Дипломная работа: Конденсаційні та сублімаційні процеси в атмосфері

Електричні розряди в атмосфері та ультрафіолетове проміння Сонця можуть так само утворювати ядра конденсації своїм діянням на атмосферу. Велика кількість ядер надходить у повітря разом з випарами з поверхні океанів і морів. Наявність деяких видів ядер конденсації в повітрі може привести до утворення туману навіть тоді, коли повітря не досягло повної вологості, тобто коли водяні пари в повітрі не насичені. Саме так буває над великими промисловими центрами, над якими часто, особливо вранці, коли температура повітря ще низька, утворюються тумани або темні, низькі, задимлені хмари. Основні хмарні системи виникають там, де є умови для підняття повітря та його охолодження.

Відомо, що густина повітря з висотою зменшується. Тому повітря, яке підіймається, потрапляє в шари меншої густини й розширюється. На це розширення витрачаються внутрішні запаси енергії, отже, знижується температура повітря. Тоді водяна пара в повітрі, що піднялося й охолонуло, конденсується, збирається в крапельки води, в хмари [9].

Хмарність визначає собою основні риси погоди. Хмари захищають земну поверхню в розпал літнього дня від палючого сонячного проміння й утворюють прохолоду. Без хмар не буває дощу й снігу, і опади істотно змінюють характер погоди. Мільйони тонн води переносять хмари з вологих місць в сухіші: дощі вкривають землю шаром води. її шар в 10 мм завтовшки дає більш як 8000 відер води на гектар.

3.2 Класифікація та характеристика хмар

Основа сучасної міжнародної класифікації хмар була закладена в 1803 англійським метеорологом-аматором Цибулею Говардом. У ній для опису зовнішнього вигляду хмар використані латинські терміни:

alto – високо, cirrus – пір'ястий, cumulus – купчастий, nimbus – дощовий і stratus – шаруватий. Різні сполучення цих термінів застосовуються для найменування десяти головних форм хмар: cirrus – пір'ясті; cirrocumulus – пір'ясто-купчасті; cirrostratus – пір'ясто-шаруваті; altocumulus – високо-купчасті; altostratus – високо-шаруваті; nimbostratus – шарувато-дощові; stratocumulus – шарувато-купчасті; stratus – шаруваті; cumulus – купчасті і cumulonimbus – купчасто-дощові. Висококупчсті і високо-шаруваті хмари розташовуються вище, ніж купчасті і шаруваті.

За своєю будовою хмари поділяються на три класи: водяні, кристалічні (льодяні), змішані. Водяні хмари (краплинні) можуть існувати не тільки за додатних температур, а й за від'ємних у переохолодженому стані. За від'ємних температур утворюються мішані хмари, які складаються з переохолоджених крапель і кристаликів льоду. За досить низьких температур (-30... -50 SC) хмари складаються тільки з кристаликів льоду, їх називають кристалічними або льодяними.

За походженням розрізняють хмари конвективні, хвилясті та фронтальні. Конвективні хмари утворюються в нестійких повітряних масах і пов'язані з інтенсивною конвекцією й адіабатичним охолодженням висхідного повітря. Це купчасті або купчасто-дощові хмари. У їх верхній частині з'являються льодяні кристали, а основна маса складається із крапель води. Вони мають велику вертикальну потужність і вершинами сягають висоти 15-20 км в тропічних і екваторіальних широтах.

Хвилясті хмари (шаруваті, шарувато-купчасті, висококупчасті) виникають внаслідок слабкого турбулентного переносу водяної пари в стійких повітряних масах вгору, від земної поверхні, де на певній висоті міститься шар інверсії температури. Водяна пара нагромаджується під цим шаром, оскільки зверху починається підвищення температури і конвекція припиняється [25].

Фронтальні хмари утворюються на атмосферних фронтах, тобто смугах, які розділяють різні повітряні маси. Коли тепле повітря рухається і витісняє холодне — це теплий фронт, а коли холодне повітря рухається, а тепле відступає— це холодний фронт. Фронт завжди нахилений відносно земної поверхні, через те що холодне повітря підтікає під тепле у вигляді клину. Внаслідок ковзання по лінії фронту виникають хмари висхідного ковзання. На теплому фронті — це перисті, перисто-шаруваті, високошаруваті, шарувато-дощові, а на холодному — перисті, перисто-купчасті, висококупчасті, купчасто-дощові.

Водність хмар — це маса краплин води і кристаликів льоду в одиниці 'б єму повітря хмари. У водяних хмарах в 1 м3 повітря хмари міститься від °>01 г до 3 г води, а в кристалічних значно менше і становить від кількох сотих. До кількох тисячних грама.

Форма хмар в тропосфері дуже різноманітна, але їх можна звести до основних типів в залежності від форми і висоти. В кінці XIX ст. була прийнята міжнародна класифікація хмар, яка в сучасному варіанті виділяє 4 родини і 10 основних родів за їх зовнішнім виглядом.

Хмари верхнього ярусу (Н > 6 км):

1. Перисті —білі, тонкі, волоконні, без полів, нитковидні.

2. Перисто-шаруваті — тонка прозора білувата пелена

3. Перисто-купчасті - дрібні напівпрозорі кульки або складки, розміщені групами або рядками.

Хмари середнього ярусу (2 <Н< 6 км):

4. Високо-купчасті — смуги або шари з просвітами білого або сірого кольору.

5. Високо-шаруваті — суцільний рівний або волоконний покрив сірого чи синюватого кольору.

Хмари нижнього ярусу (Н <2 км):

6. Шаруваті - однорядний шар сірого кольору (схожий на туман).

7. Шарувато-купчасті — великі, низько розміщені хвилі або глиби сіруватого кольору.

8. Шарувато-дощові —безформний суцільний сірий покрив.

Хмари вертикального розвитку (1 км <Н <6 км):

9. Купчасті - щільні, окремо розміщені, розбиті за вертикаллю, з білими куполоподібними вершинами й плоскою сіруватою основою.

10. Купчасто-дощові — потужні утворення у вигляді гір та башт, верхня частина яких іноді нагадує ковадло.

Купчасті та купчасто-дощові хмари це хмари вертикального розвитку, конвективні за походженням. Купчасті хмари складаються із крапель, але опадів не спричиняють. Це щільні високі хмари з білими купчастими та куполоподібними вершинами і плоскою основою сірого або синього кольору. Розрізняють плоскі, середні, потужні різновиди (залежно від їх товщини). Купчасто-дощові, або грозові, хмари знизу складаються із крапель, а зверху — із кристаликів. Вони білі, щільні, з темною основою, мають форму гір чи великого ковадла. З них випадають зливові дощі та град, що супроводжуються грозою.

Перисті, перисто-купчасті й перисто-шаруваті хмари складаються із кристаликів льоду, не спричиняють опадів, вони тонкі, білого кольору. Перисті хмари мають волокнисту будову, білі, прозорі. Серед них розрізняють ниткоподібні та щільні. Перисто-купчасті хмари утворюють тонкі шари, пасма, дрібні хвилі. Розрізняють два їх види: хвилясті та купчастоподібні. Перисто-шаруваті хмари схожі на однорідну тонку плівку, яка не розмиває обрисів Сонця і Місяця. Розрізняють два види перисто-шаруватих хмар: ниткоподібні й туманоподібні.

Висококупчасті хмари білі або сіруваті, складаються із дрібненьких переохолоджених крапель, нагадують хвилі, купи, пластівці з просвітами блакитного неба, опадів не дають. Розрізняють хвилясті й куп. Купчасті та купчасто-дощові хмари займають нижній та середній яруси, а вершини їх розміщені у верхньому ярусі. Це хмари вертикального розвитку, конвективні за походженням. Купчасті хмари складаються із крапель, але опадів не спричиняють. Це щільні високі хмари з білими купчастими та куполоподібними вершинами і плоскою основою сірого або синього кольору. Розрізняють плоскі, середні, потужні різновиди (залежно від їх товщини). Купчасто-дощові, або грозові, хмари знизу складаються із крапель, а зверху — із кристаликів. Вони білі, щільні, з темною основою, мають форму гір чи великого ковадла. З них випадають зливові дощі та град, що супроводжуються грозою [2].

Перисті, перисто-купчасті й перисто-шаруваті хмари складаються із кристаликів льоду, не спричиняють опадів, вони тонкі, білого кольору. Перисті хмари мають волокнисту будову, білі, прозорі. Серед них розрізняють ниткоподібні та щільні. Перисто-купчасті хмари утворюють тонкі шари, пасма, дрібні хвилі. Розрізняють два їх види: хвилясті та купчастоподібні. Перисто-шаруваті хмари схожі на однорідну тонку плівку, яка не розмиває обрисів Сонця і Місяця. Розрізняють два види перисто-шаруватих хмар: ниткоподібні й туманоподібні.

