Вода в атмосфере, фото

Вода в атмосфере. Урок 15

Вода в атмосфере, находится в трёх состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. По сравнению с другими частями гидросферы, содержащаяся в воздухе вода, составляет очень небольшую долю, всего 0,001%. Но значение этой части велико. Газообразное состояние оксида водорода – водяной пар – участвует в образовании парникового эффекта, в поглощении и дифракции солнечного излучения. Путешествуя с воздушными потоками, вода переносится во все уголки Земли.

В атмосфере всегда есть водяной пар, даже над самыми сухими районами в мире. Его может быть много, достаточно или мало, поэтому воздух может быть влажным, нормальным или сухим.

<!— Реклама —>


Водяной пар не имеет цвета, запаха и вкуса, содержится в тропосфере. Например, при температуре +27°С в 1 м³ может содержаться максимум 23 г водяного пара. При температуре -33°С его может быть в воздухе лишь 0,2 г. т. е. в 115 раз меньше. Остальная его часть переходит в жидкое или твёрдое состояние.

Так как температура воздуха с высотой понижается, то быстро убывает в нём и количество водяного пара. С этим свойством воды связаны многие процессы – конденсация, образование различных форм облаков, выпадение осадков.

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.

Вода в атмосфере, облака над Амазонией, фото
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: 12х1023 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, фото
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.

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.

Гигрометр и термометр фото
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.

Вода в атмосфере: туманы

Туман – это атмосферное явление, представляющее собой скопление мелких (от 0,5 до 100 мкм) капелек воды или кристалликов льда вблизи поверхности воды или суши, понижающих горизонтальную видимость до 1 км. Он стелется по земле, образуя слой от нескольких до десятков и даже сотен метров. По условиям образования туманы условно делятся на туманы испарения, охлаждения и городские.

В Арктике в течение года бывает до 80 дней с туманами, так же много их и рядом с островом Ньюфаундленд. Большим количеством туманных дней отличаются Курильские острова  и западные побережья материков в тропических широтах (до 40 дней в году). На экваторе и рядом с ним таких дней меньше, около 20. Меньше всего дней с туманами наблюдается над тропическими пустынями (до 5).

Вода в атмосфере: туман, фото
Туман — это вода в атмосфере

Разнообразие туманов

При определённых условиях водяной пар воздуха конденсируется и остаётся в подвешенном состоянии в воздухе. Для образования тумана нужно, чтобы:

  • в атмосфере были ядра конденсации – аэрозольные частицы в виде капель растворов солей и кислот, твёрдых частиц, растворимых в воде или смачиваемых в ней (почвы, горные породы, дым).
  • водяной пар стал насыщенным или перенасыщенным.

Туманы охлаждения

Главное условие образования туманов охлаждения – воздух должен быть изначально теплее подстилающей поверхности. Появляются в результате охлаждения поверхности, а от неё и воздуха (радиационные), или при вторжении тёплой воздушной массы на холодную подстилающую поверхность (адвективные туманы).

Они возникают:

  • если воздушные массы нагреваются от реки и передвигаются в сторону заснеженной земли. Или нагретая над берегом воздушная масса передвигается к морю и охлаждается;
  • если получивший тепло от воды воздух поднимается по склонам гор. Там он охлаждается, влага в нём конденсируется и затуманенный тяжёлый воздух спускается снова к реке;
  • когда нагретая за день земля остывает быстрее воздуха, который отдавая тепло земле, охлаждается.

Туманы испарения

Возникают при наличии более тёплой по сравнению с воздухом поверхности. Пары воды, испаряясь с неё, охлаждаются и конденсируются.

  • Предположим, что имеется хорошо прогреваемый Солнцем водоем (пруд, озеро, мелководная бухта). За ночь воздух над поверхностью воды охлаждается в большей степени, чем сама вода; его температура оказывается заметно меньше. Над водой возникает утренний туман испарения. Он весьма нестоек. Взойдет Солнце, и он быстро исчезнет.
  • Холодный воздух переносится ветром в горизонтальном направлении и оказывается над теплой водой. И тут же над водой начинает образовываться туман. Такой туман можно наблюдать, например, в Арктике, когда массы холодного воздуха над льдами перемещаются на открытую воду.

Городские туманы (смог)

Это туманы, смешанные с дымом и газом. Выделяют:

  • влажный Лондонский туман (с продуктами горения);
  • сухой Лос-Анджелесский (с выхлопами автомобилей);
  • ледяной Аляскинский смог.

В Москве смог от автомобилей, в Якутске зимой из-за отопительных систем.

Лондонский туман, фото
Туман в Лондоне

Искусственное воздействие на туманы

Туман опасен для тех, кто находится в пути. Во время сильных туманов все виды транспорта замедляют или вовсе прекращают своё движение. Особенно они сказываются на работе авиации. При видимости менее 1,5 км почти никто из лётчиков не решается на посадку и взлёт.

