Вода в атмосфере Земли

Вода на Земле находится не только в жидком состоянии. Помимо твердых ледников есть ещё водяной пар, находящийся в атмосфере. На его долю приходится только 0,001% всей воды на Земле, однако значение водяного пара для жизни на Земле сложно переоценить.

Вода в атмосфере появляется за счет испарения с поверхности океанов и суши. Расчеты показывают, что в течение года океаны отдают в атмосферу около 450 тыс. куб. км воды. Это значит, что они теряют слой воды толщиной примерно 1,25 м. Ещё 71 тыс. куб. км воды попадает в атмосферы с поверхности суши. Одновременно примерно тот же объем выпадает на Землю в виде осадков, поэтому уровень воды в океане не меняется из-за ее испарения.

Влагооборот

При помощи энергии солнца и под действием силы тяжести вода совершает непрерывное путешествие. Этот процесс называется влагооборотом, но не круговоротом, так как он незамкнут. В результате происходит образование облаков и выпадение осадков.

Всё начинается с испарения – перехода воды из жидкого состояния в газообразное. Испаряется вода как с поверхности водоёмов, так и суши, хотя разные участки Земли характеризуются неодинаковой степенью испаряемости. Много воды поставляют в атмосферу растения путём транспирации. Например, леса Амазонии сами формируют климат своей местности, образуя облака и стимулируя частые осадки.

Испарение идёт всегда, но с повышением температуры оно усиливается, на его скорость также влияет и ветер – чем сильнее ветер, тем больше испарение.

В Амазонии облака появляются благодаря транспирации

В процессе испарения, используя энергию солнечной радиации, молекулы воды преодолевают силы молекулярного притяжения и поступают в воздух. Вода, отдавая часть молекул, остывает, так например, за счёт испарения пота с поверхности нашей кожи в жару наш организм борется с перегреванием.

Для испарения 1 г воды при температуре 0°С требуется энергия в 2495 Дж, а 1 г льда – 2830 Дж. На Земле на испарение затрачивается огромное количество теплоты: 12х10

23

Дж/год, или 25% всей солнечной энергии, достигающей поверхности Земли.

Вода быстрее переходит в газообразное состояние с поверхности пресных водоёмов, чем с солёных, так как скорость испарения растворов выше. Рыхлая почва, лишённая капилляров испаряет меньше влаги, чем плотная, больше всего воды атмосфера получает с глинистой почвы.

Нагретый, обогащённый водяным паром приземный воздух, поднимается. В верхних слоях тропосферы температура его понижается, и содержание водяного пара становится предельно возможным (воздух достигает точки росы). Тогда происходит конденсация и образование облаков.

Влагооборот

Облака состоят из взвешенных в воздухе водяных капель, льдинок или того и другого. Пока они малы и легки, их поддерживают восходящие потоки воздуха. Укрупняясь, они выпадают на землю в виде осадков.

Абсолютная и относительная влажность воздуха

Высокая влажность воздуха будет в той местности, где больше водоемов и растений, где выше температура, а значит теплее воздух. Но, теплый воздух не всегда будет содержать большое количество влаги, в пустынях, например, влаге просто неоткуда взяться.
Влажность воздуха может быть абсолютная и относительная.

Определение 3

Абсолютная влажность – это количество воды в граммах, содержащееся в $1$ куб. метре воздуха.

Воздух будет считаться насыщенным, если он при данной температуре может содержать максимальное количество поглощенной влаги. Поэтому понятно, что насыщенный воздух при температуре $0^\circ$ будет содержать водяных паров меньше, чем насыщенный воздух при температуре $30^\circ$.

Определение 4

Относительная влажность воздуха – это отношение абсолютной влажности к тому количеству воды, которое воздух может содержать при данной температуре.

Относительная влажность измеряется в процентах, например, влажность в $70\%$ говорит о том, что насыщение воздуха составляет $70\%$ от максимально возможного при данной температуре.

Для организма человека оптимальной будет относительная влажность $40-60\%$. Низкая влажность создает иллюзию восприятия температуры – кажется, что воздух гораздо холоднее, чем на самом деле и наоборот.

Замечание 2

Представление о состоянии и особенностях воздушных масс дает важнейший показатель – абсолютная влажность воздуха. Её величину надо отличать от относительной влажности, которая показывает долю водяного пара в процентах. Абсолютная же влажность – это фактическое количество водяного пара в граммах, содержащееся в $1$ куб. метре воздуха.

Влажность воздуха имеет большое значение для живых организмов. Маленькая относительная влажность ускоряет испарение и отрицательно сказывается на растительном и животном мире. Высокая влажность затрудняет испарение и при высокой температуре может привести к перегреву организма. Измеряют относительную влажность с помощью специальных приборов – гигрометров.

Влажность воздуха

Количество выпадающих осадков зависит от влажности воздуха, т. е. от содержания в нём водяного пара. Она характеризуется несколькими величинами, но в географии и метеорологии самые важные из них три:

• абсолютная влажность;
• максимальная влажность;
• относительная влажность.

Абсолютная влажность воздуха (а) – это фактическое количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м³ воздуха в какой-то момент. Она измеряется в миллиметрах или миллибарах.

Максимальная влажность воздуха (E) – максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в 1 м³ при данной температуре.

Отношение абсолютной влажности воздуха к максимальной, выраженное в процентах, называется относительной влажностью (ч). Например, в 1 м³ воздуха содержится 10 мм водяного пара, а при данной температуре его могло бы содержаться 25 мм. При этом высчитать относительную влажность воздуха можно следующим образом: (10 мм:25 мм)х100%=40%. Это значит, что воздух насыщен водяным паром на 40%, до полного насыщения не хватает ещё 60%.

Для измерения влажности воздуха используют гигрометр. Действие гигрометра основано на способности человеческого волоса поглощать влагу, от чего длина волоса несколько увеличивается. Изменение длины волоса передается стрелке, которая на шкале показывает влажность воздуха в процентах.

Портативная метеорологическая станция измеряет температуру и влажность.
Автор: Conant

Чем больше относительная влажность воздуха, т. е. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков. Поднимаясь вверх и охлаждаясь, такой воздух быстрее достигнет точки росы – температуры, при которой его относительная влажность становится равной 100% и происходит конденсация.

Зависимость количества водяного пара в насыщенном воздухе от его температуры (точка росы)
Температура воздуха	Количество водяного пара в насыщенном воздухе
— 20°С	1 г
-10°С	2,5 г
0°С	5 г
10°С	9 г
20°С	17 г
30°С	30 г

Решение задач по теме «Влажность воздуха»

Задача 1

Сколько граммов водяного пара может вместить 1 м³ насыщенного воздуха при его нагревании от 0°С до +10°С?

При 0°С насыщенный водяной пар может вместить 5 г водяного пара, при 10°С оно должно увеличиться до 9 г. Чтобы узнать насколько оно увеличиться, нужно найти разность между наибольшим и наименьшим значениями.

9-5=4 (г)

Ответ: при нагревании воздуха от 0 до 10°С воздух может вместить ещё 4 г водяного пара.

Задача 2

Является ли воздух насыщенным, если при температуре +20°С 1 м³ его содержит 7 г водяного пара?

Ответ: нет, до насыщения ему не хватает 10 г, см. таблицу.

Задача 3

Произойдёт ли конденсация водяного пара при охлаждении 1 м³ воздуха, содержащего 7 г водяного пара до температуры +10°С?

Ответ: нет, так как воздух будет ненасыщенным.

Задача 4

При температуре равной +30°С в воздухе содержится 30 г водяного пара. Это насыщенный воздух, данные можно выразить в процентах — 100%. А если при такой же температуре воздух содержит 17 г водяного пара, какова относительная влажность воздуха?

Решение:

30 г — 100%

17г — Х%

Зная правила пропорции решаем задачу, находим х.

Х=17х100/30=56%

Ответ: относительная влажность воздуха составляет 56%

Задача 5

Определите абсолютную влажность воздуха, если относительная при температуре +20°С равна 50%.

Решение:

При температуре +20°С в воздухе может содержаться максимум 17 г водяного пара – 100%, значит:

17:2=8,5 г/м³

Ответ: 8,5 г/м³

Влажность воздуха с содержанием водяного пара равного 30-60% считается нормальной, ниже 30% – низкой, выше 60% – высокой. Высокая и низкая влажность затрудняют дыхание человека, приводят к перегреванию или переохлаждению организма. При отсутствии центров конденсации воздух может быть пересыщенным водяным паром.

Конденсируясь, вода в атмосфере становится видимой в форме облаков и туманов.

Гидрологический цикл.

Вода в природе находится в постоянном движении. С поверхности земли, морей, рек, озер и океанов она испаряется в атмосферу. С поверхности океанов ежегодно испаряется 5,05·10

8

Мт, а с поверхности материков 0,72·10

8

Мт воды. В атмосфере вода переносится над поверхностью земли воздушными массами, конденсируется и возвращается на землю в виде осадков. Часть вернувшейся воды впитывается в землю, часть вновь испаряется, часть попадает в реки и течет к океану, чтобы в конце концов испариться с его поверхности в атмосферу Земли. Этот процесс называется гидрологическим циклом.

