, та відносить ті з них, які вже виділили вологу. При сильному вітрі відбувається інтенсивне перемішування нижніх охолоджених шарів повітря з верхніми, більш теплими. При цьому повітря не встигає достатньо охолодитися та конденсація чи сублімація не відбувається.

Не створює необхідних умов для утворення рясної роси також і повний штиль. При цьому тонкий шар повітря, прилеглий до земної поверхні чи земних предметах, виділить росу, але притоку нових порцій повітря до них не буде.

Найбільш рясні роса та іній спостерігаються в місцях з підвищеною вологістю повітря. В долинах і котловинах, де температура нижче порівняно з навколишньою місцевістю, роса відкладається інтенсивніше, ніж на сусідніх пагорбах.

Кількість роси та інею, осідаючих на різноманітних предметах, різна; так, наприклад, ґрунт і предмети, що володіють поганою теплопровідністю, охолоджуються вночі сильніше та рясніше та покриваються росою чи інеєм, ніж предмети з хорошою теплопровідністю. Досить сильно охолоджується поверхня пухкого ґрунту, що має погану теплопровідність, тому утворення роси та інею на поверхні такого ґрунту відбувається інтенсивніше, ніж на поверхні ущільненого ґрунту.

Темні та шорсткі поверхні, що володіють великою променево-випромінювальною здатністю, рясніше покриваються росою чи інеєм, ніж світлі та гладкі, променево-випромінювальна здатність яких менше.

Поверхня рослинного покриву охолоджується променево-випромінюванням сильніше, ніж ґрунт, і тому в більшій степені покривається росою чи інеєм.

Роса, як й іній, частіше всього утворюється пізнім літом, коли повітря ще достатньо вологе, а нічне охолодження внаслідок подовження ночей значне. Вона має велике значення для життя рослин, створюючи для них додатковий приток вологи. Крім того, утворення її супроводжується виділенням прихованої теплоти конденсації, в результаті чого уповільнюється процес вихолоджування, і ґрунт охороняється від заморозків. Випадіння інею, навпаки, створює сильне охолодження ґрунту та заморозків на ньому.

Кількість води, що утворилася в результаті осідання роси чи інею, визначають за допомогою фільтрувального паперу чи спеціальних пластинок, які виставляються на відкритому місці та зважують до і після спостережень. Спостереження показали, що кількість роси, що утворилася за ніч, складає в середньому 0,1 – 0,3 мм шару води.

Паморозь. Памороззю називається білий пухкий осад, що утворився на вітках дерев, проводах і на виступаючих частинах предметів. Види паморозі розрізняються як за характером будови осаду, так і за умовами утворення. На даний час виділені в окремі групи два основні різновиди паморозі: зерниста та кристалічна.

Зерниста паморозь представляє собою снігоподібний пухкий лід, що утворився на тонких предметах: проводах, вітках дерев і т. п., тобто на предметах, що легко обтікаються повітрям. Утворення зернистої паморозі відбувається в результаті намерзання одна на одній краплин переохолодженого туману чи хмари при наявності вітру. Водяні краплі при дотику з предметами замерзають настільки швидко, що не встигають утратити своєї форми. В результаті цього утворюється снігоподібне обледеніння, що складається з льодяних зерен.

Спостерігається зерниста паморозь частіше всього при температурі від –2 до –7º і при значній швидкості вітру. При зниженні температури та послабленні швидкості вітру зерниста паморозь поступово перетворюється в кристалічну. Зерниста паморозь, відкладаючись у великій кількості на гілках дерев, проводах й інших тонких предметах, чинить на них руйнуючий вплив. Найбільш сприятливі умови для утворення цього виду паморозі утворюються в горах при натіканні шаруватих хмар. Спостерігалися випадки, коли на вершинах гір шар утвореної паморозі досягає більш ніж 1 м (рис.).



Рис. Осадження зернистої паморозі в горах.



Кристалічна паморозь – це шар льодяних пластинчатих чи призматичних кристалів, що відкладаються на тонких предметах. Частіше всього кристалічна паморозь з’являється при наявності туману та слабкого вітру чи штилю при температурі нижче –15º. Вище цієї температури кристалічна паморозь спостерігається рідко. Утворюється вона в результаті сублімації водяної пари при випаровуванні краплин туману.

Кристалічна паморозь, осідаючи на тонких предметах, має пухнастий вигляд і складається з кристалів, що легко осипаються при струшуванні.