Висококупчасті хмари білі або сіруваті, складаються із дрібненьких переохолоджених крапель, нагадують хвилі, купи, пластівці з просвітами блакитного неба, опадів не дають. Розрізняють хвилясті й купчастоподібні види.

Високошаруваті хмари складаються із суміші сніжинок та дрібних краплин, мають вигляд сірої або синюватої однорідної плівки, через яку Сонце і Місяць просвічуються, як крізь матове скло. Взимку спричиняють випадання снігу, а влітку опадів не спричиняють. Розрізняють туманоподібні та хвилясті види.

Шарувато-купчасті хмари складаються з однакових крапель, утворюють сірі великі пасма, хвилі, купи, пластини. Від висококупчастих відрізняються меншою висотою розміщення над землею, великими розмірами куп і більшою щільністю. Інколи з них випадає нетривалий дрібний дощ.

Шаруваті хмари — це однорідний сірий шар повітря, схожий на туман, іноді розірваний знизу. Шаруваті хмари закривають все небо, розрізняють туманоподібні, хвилясті, розірвано-шаруваті їх види. З них може падати негустий сніг або дрібнесенький дощ (мряка).

Шарувато-дощові хмари складаються з великих крапель внизу і дрібних вгорі. Саме такі хмари вкривають небо в похмурні осінні дні. Часто з них мрячить дрібний і неприємний дощик. В таких випадках можна побачити розірвані, темні, брудні пластівці, що мчать під більш густим шаром суцільних шаруватих хмар. Ці пластівці називаються розірвано-дощовими хмарами. Вони виникають завдяки дощу і являють собою клоччя, шмаття туману. Схожі на темно-сірий суцільний шар, ніби освітлений зсередини, коли немає дощу. Спричиняють обложні дощі або сніг, іноді з перервами.

Хмарність – ступінь покриття неба хмарами. Визначається вона візуально в десятих частках неба (чи в інших одиницях, наприклад, у відсотках): 0 – чисте небо, 1 – одна десята частина неба покрита хмарами, 10 – суцільна хмарність. Окремо оцінюють загальну хмарність і хмарність нижнього ярусу На всіх широтах над океанами хмарність більша, ніж над сушею. У річному погодному циклі всюди, крім Європи і субтропічного поясу, максимум хмарності припадає на літо, а мінімум — на зиму або інші пори року. У субтропіках і Європі максимальна хмарність взимку, а мінімальна — влітку або навесні. Значною хмарністю характеризуються екваторіальні широти (5-6 балів), а незначною — тропіки (3—4 бали) з поступовим збільшенням середньорічної хмарності від субтропіків (4—5,7 балів) до субполярних широт (6-7,6 балів) і зниженням до 6,3-6,4 бала в полярних областях [15].

Хмари нижнього ярусу (шаруваті, шарувато-купчасті і шарувато-дощові) складаються майже винятково з води, їхні основи розташовуються приблизно до висоти 2000 м. Хмари, що стеляться по земній поверхні, називаються туманом.

Основи хмар середнього ярусу (високо-купчастих і високо-шаруватих) знаходяться на висотах від 2000 до 7000 м. Ці хмари мають температуру від 0° С до –25° С и часто являють собою суміш крапель води і крижаних кристалів.

Хмари верхнього ярусу (пір'ясті, пір'ясто-купчасті і пір'ясто-шаруваті) звичайно мають нечіткі обриси, тому що складаються з крижаних кристалів. Їхні основи розташовуються на висотах більш 7000 м, а температура нижче –25°С.

Купчасті і купчасто-дощові хмари відносяться до хмар вертикального розвитку і можуть виходити за межі одного ярусу. Особливо це відноситься до купчасто-дощових хмар, основи яких знаходяться усього в декількох сотнях метрів від земної поверхні, а вершини можуть досягати висот 15–18 км. У нижній частині вони складаються з крапельок води, а у верхньої – із кристалів льоду.

3.3 Випадання опадів як наслідок протікання конденсаційних та сублімайних процесів в атмосфері

Атмосферні опади - це вода у рідкому (дощ, мряка) або твердому (сніг, град, снігова та льодяна крупа) стані, що випадає з хмар на поверхню Землі. Опади характеризують за товщиною шару (у мм), сезонним розподілом, тривалістю випадання, інтенсивністю, ймовірністю

Залежно від умов конденсації водяної пари розрізняють орографічні, конвективні та фронтальні опади. Орографічні опади утворюються при піднятті повітря навітряними гірськими схилами. Конвективні опади утворюються в потужних висхідних потоках повітря, вони мають локальне поширення, носять зливовий характер, починаються і закінчуються раптово. Фронтальні опади утворюються в циклонах на межі теплого і холодного повітря, при цьому дощ або сніг падає тривалий час більш-менш рівномірно.

Дощ складається із крапель діаметром понад 0,5 мм, а мряка — із краплинок від 0,5 до 0,05 мм, отже, мряка падає повільно і переноситься вітром. Сніжинки складені зі скупчень кристалів, форма всіх сніжинок шестипроменева, діаметр кожної — кілька міліметрів.

Мокрий сніг або сніг із дощем випадають із підвищенням температури, коли сніжинки злипаються в пластівці, а температура досягає 0 °С.

Крупинки снігу й льоду випадають із шарувато-дощових або купчасто-дощових хмар, якщо температура від'ємна, і мають діаметр близько 1 мм. Під час сильного морозу із хмар нижнього ярусу можуть випадати голки льоду — кристали у вигляді шестикутних призм. Якщо відбувається інверсія температури, краплі дощу замерзають у повітрі й на земну поверхню падають кульки льоду діаметром 1-3 мм (льодяний дощ) [21].

Обложні опади пов'язані з атмосферними фронтами і хмарами висхідного ковзання (шарувато-дощовими і високошаруватими). Це тривалі опади середньої інтенсивності, вони випадають на великій площі порівняно рівномірно і переважають у помірному поясі.

Зливові опади короткочасні, але інтенсивні, випадають на порівняно меншій площі з купчасто-дощових хмар конвективного походження. Зливи — це основний вид опадів у тропічних та екваторіальних широтах.

Мряка — це опади малої інтенсивності, з дуже дрібненьких краплин або дрібнесеньких сніжинок. Вони випадають із шаруватих і шарувато-купчастих хмар, зокрема хвилястих, і утворюються в межах однієї стійкої повітряної маси.

Із хмарами й опадами пов'язані різноманітні електричні процеси й оптичні явища, більшість яких ще недостатньо вивчена. Під час грози злива супроводжується електричними розрядами (блискавками), громом і шквалами вітру. З атмосферною електрикою пов'язують появу кулястої блискавки діаметром кілька десятків сантиметрів, яка рухається в повітрі й може вибухати або спокійно зникати.

Вогнями Святого Ельма називають явище стікання розрядів із загострених предметів в атмосферу. У перисто-шаруватих, перисто-купчастих, високо-купчастих і високо-шаруватих хмарах навколо Місяця й Сонця можуть виникати кольорові, жовті або білі круги чи стовпи.

Веселка з'являється на фоні купчасто-дощових хмар, з яких йде дощ, якщо вони освітлені сонцем.

Конденсація і сублімація можливі й на земній поверхні, внаслідок чого утворюються гідрометеори: роса, іній, твердий і рідкий наліт, паморозь (наземні опади).

Роса та іній виникають в ясну й тиху погоду вночі внаслідок зниження температури до точки роси і вихолодження поверхні (випромінювання теплоти).

Рідкий наліт утворюється, якщо температура охолодженої поверхні додатна, а твердий наліт, якщо від'ємна. Наліт формується на навітряному боці холодних предметів за умови адвекції теплого повітря.

Паморозь — це пухкі білі кристали, які осідають на деревах, дротах тощо в морозну, тиху погоду, коли в повітрі утворюються кристалики льоду, котрі, доторкаючись предметів, примерзають до їх поверхні [18].

Ожеледь — це наліт льоду на земній поверхні та предметах, який утворюється під час випадання мряки, дощу або осідання густого туману. Необхідною умовою утворення ожеледі є випадання переохолоджених крапель за від'ємної температури (від 0 до -15 °С). Товстий шар ожеледі може ламати гілля і обривати дроти ліній електромережі. Небезпечним є намерзання льоду на літаках, яке відбувається в шарувато-дощових хмарах, складених із крапель, охолоджених до —10 °С. Це явище називають обледенінням літаків.

З повітря на поверхню осідають гідрометеори - роса, іній, рідкий наліт, твердий наліт, паморозь, ожеледь.

Роса – найдрібніші краплинки води, які часто зливаються. Вона з’являється вночі на поверхні, яка охолола в результаті випромінювання тепла.

Іній – твердий білий осад, який утворюється за таких умов, як і роса, але при температурі нижче 0◦С.