В аэропортах при прогнозе тумана в борьбу с ним вступает отряд, который вылетая на специальном самолёте, засеивает его углекислотой (сухой лёд, которым охлаждают мороженое), при помощи установки называемой «Метелью». Температура в облаках тумана понижается и выпадает снег. Туман рассеивается через 40-45 мин.

Вода в атмосфере: облака

Как и туманы – облака представляют собой скопление капель воды, кристалликов льда, но могут состоять и из того и другого сразу. Строго говоря, на туман похожи лишь слоистые облака, остальные 9 форм облаков отличаются не только по строению, но и по процессам, связанным с их образованием.

Облака фото

Облачность – одна из характеристик погоды. Она измеряется в баллах от 0 до 10. Для определения нижней и верхней границ облаков и для оценки степени концентрации аэрозольных частиц в воздухе используют прибор облакомер. Скорость и направление движения облаков измеряют при помощи нефоскопа. Степень облачности производят на глаз при помощи таблиц. На аэродромах степень облачность измеряют датчиками. В авиации принята другая шкала оценки этого показателя – октанты (1 октант – это 1/8 видимого неба).

Таблица для определения облачности, фото
Таблица для оценки облачности

В отличие от туманов, облака весьма изменчивы. В них постоянно происходят превращения воды. Водяные капли растут, сливаясь с другими, выпадают в виде осадков, блуждают внутри облака, испаряются или разбиваются на более мелкие капли.

Развивающееся облако пронизано восходящими воздушными потоками, рождающими все новые и новые капли воды, которые этими же потоками подхватываются и уносятся вверх. Увлекаемые восходящими потоками воздуха водяные капли кристаллизуются, превращаясь в льдинки. А льдинки опускаются вниз, сублимируя (превращаясь в пар) и плавясь (становясь каплями воды).

Как и туманы, облака возникают в результате конденсации водяного пара в жидкое и твердое состояния. Подобно туманам, облака образуются вследствие увеличения абсолютной влажности воздуха и в результате понижения его температуры. В образовании облаков последовательно участвуют оба указанных фактора.

Понижение температуры воздуха обусловлено, во-первых, подъемом (восходящим движением) воздушных масс и, во-вторых, адвекцией воздушных масс — их перемещением в горизонтальном направлении, благодаря которому теплый воздух, переместившись, может оказаться над холодной земной поверхностью. Такой процесс существенно отличается от образования тумана — ведь туман практически не поднимается вверх, он остается непосредственно у земной поверхности.

Рассмотрим четыре причины, обусловливающие восходящее движение воздушных масс.

  • Первая причина — конвекция воздуха в атмосфере. В жаркий день солнечные лучи сильно прогревают земную поверхность, она передает тепло приземным массам воздуха — и начинается их конвективный подъем. Так возникают облака конвективного происхождения. Кучевые и кучево-дождевые облака имеют чаще всего именно такое происхождение.
  • Вторая причина подъема воздушных масс обусловлена рельефом местности. Ветер, дующий вдоль земной поверхности, может встретить на своем пути горы или иные природные возвышения. Преодолевая их, воздушные массы вынуждены подниматься вверх. Образующиеся в данном случае облака называют облаками орографического происхождения (от греческого слова oros, означающего «гора»). Понятно, что такие облака не получают существенного развития в высоту (она ограничена высотой преодолеваемого воздухом возвышения); в этом случае возникают слоистые и слоисто-дождевые облака.
  • Третья причина подъема воздушных масс — возникновение теплых и холодных атмосферных фронтов. Образование облака происходит особенно интенсивно над теплым фронтом — когда теплая воздушная масса, надвигаясь на холодную, вынуждена скользить вверх по клину отступающего холодного воздуха. Облачность, возникающая над холодным клином, слабо развивается в высоту, но имеет значительную горизонтальную протяженность. Такие облака называют облаками восходящего скольжения. В нижнем и среднем ярусах это слоисто-дождевые и высоко-слоистые облака, а в верхнем ярусе — перисто-слоистые и перистые (понятно, что облака верхнего яруса образуются уже далеко за линией атмосферного фронта). Горизонтальная протяженность облаков восходящего скольжения может измеряться сотнями километров. Образование облаков происходит также и над холодным атмосферным фронтом — когда наступающая холодная воздушная масса поддвигается под массу теплого воздуха и тем самым поднимает ее. В этом случае наряду с облаками восходящего скольжения могут возникать также кучевые облака.
  • Четвертая причина подъема воздушных масс — циклоны. Воздушные массы, двигаясь вдоль поверхности земли, закручиваются к центру депрессии в циклоне. Накапливаясь там, они создают перепад давления по вертикали и устремляются вверх. Интенсивный подъем воздуха вплоть до границы тропосферы приводит к мощному облакообразованию — возникают облака циклонического происхождения. Это могут быть слоисто-дождевые, высоко-слоистые, кучево-дождевые облака. Из всех таких облаков выпадают осадки, создавая дождливую погоду, характерную для циклона.