Щільність кристалічної паморозі дуже мала. Росте вона повільно, приблизно 1 мм за годину; величина відкладу не перевищує в середньому 1 см і тільки в деяких випадках може досягати декількох сантиметрів товщини.

При підвищенні температури повітря чи зниження відносної вологості кристалічна паморозь осипається. Руйнування її відбувається також під дією вітру.

Паморозь часто плутають з інеєм. Однак між цими опадами існує велика різниця. Іній утворюється переважно в нічні години за ясної та тихої погоди, а паморозь може утворитися в будь-яку годину доби, звичайно в похмуру, туманну погоду. Іній утворюється, як правило, на горизонтальних поверхнях, що охолоджуються шляхом випромінювання найбільше вночі, а паморозь - переважно на вертикальних поверхнях.

Сприятливий вплив паморозі на рослини може проявитися у тому, що при таненні її виділяється додаткова кількість вологи.



Ожеледиця. Ожеледиця представляє собою шар щільного прозорого чи мутного льоду, що утворюється на поверхні землі, деревах й інших предметах, переважно з навітряної сторони. Її поява часто пов’язана з випадінням переохолодженого дощу. Краплини переохолодженого дощу при дотику з охолодженими нижче 0º земною поверхнею чи земними предметами замерзають, утворюючи на них шар прозорого гладкого льоду. Ожеледиця може також виникнути в результаті осадження рясного туману на поверхнях, охолоджених нижче 0º.

Іноді утворенню ожеледиці передує випадіння звичайного дощу (не переохолодженого) на сильно охолоджену поверхню. В цьому випадку ожеледиця відкладається тонким шаром й існує не тривалий час. При тривалому випадінні дощу утворена кірка льоду тане.

Частіше всього ожеледиця спостерігається пізньою осінню чи весною при температурах від 0 до –5º, однак можливість її утворення не виключена і при більш низьких температурах повітря. Щільність ожеледиці буває різною та звичайно коливається в межах від 0,5 до 0,9.

Прозорість ожеледиці залежить від величини краплин, з яких вона утворюється, та від температури повітря: чим менші краплини та чим нижча температура повітря, тим менша його прозорість. При дуже дрібних краплинах і низьких температурах ожеледиця має малу щільність і набуває матового вигляду.

В деяких випадках на утвореному шарі ожеледиці може відбуватися сублімація водяної пари та відкладення зернистої паморозі, в результаті чого виходить складний вид обледеніння непрозорого вигляду.

Ожеледиця – небезпечне та шкідливе для народного господарства явище природи. Намерзаючи щільною кіркою на різних поверхнях, вона не рідко призводить до псування садів, порушення телеграфного зв’язку, руйнування ліній електропередач, стає гальмом у роботі залізничного й автомобільного транспорту. Дуже шкідливий вплив чинить ожеледиця на окремі галузі сільського господарства. В умовах відгінно-пасовищного тваринництва наявність її перекриває доступ тварин до трави. Під шаром ожеледиці також може відбутися загибель озимих культур.



Рідкий і твердий нальоти. Рідкий наліт представляє собою рясний водяний осадок, який утворюється переважно на вертикальних поверхнях з навітряної сторони. Виникає він у тих випадках, коли після помірних холодів приходе тепле та вологе повітря. При таких умовах рухоме повітря, дотикаючись до вихолоджених предметів (при температурі вище 0º), охолоджується та відкладає на них краплі води, що покривають тонким шаром вертикальні поверхні.

Рідкий наліт осідає на кам’яних стінах, стволах дерев, стовпах і т. п.

Якщо після сильних морозів наступає різке потепління, то на вертикальних поверхнях, охолоджених до від’ємних температур, утворюється твердий наліт, який є білим, напівпрозорим і кристалічної будови. Умови утворення його аналогічні до умов утворення рідкого нальоту з тією різницею, що твердий наліт утворюється на поверхнях, охолоджених нижче точки 0º.

Твердий наліт відкладається звичайно на масивних стінах кам’яних будівель, що мають велику теплоємкість, температура яких тривалий час залишається значно нижче температури повітря.



Твердий і рідкий нальоти утворюються звичайно при похмурій погоді. Відклад нальоту може відбуватися в будь-який час доби. Появі рідкого та твердого нальотів сприяє наявність у повітрі краплин туману чи серпанку. На тонких предметах, що швидко сприймають температуру повітря (проводах й ін.), твердий і рідкий нальоти не утворюються.



База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка