Тема 7. Водяной пар в атмосфере

Влажностью воздуха называется содержание в нем водяного пара. Он поступает в атмосферу в результате испарения с поверхности океанов, морей, рек, озер, почвы, растительного покрова, снега и льда, причем с поверхности Мирового океана испаряется в три раза больше влаги, чем в целом с материков.

Содержание водяного пара характеризуется следующими величинами:

e – упругость водяного пара, представляющая собой парциальность давления водяного пара, содержащегося в воздухе; имеет размерность мм рт. ст. или мб (гПа);

Е– упругость насыщающего пара, являющаяся предельной величиной упругости, которую мог бы иметь водяной пар при заданных значениях температуры и давления; выражается также в мм рт. ст. или в мб (гПа);

T – точка росы – это температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар при постоянном общем атмосферном давлении и упругости водяного пара становится насыщенным; измеряется в градусах;

a – абсолютная влажность, представляющая собой количество водяного пара, который содержится в единице объема воздуха (г/см³ или кг/м³);

f – относительная влажность, которая представляет собой отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщающего водяного пара при данной температуре (f = e/E); выражается в процентах;

d – недостаток насыщения или дефицит влажности – разность между упругостью насыщенного пара Е при данной температуре и упругостью водяного пара, содержащегося в воздухе, d = E - e; измеряется в мм рт. ст. или в мб.

Наличие водяного пара в атмосфере имеет огромное значение для географической оболочки Земли. Поступая в атмосферу вследствие испарения воды с поверхности океанов, морей, рек, озер, влажной почвы и растительного покрова, водяной пар воздушными течениями переносится на большие расстояния в горизонтальном направлении, благодаря конвективному и турбулентному перемешиванию он поднимается вверх и распространяется во всей толще тропосферы.

Содержащийся в атмосфере водяной пар частично конденсируется, в результате чего возникают такие образования, как иней, изморозь, роса, туман, гололед, и другие. Облака, в свою очередь, порождают атмосферные осадки – дождь, снег, град, выпадающие на земную поверхность. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана являются составными частями процесса, который называется малым круговоротом воды.

Если же водяной пар переносится с океана на сушу, то круговорот воды становится более сложным. Часть атмосферных осадков, выпавших на поверхность суши, испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая часть стекает в реки и озера. Процесс испарения воды и выпадения осадков на сушу может повторяться многократно, но в конце концов влага, перенесенная с океана на сушу, вновь возвращается в океан в виде речного и подземного стока. Таким образом, совершается большой круговорот воды, который играет первостепенную роль в непрерывном обмене влаги между океанами и материками, а также в образовании и распределении атмосферных осадков.

Существование всех форм жизни на земле напрямую зависит от содержания влаги в атмосферном воздухе. Большинство растений в фазе созревания, когда происходит интенсивный прирост биомассы, нуждается в достаточном увлажнении воздуха, в то время как излишняя влага в фазе созревания растения может быть вредной. Применительно к сельскому хозяйству можно сказать, что от относительной влажности воздуха в сочетании с температурой воздуха зависят сроки проведения различных сельскохозяйственных работ, например уборки зерновых культур, сушки зерна и т.д.

Здоровье и самочувствие людей напрямую зависит от климатических и погодных условий, и в первую очередь от сочетания значений влажности и температуры воздуха. Так, например, при температуре воздуха 20°С на самочувствие людей благоприятно действует относительная влажность 30-45%. Отклонение от этих значений температуры и влажности воздуха (диапазон оптимального режима деятельности человека) должен составлять не более 20% в ту или иную сторону. Вне указанного диапазона температурно-влажностного режима самочувствие человека ухудшится, а его способность к производительному труду резко падает. В качестве иллюстрации можно отметить, что в жарком и влажном климате любая работа, даже не связанная с физическими нагрузками, крайне затруднительна, так как выделение пота, являющееся нормальной приспособительной реакцией организма на жаре, здесь происходит особенно сильно. Высокая влажность воздуха препятствует испарению выделяющегося пота и нормальный охлаждающий эффект его почти не достигается. По мере выделения пота почти двумя миллионами потовых желез организм человека быстро теряет влагу и соль. Это приводит к “соляному истощению” организма, на первой стадии которого у человека развивается усталость, а затем судороги и задержка кровообращения. Дальнейшее обезвоживание организма приводит к смертельному исходу. Именно поэтому у коренных жителей тропических стран выработана традиция работать в условиях изнуряющей жары с перерывами для отдыха и сна в самые знойные полуденные часы. Данные об относительной влажности воздуха необходимы для химической, радиотехнической, текстильной, пищевой и других отраслей промышленности, так как применяемые ими процессы во многом зависят от влажности воздуха. Особый интерес представляют данные о влажности при проектировании зданий и других сооружений для обеспечения долговечности конструкций, комфортности проживания и работы в них. Расчеты наружных ограждений этих строительных объектов требуют учета переноса водяного пара помещений, возникающего в результате различия его упругости снаружи и внутри помещения. Температура стен в отдельных случаях может опускаться ниже точки росы окружающего воздуха. При этом возникает обильное увлажнение стен. Данные об относительной влажности воздуха в сочетании с данными о его температуре широко используются при расчетах систем кондиционирования, вентиляции и отопления. При этом необходимо учитывать суточный ход этих характеристик воздуха. Использование данных о температурно-влажностном режиме обеспечивает правильный учет климатических особенностей для принятия мер по улучшению микроклимата помещений. В приземном слое атмосферы под влиянием изменений температуры теплой поверхности и турбулентных перемещений наблюдается достаточно хорошо выраженный суточный ход содержания водяного пара. Над морями и их побережьями упругость водяного пара имеет простой суточный ход с одним минимумом перед выходом Солнца и максимумом в 14-15 часов. Минимум обусловлен наименьшей величиной испарения в это время суток. Такой же суточный ход имеет упругость водяного пара над материком зимой. В теплое время года в глубине материков суточный ход упругости водяного пара имеет вид двойной волны с минимумом перед выходом Солнца в 15-16 часов и максимумами в 8-10 часов и 20-22 часа. Первый максимум обусловлен быстрым ростом испарения после выхода Солнца к этому времени, причем величина испарения в этот момент преобладает над турбулентным переходом водяного пара в более высокие слои атмосферы. После 8-10 часов активность турбулентного перемешивания быстро возрастает, водяной пар интенсивно поднимается вверх, перекрывая скорость его поступления за счет испарения с земной поверхности. Этим обуславливается минимум в 15-16 часов. Затем турбулентность ослабевает, а продолжающаяся интенсивность испарения вызывает второй максимум содержания водяного пара в 20-22 часа. Ночью испарение с земной поверхности практически прекращается, а продолжающиеся, хотя и ослабленные турбулентные перемешивания приводят к уменьшению содержания водяного пара в воздухе в эту часть суток.

В годовом ходе упругости прироста водяного пара в северном полушарии минимум наступает январе, а максимум – в июле.

Максимум относительной влажности в течение суток наступает перед восходом Солнца, а минимум в 15-16 часов. Дневное ее понижение особенно резко выражено над континентами в летнее время года, когда в результате турбулентной диффузии вверх величина е в приземном слое атмосферы уменьшается, а величина Е,вследствие роста температуры, увеличивается.

В ходе относительной влажности максимум ее значений отмечается в самый холодный месяц, а минимум – в самый теплый.

Географическое распределение упругости водяного пара следует распределению температуры воздуха. Наибольшая упругость пара наблюдается у экватора, где многолетние среднемесячные ее значения превышают 20 мб, а в остальные месяцы составляют 35 мб. С увеличением широты упругость водяного пара убывает.

Зимой упругость пара понижена над материками в сравнении с морями и океанами. В глубине больших материков в холодное время года среднемесячная упругость пара составляет около 1,0 мб. Летом контраст между упругостью водяного пара над материками и водными поверхностями сглаживается. Объясняется это тем, что, несмотря на более высокие значения дефицита влажности над материками, чем над океанами, при более высокой температуре поверхности суши поступление водяного пара в воздух ограничено запасами влаги в почве.

Географическое распределение относительной влажности носит более сложный характер, чем распределение упругости водяного пара. Над экваториальной зоной вследствие высокой упругости пара относительная влажность достигает больших значений. В среднем за год она составляет здесь 85%. Но также больших значений она достигает в Северном Ледовитом океане и в прибрежных его районах, что обусловлено низкими температурами воздуха в этих областях.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: