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
A
obocki 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
( d a n e w t y s . k m Å‚ )
6 0
9 6
3 2 0
2 8 4
3 6
A
obocki Woda w atmosferze
Meteorologia...
# 3
____________________________________________________________________________
____
Przemiany fazowe i stan równowagi faz (nasycenia)
Stan wyjściowy: naczynie
napełniono suchym powietrzem,
po czym nalano wody
CzÄ…steczki wody uwalniajÄ…
siÄ™ z powierzchni cieczy.
Jednocześnie, pewna ich ilość
trafia w powierzchniÄ™ cieczy
i zostaje wychwycona.
Manometr rejestruje wzrastajÄ…ce
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
A
obocki Woda w atmosferze
Meteorologia...
# 4
Zależność prężności pary wodnej nasyconej od temperatury (nad płaską powierzchnią
wody):
-30 -20 -10 0 10 20 30
t [°C]
E 0.5 1.3 2.8 6.1 12.3 23.4 42.4
[hPa]
4 5
4 0
3 5
3 0
2 5
2 0
1 5
1 0
5
0
- 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0
t [ º C ]
Zależność prężności pary wodnej nasyconej od temperatury.
Dla pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią cieczy:
2937.4
log Ew = - - 4.9283logT + 23.540
T
A
obocki Woda w atmosferze
E [ h P a ]
Meteorologia...
# 5
Dla pary wodnej nasyconej nad płaską powierzchnią lodu:
2667
log Elód =10.550 -
T
Ciśnienie pary wodnej nasyconej nad wodą przechłodzoną i nad lodem
-20 -10 0
t [°C]
E [hPa] 1.27 2.85 6.1
w
E [hPa] 1.03 2.6 6.1
lód
A
obocki Woda w atmosferze
Meteorologia...
# 6
p
p
g a z
c ie c z
K
K
c ie c z
f a z a s t a Å‚ a
T
K
ló d
p a r a
g a z
p a r a i c ie c z
T
p
p a r a i ló d
T
V
Wykres równowagi faz we
Diagram Amagata-Andrewsa.
współrzędnych p-T.
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)
A
obocki Woda w atmosferze
topnienie
e
i
n
a
w
o
r
a
p
a
j
c
a
m
i
l
b
u
s
Meteorologia...
# 7
____________________________________________________________________________
Procesy termodynamiczne w atmosferze
Ochładzanie przy stałym ciśnieniu
e
" Rosa i szron
" Mgły radiacyjne
" Mgły adwekcyjne
Osiągnięcie punktu
rosy ogranicza dalsze
wychładzanie
T
Rozprężanie adiabatyczne
e
" Chmury
T
A
obocki Woda w atmosferze
Meteorologia...
# 8
Mieszanie
e
" Mgła z wymieszania
" Smugi kondensacyjne
T
A
obocki Woda w atmosferze
Meteorologia...
# 9
____________________________________________________________________________
____
Charakterystyki wilgotności powietrza
Jak określamy wilgotność?
masa pary wodnej
Wilgotność bezwzględna=
objętość powietrza
mv
Áv =
Vtot
masa pary wodnej
Wilgotność właściwa=
masa powietrza
mv
q =
md + mv
masa pary wodnej
Stosunek zmieszania =
masa powietrza suchego
mv
r =
md
prężność pary wodnej
Wilgotność względna =
prężność pary nasyconej
e
f =
E
Niedosyt wilgotności = prężność pary wodnej nasyconej
- prężność pary wodnej
D = E - e
Temperatura punktu rosy:
( )
td = t: E t = e
A
obocki 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. Wyprowadz
równanie wiążące stosunek zmieszania i wilgotność właściwą.
2. Dane sÄ…:
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?
A
obocki Woda w atmosferze