На распределение температуры с высотой в пограничном слое большое влияние оказывает деятельная поверхность, температура которой испытывает большие суточные колебания. В связи с этим характер изменения температуры с высотой в пограничном слое атмосферы тоже зависит от времени суток.
Особенностью приземного слоя являются очень большие по абсолютной величине вертикальные градиенты температуры. Такие большие градиенты, положительные днем и отрицательные ночью, наблюдаются до высоты примерно 30 м. Особенно велики они в самой нижней части приземного слоя, до высоты 1.5-2 м, где из-за слабого ветра ослаблено и турбулентное перемешивание. Поэтому днем температура воздуха в этом слое с высотой быстро убывает, а ночью быстро растет. В жаркие летние дни температура на высоте 2 м может быть более чем на 100С ниже, чем у поверхности Земли, из-за чего в этом двухметровом слое вертикальный градиент температуры воздуха превышает 5000С/100м.
На вертикальное распределение температуры в приземном слое сильно влияют погодные условия. Их влияние проявляется по-разному в разное время суток: облачность и сильный ветер днем ослабляют нагревание, а ночью уменьшают охлаждение деятельной поверхности. В связи с этим уменьшаются и вертикальные градиенты температуры. Поэтому наибольшие градиенты наблюдаются в ясные и малооблачные дни. Распределение температуры с высотой в приземном слое зависит и от характера деятельной поверхности: растительный покров уменьшает вертикальные градиенты температуры, т.к. деятельной поверхностью является не почва, а поверхность растительности.
В пограничном слое наблюдаются большие колебания вертикальных градиентов температуры во времени, т.к. термический режим этого слоя определяется турбулентным теплообменом с деятельной поверхностью и радиационными условиями. Здесь хорошо выражен годовой и суточный ход градиентов. Летом в дневное время при сильном нагревании земной поверхности вертикальный градиент температуры в слое 300-500 м намного отличается от среднего для всего данного слоя. В зимнее время градиент обычно мал и часто принимает отрицательные значения, т.е. возникает инверсия. Выше 500 м радиационные факторы сказываются меньше.
В пограничном слое атмосферы средние вертикальные градиенты температуры зависят от широты места: в течение всего года к северу их значения более низкие, а к югу – более высокие. А за полярным кругом зимой и весной преобладают отрицательные, а летом и осенью – небольшие положительные вертикальные градиенты температуры.
Контрольные вопросы
1. Что такое термическая стратификация атмосферы?
2. Каково различие между устойчивым, безразличным и неустойчивым состоянием атмосферы?
3. Что такое уровень конвекции?
4. Как изменяется температура воздуха с высотой в приземном и пограничном слоях атмосферы?
Тестовые вопросы
1. Уровень конвекции – это высота, на которой:
A. Температура воздуха равна нулю.
B. Начинается облакообразование.
C. Начинаются восходящее движение воздуха.
D. Прекращаются восходящие движения воздуха.
2. Что является особенностью приземного слоя?
A. Сильный ветер. B. Облачность.
C. Большие вертикальные градиенты температуры. D. Струйные течения.
3. До какой высоты в приземном слое наблюдаются большие градиенты?.
A. 100 м. B. 1 км. C. 10 км. D. 30 м.
4. Если некоторый объем воздуха поднялся вверх, оказался холоднее и плотнее окружающего воздуха, то он будет стремиться вернуться обратно, на исходный уровень. Такое равновесие является:
A. Устойчивым. B. Безразличным C. Неустойчивым. D. Активным
5. Если объем воздуха, поднятый на некоторую высоту, приобретает такую же температуру, какую имеет окружающий воздух на этой высоте, то он здесь и останется. Такое равновесие является:
A. Устойчивым. B. Безразличным C. Неустойчивым. D. Активным
6. Если поднятый объем воздуха на некоторой высоте окажется теплее окружающего воздуха, то он будет продолжать подниматься. Такое равновесие является:
A. Устойчивым. B. Безразличным C. Неустойчивым. D. Активным
7. Изменения температуры и давления воздуха, происходящие без обмена теплом с окружающей средой, называют:
A. Физическими процессами. B. Химическими процессами
C. Механическими процессами. D. Адиабатическими процессами
8. Высота уровня конвекции может зависеть от:
A. Вертикального градиента. B. Широты места.
C. Долготы места. D.Высоты над уровнем моря.
9. Наибольшие градиенты наблюдаются:
A. При сильном ветре. B. При пасмурной погоде
C. В ясные и малооблачные дни.D. При высокой растительности
10. В пограничном слое атмосферы средние вертикальные градиенты температуры зависят от:
A. Высоты места. B. Широты места. C. Уровня радиации. D. От долготы места
Глоссарий
| На русском языке | На казахском языке | На английском языке |
| Стратификация | stratification | |
| Изотерма | Бікелкі температуралар сызығы | isotherm |
| Уровень моря | Теңіздің деңгейі | sea level |
| Конвекция | Конвекция | convection |
| Равновесие | Тепе-теңдiк | balance |
| Приземный слой атмосферы | Атмосфераның жер маңындағы жiгi | Surface air |
| Пограничный слой атмосферы | Атмосфераның шекаралық жiгi | The boundary layer of the atmosphere |
Темы СРС
Изменение температуры с высотой в свободной атмосфере (реферат), (Л1), стр.117-119
Темы СРСП
Температура высоких слоев атмосферы (реферат), (Л1), стр.123-124.
Основная литература
1. И.И. Гуральник, Г.П. Дубинский, В.В. Ларин, С.В. Мамиконова, Метеорология, Л, ГМИ, 1982
2. С.П. Громов, М.А. Петросянц, Метеорология и климатология, М, И «Наука», 2006
Дополнительная литература
1. Наставления ГМС и постам, часть I, Алматы, 2002
Лекции № 11. Водяной пар в атмосфере
Процесс испарения. Давление насыщенного водяного пара.
Испарение в естественных условиях
Испарение. Давление насыщенного водяного пара
Процесс испарения заключается в том, что молекулы воды, обладающие наибольшими скоростями, преодолевают силы молекулярного сцепление и отрываются от водной или другой испаряющей поверхности. Затем они быстро распространяются в окружающем воздухе в результате молекулярной диффузии, конвекции и турбулентного перемешивания воздуха. Воздушными течениями пар переносится на большие расстояния в горизонтальном направлении. В атмосфере происходит и обратный процесс – переход молекул водяного пара из воздуха в воду или на поверхность почвы, растительного, снежного или ледяного покрова. Если количество вылетающих молекул больше, чем возвращающихся, то это и будет процесс испарения, т.е. переход из жидкого состояния в газообразное.
Из-за увеличения содержания водяного пара над испаряющей поверхностью между испаряющей средой и находящимся над нею водяным паром устанавливается подвижное равновесие. Водяной пар при этом называется насыщенным.
Когда количество водяного пара над испаряющей поверхностью становится больше необходимого для насыщения, то конечным будет процесс, обратный испарению – конденсация пара на поверхности, т.е. переход из газообразного состояния в жидкое.
Количественно испарение характеризуется массой воды, испаряющейся в единицу времени с единицы поверхности. Эта величина называется скоростью испарения и выражается в кг/ (см2).
Парциальное давление водяного пара (е), находящегося в воздухе, выражают в гектопаскалях. Значение е с увеличением количества пара в единице объема вырастает до некоторого предельного значения Е, которое соответствует равновесию между паром и водой, т.е. насыщенному состоянию пара. Для вычисления Е существуют формулы, которые табулированы так, что практически его находят по таблицам.
Давление насыщенного пара зависит от температуры, фазового состояния (лед или вода) испаряющей среды, от кривизны испаряющей поверхности. При одинаковой температуре и фазовом состоянии испаряющей среды давление насыщенного водяного пара над выпуклой поверхностью больше, чем над плоской, а над плоской больше, чем над вогнутой. Но эти различия заметны только над капельками радиусом менее 10-4 см и над капиллярами такого же малого радиуса, имеющимися в почве, в ядрах конденсации и других частицах.
Испарение в естественных условиях
Для практических целей скорость испарения выражается высотой (в миллиметрах) слоя воды, испаряющейся за единицу времени. Слой воды высотой 1 мм, испарившейся с площади 1 м2, соответствует массе воды 1 кг. Испарение в естественных условиях представляет собой сложный процесс и интенсивность его зависит от следующих факторов:
1. Скорость испарения прямо пропорциональна разности между давлением насыщенного пара Е1, вычисленного по температуре испаряющей поверхности, и парциальным давлением водяного пара е, находящегося в воздухе.
2. Скорость испарения обратно пропорциональна атмосферному давлению, т.к. в неподвижном воздухе молекулярная диффузия усиливается с уменьшением давления: чем оно меньше, тем легче молекулам оторваться от испаряющей поверхности. Атмосферное давление у поверхности Земли колеблется в небольших пределах и не может существенно влиять на скорость испарения. Атмосферное давление учитывается в основном при сравнении скорости испарения на разных высотах в горной местности.
3. Скорость испарения находится в сложной зависимости от скорости ветра. С увеличением скорости ветра значительно увеличивается турбулентное перемешивание, от интенсивности которого в большой степени зависит скорость испарения. Если испарение происходит в ограниченном объеме, то через некоторое время пар в этом объеме становится насыщенным и испарение прекращается.
В естественных условиях испарение происходит в неограниченном пространстве, из-за чего водяной пар распространяется в окружающую среду, а насыщенным он остается лишь в тонком слое, прилегающем к испаряющей поверхности. Из этого слоя вследствие молекулярной диффузии и турбулентного перемешивания пар непрерывно переносится в окружающее пространство. Чем интенсивнее турбулентное перемешивание, тем быстрее протекает этот перенос.
При неоднородной испаряющей поверхности ветер может вызвать значительное изменение условий испарения в пространстве (суша-море, море-суша, соленость океанов и морей и т.д.)