Рідкий і твердий наліт - тонка водяна чи льодяна плівка на вертикальних поверхнях стін, стовпів і т. д., яка виникає при зміні холодної погоди теплою в результаті стикання вологого і теплого повітря з охолодженою поверхнею.

Паморозь – льодяні кристали (кристалічна паморозь) чи пухкий лід (зерниста паморозь), яка наростає з навітряної сторони предметів (На гілках дерев, проводах тощо).

Ожеледь – суцільний шар щільного льоду на земній поверхні і на різних предметах.

При стійких від'ємних температурах повітря сніг, що випав на земну поверхню, може утворювати сніговий покрив. Сніговий покрив характеризують висотою, густиною (відношення маси снігу до його об'єму) та запасом води в снігу, що утворюється при таненні снігу (шар води в мм): Значення снігового покриву зумовлене його властивостями. Сніговий покрив впливає на клімат, оскільки у снігу дуже велике альбедо (80-90%). Але теплопровідність снігу мізерна, тому під ним достатньо висока температура, яка захищає рослини від вимерзання. Від товщини снігового покриву залежить глибина промерзання ґрунту. Танення снігового покриву забезпечує живлення річок, весняну повінь, а також поповнює запас ґрунтових вод

Дощ - вода, яка утворюється при конденсації водяної пари, що випадає з хмар і досягає земної поверхні у виді крапель рідини. Діаметр дощових крапель коливається від 0,5 до 6 мм. Краплі дрібніше 0,5 мм називаються мрякою. Краплі крупніше 6 мм сильно деформуються і розбиваються при падінні на землю. Дощ звичайно йде з «теплих» хмар, тобто з хмар з температурою вище крапки замерзання. Тут дрібні крапельки, що несуть заряди протилежного знаку, притягаються і зливаються в більш великі краплі. Вони можуть збільшитися настільки, що стануть занадто важкими, перестануть утримуватися в хмарі висхідними потоками повітря і проллються дощем [6].

У залежності від обсягу опадів, що випадають за визначений проміжок часу, по інтенсивності розрізняють слабкі, помірні і сильні (зливові) дощі. Інтенсивність слабкого дощу міняється від мізерно низкою до 2,5 мм/год, помірного дощу – від 2,8 до 8 мм/год і при сильному дощі – більш 8 мм/год, або більш 0,8 мм за 6 хв.

Обложні затяжні дощі при суцільній хмарності на значній території звичайно слабкі і складаються з дрібних крапель. Дощі, що випадають на невеликих ділянках спорадично, звичайно більш інтенсивні і складаються з більш великих крапель. За одну сильну грозову зливу тривалістю всього 20–30 хв може випасти до 25 мм опадів.

Випадання граду. Із зливових, грозових хмар на землю може випадати не тільки дощ, а й град. Звичайно град випадає в червні—липні, коли частіше утворюються грозові хмари. Це свіже повітря біля землі мало близько + 16°, тобто було майже на 10° холодніше. Вузька зона поділу, що відокремлювала холодний потік повітря від теплого (атмосферний фронт) зміщувалася на схід, і холодне повітря, яке на передньому краї мало форму клина, витісняло вгору тепле повітря. Виникли потужні висхідні потоки повітря і потужні грозові хмари. Грози й зливи надвечір охопили майже всю Середньоруську височину.

Ядро градинки утворюється в хмарі, що складається з переохолоджених крапель води і сніжинок, кристаликів льоду. Градинка виникає в результаті зіткнення переохолодженої краплі з кристаликом та її раптового замерзання. Дальше зростання ядра відбувається внаслідок намерзання водяної пари на кристалику. В розрізі градинки Нагадують цибулину, мають кілька шарів. Створюється-враження, наче градинку кілька разів опускали й виймали на морозі з льодяної води. Це підтвердило припущення, що градинка може рости і з дрібної краплі переохолодженої води. Крапля (або кристалик), досягши рівня низьких температур, Замерзає, на неї намерзає шар льоду. Обважнівши, градинка падає вниз, де плавають в хмарі крапельки води. Тут градинка обростає плівкою води, яка замерзає іноді у вигляді скловидної маси. І якщо градинку підхоплює сильний висхідний потік повітря, вона знову піднімається до шару низьких температур повітря, вкривається корочкою льоду за рахунок пари, що є в хмарі, і, знову обважнівши, починає падати вниз. Так градинка може мандрувати в хмарі, багато разів піднімаючись і опускаючись, поки не обважніє настільки, що випаде з хмари на землю (рис. 2).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7