В гидрологическом цикле участвует около 12-14 тыс. км

3

воды. Если равномерно распределить всю эту воду по поверхности земного шара, то получится слой толщиной 25 мм.

Составляющие годового водного баланса океана, суши и всей Земли.

В целом для земного шара характерно равенство объемов осадков и испарения, по 577,1 тыс. км

3

/год, однако как выпадение осадков, так и испарение между сушей и океанами распределено неравномерно.

На сушу в виде осадков ежегодно выпадает 119,1 тыс. км

3

воды. Из них 72,3 км

3

воды обратно испаряется в атмосферу Земли, а оставшиеся 46,8 км

3

– стекают в океан. Т.е., над сушей количество воды, выпадающей в виде осадков, больше, чем количество испаряющейся воды. Над поверхностью океанов мы наблюдаем обратную картину: количество испаряющейся воды больше количества осадков за счет тех самых 46,8 км

3

воды, которые стекают в океан с суши.

Таким образом, благодаря гидрологическому циклу и постоянной циркуляции воды в природе, осадков на Земле выпадает в 40 раз больше, чем содержится водяного пара в атмосфере.

Таблица 1. Составляющие годового водного баланса океана, суши и всей Земли

Элементы водного баланса	Объем, тыс.км 3 /год	Слой, мм/год	%
Земной шар (площадь — 510·10 6 км 2 )
Осадки	577,1	1130	100
Испарение	577,1	1130	100
Суша (площадь — 149·10 6 км 2 )
Осадки	119,1	800	100
Сток	46,8	315	39,3
Испарение	72,3	485	60,7
Мировой океан (площадь — 361·10 6 км 2 )
Осадки	485	1270	90,7
Сток	46,8	130	9,3
Испарение	504,8	1400	100

Единицы измерения содержания воды в атмосфере Земли.

Парциальное давление водяного пара.

Парциальное давление (гПа) – давление отдельно взятого компонента в газовой смеси, в нашем случае, паров воды в атмосфере. Т.е., парциальное давление водяного пара – это давление, которое имел бы водяной пар, если бы он занимал объем, равный объему газовой смеси, в которой он находится (при той же температуре).

Газы всегда вытекают из области с высоким парциальным давлением в область с более низким давлением; и чем больше разница, тем быстрее поток.

При повышении температуры воздуха, процесс испарения становится все интенсивнее, в воздух поступает все большее количество молекул воды, и парциальное давление паров воды увеличивается.

Когда достигается равновесие между количеством молекул, покидающих воду и возвращающихся в нее, давление становится равновесным, а пар – насыщенным. При новом повышении температуры для поддержания насыщенности водяного пара, необходимо новое поступление молекул воды в воздух.

• Таким образом, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара может содержаться в воздухе и тем выше равновесное парциальное давление пара.

При понижении температуры воздуха начинается отток молекул воды из атмосферы Земли. Это происходит путем конденсации паров воды. Так, при охлаждении температуры воздуха, под утро выпадает роса, а если подморозит, то образуется иней.

Абсолютная влажность воздуха

Абсолютная влажность воздуха (г/м

3

) – масса водяного пара в граммах, содержащаяся в 1 куб. м. воздуха. Другими словами, это плотность водяного пара в воздухе.

Абсолютная влажность воздуха зависит от температурного режима и переноса (адвекции) влаги с океаническими массами воздуха. При одной и той же температуре воздух может поглотить вполне определенное количество водяного пара и достичь состояния полного насыщения.

Абсолютная влажность воздуха в состоянии его насыщения носит название влагоёмкости. Влагоемкость воздуха увеличивается с повышением температуры.

Зависимость количества водяного пара в насыщенном воздухе от температуры воздуха.

Упругость водяного пара.

Упругость водяного пара в атмосфере — парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе; выражается в мбар или мм рт. ст. (по системе СИ — в гПа). Упругость водяного пара зависит от количества водяного пара в единице объёма и является одной из характеристик влажности воздуха.

Упругость водяного пара у земной поверхности может быть около нуля (в Антарктиде, зимой в Якутии, иногда в пустынях) и до 30—35 мбар вблизи экватора. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость водяного пара понижена до 5—10 мбар. С высотой упругость пара быстро убывает — в 2 раза в нижних 1,5 км и почти до нуля на верхней границе тропосферы.

Максимальные значения упругости водяного пара и абсолютной влажности воздуха при различных температурах воздуха.

