Meteorologia...

#

1

Dział 4: Woda w atmosferze

____________________________________________________________________________
____

Zagadnienia

Procesy cyklu hydrologicznego. Zasoby wodne świata, obieg wody w przyrodzie.
Przemiany fazowe, równowaga fazowa. Procesy termodynamiczne w atmosferze:
ochładzanie przy stałym ciśnieniu, mieszanie, rozprężanie adiabatyczne. Charakterystyki
wilgotności powietrza.

____________________________________________________________________________
____

Cele

Po zapoznaniu się z materiałem tej części wykładu, powinieneś / powinnaś:
- umieć opisać podstawowe procesy cyklu hydrologicznego
- orientować się co do wartości liczbowych, charakteryzujących zasoby wodne świata i
obieg wody w przyrodzie
- znać pojęcie równowagi fazowej i umieć opisać zjawiska towarzyszące przemianom
fazowym wody
- umieć scharakteryzować przebieg podstawowych procesów termodynamicznych w
atmosferze
- znać wielkości opisujące ilość pary wodnej w powietrzu (charakterystyki wilgotności
powietrza i związki między nimi)
- znać podstawy fizyczne pomiarów wilgotności powietrza

____________________________________________________________________________
____

Cykl hydrologiczny

Procesy:

•

kondensacja

•

parowanie

•

transpiracja
parowanie z powierzchni gruntu + transpiracja = ewapotranspiracja

•

sublimacja

•

osadzanie (resublimacja)

•

opad

•

zamarzanie i topnienie

Łobocki

Woda w atmosferze

Meteorologia...

#

2

____________________________________________________________________________
____

Zasoby wodne świata

Zasoby wodne świata [%]

(wg. Moran i Morgan: Meteorology: the atmosphere and the science of weather,

MacMillan, 1989)

Oceany

97.2

Pokrywa lodowa i lodowce

2.15

Wody głębinowe

0.62

Jeziora słodkowodne

0.009

Słone jeziora i morza śródlądowe

0.008

Wody gruntowe

0.005

Atmosfera

0.001

Rzeki i strumienie

0.0001

____________________________________________________________________________
__

Obieg wody w przyrodzie

Łobocki

Woda w atmosferze

3 6

6 0

9 6

3 2 0

2 8 4

( d a n e w t y s . k m ³ )

Meteorologia...

#

3

____________________________________________________________________________
____

Przemiany fazowe i stan równowagi faz (nasycenia)

Stan wyjściowy: naczynie
napełniono suchym powietrzem,
po czym nalano wody

Cząsteczki wody uwalniają
się z powierzchni cieczy.
Jednocześnie, pewna ich ilość
trafia w powierzchnię cieczy
i zostaje wychwycona.
Manometr rejestruje wzrastające
ciśnienie pary.

Stadium nasycenia: Ilość cząsteczek wody
powracających do fazy ciekłej równoważy
ilość cząsteczek uwalniających się.

Wyższa temperatura odpowiada
innym warunkom równowagi
dynamicznej - wyższemu
ciśnieniu pary

Łobocki

Woda w atmosferze

Meteorologia...

#

4

Zależność prężności pary wodnej nasyconej od temperatury (nad płaską powierzchnią
wody):

t [

°

C]

-30

-20

-10

0

10

20

30

E

[hPa]

0.5

1.3

2.8

6.1

12.3

23.4

42.4

Dla pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią cieczy:

Łobocki

Woda w atmosferze

Zależność prężności pary wodnej nasyconej od temperatury.

540

.

23

log

9283

.

4

4

.

2937

log

+

−

−

=

T

T

E

w

- 3 0

- 2 0

- 1 0

0

1 0

2 0

3 0

t [ º C

]

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

E

[h

P

a]

Meteorologia...

#

5

Dla pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią lodu:

Ciśnienie pary wodnej nasyconej nad wodą przechłodzoną i nad lodem

t [

°

C]

-20

-10

0

E

w

[hPa]

1.27

2.85

6.1

E

lód

[hPa]

1.03

2.6

6.1

Łobocki

Woda w atmosferze

T

E

lód

2667

550

.

10

log

−

=

Meteorologia...

#

6

Prężność pary wodnej w warunkach równowagi, w stanie nasycenia

zależy także od:

•

krzywizny powierzchni rozdziału faz

•

obecności i stężenia domieszek chemicznych (np. soli)

•

stanu skupienia drugiej fazy (woda czy lód)

Łobocki

Woda w atmosferze

Wykres równowagi faz we

współrzędnych p-T.

p

V

g a z

p a r a

p a r a i c ie c z

p a r a i ló d

l ó d

c ie c z

K

T

p

T

K

sublim

acja

g a z

c ie c z

parow

anie

K

f a z a s t a ł a

top

nie

nie

p

T

Diagram Amagata-Andrewsa.

Meteorologia...

#

7

____________________________________________________________________________

Procesy termodynamiczne w atmosferze

Ochładzanie przy stałym ciśnieniu

•

Rosa i szron

•

Mgły radiacyjne

•

Mgły adwekcyjne

Osiągnięcie punktu
rosy ogranicza dalsze
wychładzanie

Rozprężanie adiabatyczne

•

Chmury

Łobocki

Woda w atmosferze

T

e

T

e

Meteorologia...

#

8

Mieszanie

•

Mgła z wymieszania

•

Smugi kondensacyjne

Łobocki

Woda w atmosferze

T

e

Meteorologia...

#

9

____________________________________________________________________________
____

Charakterystyki wilgotności powietrza

Jak określamy wilgotność?

Wilgotność bezwzględna=

masa pary wodnej

objętość powietrza

tot

v

v

V

m

=

ρ

Wilgotność właściwa=

masa pary wodnej

masa powietrza

v

d

v

m

m

m

q

+

=

Stosunek zmieszania =

masa pary wodnej

masa powietrza suchego

r

m

m

v

d

=

Wilgotność względna =

prężność pary wodnej

prężność pary nasyconej

f

e

E

=

Niedosyt wilgotności = prężność pary wodnej nasyconej

- prężność pary wodnej

D E e

= −

Temperatura punktu rosy:

( )

t

t E t

e

d

=

=

:

Łobocki

Woda w atmosferze

Meteorologia...

#

10

____________________________________________________________________________
____

Metody pomiaru wilgotności powietrza

•

psychrometryczne
(różnice temperatur powierzchni suchych i zwilżonych)

•

kondensacyjne
(wykrycie produktów kondensacji na schładzanej powierzchni)

•

elektryczne
(zmiana własności elektrycznych substancji absorbującej wilgoć)

•

deformacyjne
(zmiana rozmiarów lub kształtu pod wpływem wilgotności

•

optyczne (absorbcja promieniowania)

•

grawimetryczne (zmiana ciężaru absorbera)

•

wolumetryczne (zmiana objętości absorbera)

•

ciśnieniowe (zmiany ciśnienia)

____________________________________________________________________________
____

Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne

1. Wyprowadź równanie wiążące stosunek zmieszania i wilgotność właściwą.

2. Dane są:

wilgotność bezwzględna
ciśnienie i gęstość powietrza
Oblicz ciśnienie parcjalne pary wodnej zawartej w powietrzu.

3. Mając dane: wilgotność względną, temperaturę i ciśnienie powietrza, oblicz wartość

wilgotności właściwej.

4. Wyjaśnij, dlaczego w pogodną i bezwietrzną letnią noc nie należy oczekiwać spadku

temperatury poniżej aktualnej wartości temperatury punktu rosy.

5. Wyjaśnij mechanizm powstawania mgieł z wymieszania.

6.

Jakie ilości pary wodnej w powietrzu (określone wilgotnością bezwzględną) mogą się
znajdować w powietrzu o temperaturze: 0

°

C, 20

°

C, 40

°

C?

Łobocki

Woda w atmosferze