Программная лекция 5 из модуля 1

«ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ. ИСПАРЕНИЕ.

КОНДЕНСАЦИЯ И СУБЛИМАЦИЯ ВОДНОГО ПАРА.

ОБЛАЧНОСТЬ. ОСАДКИ»

 

Процессы испарения, конденсации и сублимации водяного пара имеют огромное значение в природе. Благодаря им происходит кругооборот воды. При этом происходит испарение с поверхности водоемов с последующей конденсацией или сублимацией водяного пара в виде облаков или тумана при достижении состояния насыщение водяного пара в воздухе.

Осадки способствуют самоочищению атмосферного воздуха от загрязняющих веществ. Туманы, наоборот, повышают уровень загрязнения атмосферного воздуха. Поэтому знание условий образования облаков, туманов является необходимым для определения благоприятных и неблагоприятных метеорологических условий для рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

 

◙ Основные положения, которые необходимо знать после изучения данного модулю.

1. общие условия фазовых переходов воды в атмосфере.

2. факторы, которые влияют на скорость испарения.

3. условия образования туч, их классификацию.

4. условия образования туманил.

5. химический состав осадков и их роль в очищении атмосферного воздуха.

6. уметь определить продукты наземной конденсации.

 

ПРОБЛЕМНАЯ ЛЕКЦИЯ 5 Из МОДУЛЯ 1

«ВОДЯНОЙ ПАР в АТМОСФЕРЕ. ИСПАРЕНИЕ.

КОНДЕНСАЦИЯ И СУБЛИМАЦИЯ ВОДНОГО ПАРА.

ОБЛАЧНОСТЬ. ОСАДКИ»

 

ВОДА В АТМОСФЕРЕ

Вода существует везде: в атмосфере она существует в виде пара и скоплений облаков, в земной коре – в трещинах и порах, она наполняет растительные и животные организмы. Она есть всюду, где существует человек и все живое.

По современным приблизительным оценкам масса воды в гидросфере составляет около 1,5∙ 10²¹ т, что отвечает слою воды, который мог бы равномерно укрыть всю поверхность Земли слоем толщиной 3260 м. Общее количество воды, которое принимает участие в кругооборота, составляет 12-14 тыс. км³, что возможно выразить слоем воды толщиной 25 мм, что покроет весь Земной шар.

В сравнении с общим запасом воды, атмосферная влага составляет малую часть. Однако она играет огромную роль в изменениях погоды, во многих перечисленных процессах, которые проходят на земной поверхности, в атмосфере и биосфере.

За год в виде осадков из атмосферы выпадает 577000 км³ воды. На испарение такого количества воды расходуется много тепла. Для всей земной поверхности это составляет 10²⁴ Дж/год, то есть 25 % солнечной энергии, которая поступает на Землю. Во время конденсации водяного пара в атмосфере к ней поступает такое же количество тепла.

Вода, которая нас окружает - это вещество с уникальными свойствами, которые еще полностью не объяснены и не все известные. Анализ обычной воды показывает, что на самом деле это смесь нескольких разновидностей воды с общей формулой H₂O, которые представляют собой соединение изотопов кислорода и водорода. Кроме обычного водорода (Н¹) встречается водород с массой 2 (Н²), которые называют дейтерием (Д), и еще более тяжелый водород с массой 3 (Н³) -тритий (Т). В кислорода выявленные, кроме обычного с атомным весом 16 (О), еще два более тяжелых изотопа: с атомным весом 17 (О¹⁷) и 18 (О¹⁸). Теоретически может существовать 42 разных изотопных разновидности воды, из которых лишь 7 устойчивы, то есть не радиоактивны. Вот их смесь и образует реальную гидросферу. При этом 99,73 % гидросферы составляет обычная вода с молекулярным составом Н₂О¹⁶; 0,04 % - тяжелая кислородная вода состава Н₂О¹⁷; 0,02 % - состава H₂О¹⁸, а также тяжелая вода состава Д₂О. Количество тяжелой воды в смеси разных изотопных разновидностей реальной воды незначительная: на 1 литр естественной воды приходится 0,15 мл Д₂О. Разность в изотопном составе влияет на физические свойства воды. Например, тяжелая вода имеет плотность 1,104 г/см³, кипит при температуре 101,43 °С, а лед из тяжелой воды топится при температуре 3,813°С, она испаряется медленнее, чем обычная вода. Однако в общей массе естественной воды влияние изотопных разновидностей на ее физические свойства неощутимы. Интересно отметить, что в природе нет воды, которая бы отвечала закономерностям, присущим ряду веществ соединений водорода, которые имеют подобную молекулярную структуру. Так, легчайшая из этого ряда соединений вода должна была бы замерзать при –90 °С, а она замерзает про 0 °С, кипеть - при -70°С, а она кипит при 100°С.

Известно, что все жидкости при затвердении образуют вещество всегда большей плотности, чем плотность первичной жидкости. Вода, уменьшаясь в объеме при охлаждении и увеличивая при этом плотность, сначала ведет себя как и все другие жидкости, но достигнув наибольшей плотности при температуре +4 °С, при дальнейшем снижении температуры начинает расширяться, и в особенности сильно (почти на 11 %) увеличивает свой объем при превращении в лед. В результате такого процесса плотность воды при температурах ниже 4 °С, и в особенности льда, оказывается меньшей: лед плавает на поверхности воды. Характер изменения плотности воды создает условия для расслоения (стратификации) воды по плотности подо льдом таким образом, что зимой в пресных водоемах с увеличением глубины вода становится теплее: ее температура от нижней границы льда до дна увеличивается от 0°С до +4°С. Описанный естественный феномен содействует сохранению жизнедеятельности животного и растительного мира водоемов.

Аномальные свойства воды (в разных фазовых состояниях) можно сформулировать так:

- вода имеет наибольшую плотность, которая равняется 10³ кг/м³, при температуре +4 ⁰С. При изменении температуры в ту или другую сторону от +4 ⁰С плотность воды уменьшается. При 0 ⁰С плотность льда составляет 9,1·10⁵ кг/м³;

- теплоемкость вещества при затвердевании изменяется несущественно. Вода же имеет совсем другие свойства. Удельная теплоемкость жидкой воды равняется: С_в = 4186,8 Дж/(кг·град), однако удельная теплоемкость льда составляет: С_л = 2114 Дж/(кг·град), или почти половину теплоемкости воды. Относительно удельных теплоемкостей водяного пара, то они практически не зависят от температуры. Например, теплоемкость водяного пара при постоянном объеме равняется С_v = 2114 Дж/(кг·град),а при неизменном давлении С_p = 1846 Дж/(кг·град);

- поверхностное натяжение воды выше, чем у других известных жидкостей и при температуре 20 ⁰С составляет 72,7·10^-3 Дж/м²;

- теплопроводность воды очень маленькая: при температуре 0 ⁰С она равняется 0,054 Вт/(г·град).