Температура воздуха, °С	Максимальная упругость водяных паров Е, мм рт. ст.	Максимальная абсолютная влажность воздуха fмакс, г/м 3
— 25	0,47	0,55
— 20	0,77	0,88
— 15	1,24	1,38
— 10	1,95	2,14
— 5	3,01	3,24
0	4,58	4,84
5	6,54	6,84
10	9,21	9,4
15	12,79	12,8
20	17,54	17,3
25	23,76	23,0
30	31,82	30,3

Относительная влажность воздуха

Относительная влажность воздуха (%) – отношение фактически содержащегося в воздухе пара к максимально возможному (насыщенному) при данной температуре. Например, если относительная влажность равна 100%, то можно сказать, что воздух максимально заполнен парами воды. Если же относительная влажность воздуха равна 10%, то паров воды в атмосфере находится всего 10% от максимально возможного.

При низкой относительной влажности и высокой температуре воздух стремится к насыщению, поэтому процессы испарения воды идут очень интенсивно: быстро сохнет белье, высыхают лужи, испаряются реки и др. Человек легче переносит жару в условиях низкой относительной влажности воздуха, так как пот с поверхности тела испаряется очень быстро, тем самым принося ощущение прохлады.

Воздух в зависимости от насыщения водяными парами бывает:

• сухой — до 55%,
• умеренно сухой — от 56 до 70%,
• умеренно влажный — от 71 до 85%,
• очень влажный — выше 86%.

Влияние влажности воздуха на организм человека:

Сухой воздух :

• Вызывает усиленное испарение влаги с кожи, растений и предметов мебели.
• Сухая слизистая носа – причина частых насморков и ОРЗ.
• Кожа стареет и теряет эластичность, что влияет на обмен веществ.

Повышенная влажность:

• При высокой температуре способствует перегреванию организма, а при низкой — переохлаждению.
• Так как вода лучше проводит тепло, чем воздух, нам холоднее при высокой влажности, чем при низкой.

Облака в атмосфере

Атмосферная вода имеет три агрегатных состояния – газообразное (водяной пар), жидкое (осадки в виде дождя), твердое (снег, лед).Облака образуются в результате конденсации водяного пара, когда относительная влажность приближается к $100\%$ – вода из газообразного состояния переходит в жидкое состояние. Отрицательная температура позволяет воде миновать жидкое состояние и превращает её в твердые кристаллики льда и снега – происходит сублимация водяных паров.

Сублимация и конденсация водяного пара являются причинами образования осадков.Образование облаков связано с конденсацией водяного пара на высоте от десятков до сотен метров и даже километров. Облака содержат значительное количество воды, несмотря на кажущуюся легкость. Если учесть размеры облаков, а это десятки кубических километров, то в виде капелек или кристалликов льда одно облако может содержать сотни тонн воды. С помощью воздушных потоков они непрерывно переносят огромные водные массы над Землей, вызывая перераспределение тепла и влаги.

На разнообразную форму облаков влияние оказывают многие факторы:

• Высота;
• Скорость ветра;
• Влажность воздуха.

Есть облака сходные по форме и по высоте и их объединяют в группы:

• Кучевые облака;
• Перистые облака;
• Слоистые облака

Выделяют и разновидности облаков:

• Слоисто-кучевые;
• Перисто-слоистые;
• Слоисто-дождевые и др.

Определение 5

Облака темно-фиолетового или черного цвета, перенасыщенные водяным паром, называют тучами

В разное время небо по-разному может быть покрыто облаками.

Определение 6

Облачность – это степень покрытия неба облаками, выраженная в баллах от $1-10$

Выпадение осадков, как правило, предвещает высокая степень облачности и, конкретно, высокослоистые, кучево-дождевые и слоисто-дождевые облака.

Теплые и холодные воздушные массы «сражаются» между собой за свободное пространство. Когда они сходятся, т.е. конвергируют, образуются большие гряды облаков. Форму облаков определяют восходящие потоки воздушных масс. Восходящие потоки воздуха со скоростью $5-10$ см/с приводят к образованию слоистых облаков. Воздушные потоки, поднимающиеся со скоростью до $100$ км/час, приводят к образованию кучевых облаков.

По высоте, согласно международной классификации, облака делятся на 4 класса:

• Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые);
• Облака среднего яруса (высоко-кучевые, высоко-слоистые;
• Облака нижнего яруса (слоисто-дождевые, слоисто-кучевые, слоистые);
• Облака вертикального развития (кучевые, мощно-кучевые, кучево-дождевые-грозовые).

Облачный покров Земли достаточно велик. В среднем облаками покрыто около половины всего неба.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...