4. На испарение с поверхности почвы большое влияние оказывают ее физические свойства, состояние и т.д. Гладкая поверхность испаряет меньше, чем шероховатая, т.к. у гладкой поверхности меньше испаряющая площадь и над ней слабее развито турбулентное перемешивание. Светлые почвы испаряют меньше, чем темные, потому что они меньше нагреваются. Рыхлая почва с широкими капиллярами испаряет меньше, чем плотная почва с узкими капиллярами, т.к. по узким капиллярам вода поднимается ближе к поверхности почвы, чем по широким. Скорость испарения зависит от степени увлажнения почвы (чем суше почва, тем скорость испарения меньше) и от глубины залегания грунтовых вод (чем выше уровень грунтовых вод, тем больше скорость испарения).
5. На скорость испарения влияет рельеф местности: на возвышенностях, где воздух более подвижен, испарение происходит быстрее, чем в низких местах, где воздух менее подвижен.
6. Растительный покров влияет на скорость испарения – он уменьшает испарение с поверхности почвы. Но сами растения испаряют много воды (процесс транспирации), которую они берут из слоя почвы, где располагается их корневая система.
Контрольные вопросы
1. Что такое испарение?
2. Что такое конденсация?
3. От каких факторов зависит давление насыщенного пара?
4. От чего зависит скорость испарения в естественных условиях?
5. В чем заключается влияние ветра на скорость испарения?
Тестовые вопросы
1. Уровнем конденсации называется высота, на которой
A. Начинаются восходящее движение воздуха.
B. Прекращается восходящее движение воздуха
C. Начинается облакообразование
D. Температура воздуха равна нулю
2. Конденсация это переход:
A.Газообразного в твердое. B Газообразного в жидкое.
C. Твердого в газообразное. D. Жидкого в твердое.
3. Испарение это переход:
A.Газообразного в твердое. B Газообразного в жидкое.
C. Жидкого в газообразное. D. Жидкого в твердое.
4. Молекулы воды, обладающие наибольшими скоростями преодолевают силы молекулярного сцепление и отрываются от водной или другой испаряющей поверхности. Это процесс:
A. Испарения. B. Конденсации. C. Конвекции. D. Адвекции
5. Что не влияет на распространение испаряющихся капель воды в окружающем воздухе?
A. Молекулярная диффузия. B. Конвекция.
C. Турбулентное перемешивание воздуха. D. Теплопроводность
6. Масса воды, испаряющаяся в единицу времени с единицы поверхности, это:
A. Величина испарения. B. Объем испарения.
C. Качество испарения. D. Скорость испарения
7. Количественно скорость испарения выражается в:
A. Кг/ (см2). B. Гектопаскалях. C. Г/ (см2). D. Кг/ (мм2)
8. Парциальное давление водяного пара (е), находящегося в воздухе, выражают в.
A. Кг/ (см2). B. Гектопаскалях. C. Г/ (см2). D. Кг/ (мм2)
9. Давление насыщенного пара не зависит от:
A. Температуры.
B. Фазового состояния (лед или вода) испаряющей среды.
C. Кривизны испаряющей поверхности.
D. Облачности
10.Насыщенное состояние пара Е соответствует равновесию между:
A. Паром и водой. B. Льдом и водой. C. Почвой и водой D. Паром и льдом
11. Для практических целей скорость испарения выражается в:
A. Гектопаскалях. B. Миллиметрах. C. Градусах. D. Румбах
12. Слой воды высотой 1 мм, испарившейся с площади 1 м2, соответствует массе воды в:
A. 1 грамм. B. 1 Гектопаскаль. C. 1 килограмм. D. 1 тонна.
13. В неподвижном воздухе молекулярная диффузия усиливается с:
A. Понижением температуры. B. Повышением температуры
C. Увеличением давления. D. Уменьшением давления
14. На испарение с поверхности почвы большое влияние оказывают свойства почвы:
A. Физические. B. Химические. C. Морфологические. D. Геологические
Глоссарий
| На русском языке | На казахском языке | На английском языке |
| Диффузия | Диффузия | Diffusion |
| Капилляр | Капилляр | Capillary |
| Ядра конденсации | Қанығуның ядролары | Condensation nuclei |
| Испарение | Бу | Evaporation |
| Конденсация | Қанығу | Condensation |
Темы СРС
Суточный и годовой ход испарения, (конспект), (Л1), стр.149
Темы СРСП
Измерение испарения. Испаряемость. (реферат), (Л1), стр.149-150
Основная литература
1. И.И. Гуральник, Г.П. Дубинский, В.В. Ларин, С.В. Мамиконова, Метеорология, Л, ГМИ, 1982
2. С.П. Громов, М.А. Петросянц, Метеорология и климатология, М, И «Наука», 2006
Дополнительная литература
1. Наставления ГМС и постам, часть I, Алматы, 2002
Лекция № 12. Характеристики влагосодержания воздуха
и связь между ними
Суточный и годовой ход парциального давления