Классификация облаков по форме

По высоте образования и по форме облака делятся на 4 семейства, а каждое семейство делится на формы, подразделяющиеся в свою очередь на виды, делённые на разновидности . Всё это представлено в «Атласе облаков». Классификацию облаков по форме предложил в XIX в. английский фармацевт Люк Говард.

Виды облаков, фото
Вода в атмосфере: виды облаков.
Автор: Князь-1988

Облака верхнего яруса

В умеренных широтах в теплое время года они образуются обычно на высотах 7–10 км, а в полярных широтах они появляются на высоте высота меньше 5–8 км. В южных широтах облака верхнего яруса обычно наблюдаются на высотах от 10 до15 км. К ним относятся:

  • перистые;
  • перисто-кучевые;
  • перисто-слоистые.

Облака верхнего яруса характеризуются наиболее низкими температурами и состоят из кристаллов льда в форме игл, шестигранных столбиков или пластинок, которые образуются путем сублимации водяного пара на ядрах конденсации. Поэтому эти облака имеют ярко-белый цвет без темныхи серых оттенков.

Вода в атмосфере: перистые облака, фото
Вода в атмосфере: перистые облака

Они обладают рядом общих свойств. Это тонкие, белые, высоко расположенные облака, имеющие вид перьев, волн, сквозь которые просвечивает Солнце и небо. Состоят в основном из кристалликов льда. Осадки из облаков верхнего яруса не выпадают.

Облака среднего яруса

Образуются на высоте от 2 до 6 км. Состоят из капель воды и кристалликов льда. Это:

  • высококучевые;
  • высокослоистые.

Облака среднего яруса состоят из переохлажденных капель воды или переохлажденных капель в смеси с ледяными кристаллами и снежинками. При этом кристаллы в облаках среднего яруса значительно более развиты, чем в облаках верхнего яруса, там содержатся в основном развитые снежинки полной шестилучевой формы. Ледяные иглы, пластинки и столбики содержатся на краях облачных элементов, что вызывает особый вид свечения — иризацию (появление радужной окраски) на краях капельных облаков.

Высококучевые облака выглядят как небольшие белые «барашки». Высокослоистые представляют собой светлую серую пелену. Зимой из них выпадает снег в умеренных широтах, а в высоких широтах круглый год.

Высококучевые облака, фото
Вода в атмосфере: высококучевые облака

При наличии в облачных элементах снежинок и капель переохлажденной воды происходит быстрый рост снежинок и выпадение их в виде осадков. Наличие же переохлажденных капель воды в облачных элементах придает им серый цвет. Сквозь облака среднего яруса солнце просвечивает слабо или вообще не просвечивает.

Слоистые облака, фото
Слоистые облака — вода в атмосфере

Облака нижнего яруса

К облакам нижнего яруса относятся все формы и виды облаков, которые образуются, развиваются и существуют в нижнем слое атмосферы (от 30 м до 2 км). На высоте ниже 2 км образуются:

  • слоистые;
  • слоисто-кучевые;
  • слоисто-дождевые облака.

Слоистые облака выглядят как слоёная пелена серого цвета. Слоисто-кучевые состоят из тёмных волн серого цвета, разделённые светлыми участками. Слоисто-дождевые – сплошной слой тёмно-серого цвета. Из них выпадают моросящие или обложные осадки.

Кучево-дождевые облака, фото
Кучево-дождевые облака.
Автор: Fir0002

Облака вертикального развития

Они могут достигать высоты в 18 км. К ним относятся:

  • кучевые;
  • кучево-дождевые.

Напоминают гряды, клубы тёмно-серого цвета.

Все виды кучевых облаков образуются только в тёплое время года.

В горах, над полярными территориями, над океанами и морями образуются особые формы облаков, например над горами появляются кучево-дождевые волосатые облака с наковальней, фёновая стена облаков, облачные шапки.

Вода в атмосфере: кучево-дождевые облака, фото
Вода в атмосфере: кучево-дождевые облака с наковальней

Стратосферные и мезосферные облака

Перламутровые облака представляют собой очень тонкие просвечивающие скопление, образующиеся на высотах около 22–30 км. По форме они схожи с чечевицеобразными, нередко имеют радужную окраску, обусловленную дифракцией света на частицах облаков. Предполагают, что они состоят из мелких переохлажденных капель воды и кристаллов льда.

Вода в атмосфере: перламутровые облака, фото
Вода в атмосфере: перламутровые облака.
Автор: Загрузка файла Bot (Magnus Manske)

В сумерках перламутровые облака бывают настолько яркими, что на земле предметы отбрасывают тень. Вечером по мере захода солнца за горизонт расцветка постепенно бледнеет, свечение исчезает. С наступлением утренних сумерек облака снова начинают светиться.

<!— Реклама —>


Наблюдаются крайне редко, преимущественно в горных странах зимой и в полярных широтах.

Серебристые, или мезосферные, облака образуются в районе мезопаузы на высотах около 82 км. Похожи на перистые или перисто-слоистые облака очень тонкой нежной структуры. Отличаются большой яркостью, но полностью прозрачны. Звезды просвечивают сквозь них, не теряя яркости. Имеют характерный шелковистый отлив и голубовато-белый (серебристый) цвет.

Вода в атмосфере: серебристые, или стратосферные облака, фото
Вода в атмосфере: серебристые облака.
Автор: KairoK

Происхождение и микроструктура этих облаков не ясны. Предполагалось, что они состоят из вулканической пыли, однако оптические явления, типичные для вулканических облаков, при наблюдениях за серебристыми облаками не отмечались.

Тест по теме: «Вода в атмосфере»

1. Количество водяного пара в 1 м³ воздуха называется:

а) влажностью воздуха;

б) абсолютной влажностью воздуха;

в) относительной влажностью воздуха.

 
 
 

2. Если воздух не может вместить больше водяного пара, чем он уже содержит, то он называется:

а) влажным;

б) насыщенным;

в) ненасыщенным.

 
 
 

3. Облака от поверхности Земли сменяются в следующем порядке:

а) слоистые, кучевые, перистые;

б) кучевые, слоистые, перистые;

в) кучевые, перистые, слоистые.

 
 
 

4. Где на Земле зафиксирована относительная влажность воздуха 0%?

а) в пустыне сахара;

б) в Антарктиде;

в) на экваторе;

г) на земной поверхности нет точек с относительной влажностью 0%.

 
 
 
 

5. Какие облака состоят из ледяных кристаллов и не дают осадков?

а) кучевые;

б) слоистые;

в) перистые;

г) кучево-слоистые.

 
 
 
 

6. Определите относительную влажность воздуха при температуре +20°С, содержащего в 1 м³ 17 г водяного пара.

7. Укажите верное утверждение.

а) В тёплом воздухе водяного пара содержится больше, чем в холодном.

б) В тёплом воздухе водяного пара содержится меньше, чем в холодном.

в) Ни тёплый, ни холодный воздух не содержат водяного пара.

г) Холодный и тёплый воздух содержат одинаковое количество водяного пара.

 
 
 
 

8. Какое явление происходит при охлаждении насыщенного водяным паром воздуха?

а) конденсация;

б) испарение;

в) таяние;

г) плавление.

 
 
 
 

9. Как называется отношение между количеством водяного пара, фактически содержащегося в воздухе, и количеством водяного пара, который может содержать воздух при определённой температуре?

а) абсолютная влажность;

б) влажность воздуха;

в) относительная влажность;

г) максимальная влажность воздуха.

 
 
 
 

10. Какие облака в тропосфере не образуются?

а) перистые;

б) слоистые;

в) кучевые;

г) перламутровые.

 
 
 
 

11. Какой прибор используют для измерения относительной влажности воздуха?

а) гигрометр;

б) термометр;

в) осадкомер;

г) барометр.

 
 
 
 

12. На метеостанциях 1, 2 и 3 одновременно проводят измерения содержания водяного пара в 1м³ воздуха и определяют относительную влажность воздуха. Полученные значения показаны в таблице. Расположите эти метеостанции в порядке повышения температуры воздуха на них в момент проведения указанных измерений (от наиболее низкой к наиболее высокой).

Ответ запишите в виде последовательности цифр без запятых и пробелов.

Метеостанция Содержание водяного

пара в 1м³ воздуха, г

Относительная

влажность воздуха, %

1 1,9 10
2 1,9 20
3

 

1,9 30

13. Определите относительную влажность воздуха, если при температуре + 20°С он содержит 8,5 г в 1 м³ водяного пара.

14. Какие облака образуются только в тёплое время года?

а) перистые;

б) кучевые;

в) слоистые;

г) перламутровые.

 
 
 
 

15. Воздух в наибольшей степени насыщен водяным паром при относительной влажности:

а) 40%;

б) 81%;

в) 98%;

г) 65%.

 
 
 
 

16. Для того, чтобы утром выпал туман надо, чтобы воздух за ночь:

а) охладился;

б) нагрелся.

 
 


Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.