Конденсация водяного пара в атмосфере

Курсовая работа

По дисциплине физика атмосферы

на тему:

«Расчёт и анализ равновесной относительной влажности воздуха над каплями чистой воды и растворов солей»

Вариант №14

 

 

Выполнил:

студент гр. М – 286

Сагимбеков Тлеген

 

Проверил(а):

 

Санкт – Петербург

2012г.

 

 

Содержание

 

 

Введение 3

Ядра конденсации 4

Конденсация водяного пара в атмосфере 5

 

 

Глава 1. Факторы, определяющие фазовые переходы

воды в атмосфере 5

 

1.1 Температура. Уравнение Клаузиса-Клайперона. 6

1.2 Радиус кривизны поверхности. Формула Томпсона. 8

1.3 Концентрация примесей. Формула Рауля. 9

1.4 Заряд частиц 11

 

Глава 2. Анализ условий образования и роста облачной капли 13

 

2.1 Основные формулы расчета 13

2.2 Решение задачи 9.77 14

2.3 Решение задачи 9.78 15

2.4 Ответы на вопросы 17 2.5 Анализ графика 19

Заключение 20

 

Список использованной литературы 21

 

 

Введение.

Вопрос об атмосферных ядрах конденсации тесно связан с решением проблемы физики образования облаков и осадков. Наличие ядер является необходимым условием для возникновения продуктов конденсации в атмосфере. Изучение ядер конденсации может дать ценные сведения для выяснения микрофизических процессов образования облаков, например для выяснения механизма укрупнения облачных элементов и элементов атмосферных осадков, непосредственное наблюдение, которого в естественных условиях было бы чрезвычайно затруднительным. С атмосферными ядрами конденсации связан и вопрос искусственного вызывания осадков.

Ядра конденсации играют немаловажную роль в осуществлении круговорота воды, минеральных солей и других химических веществ на земном шаре. Будучи основной компонентой атмосферного аэрозоля, ядра оказывают также влияние на ионизационное состояние атмосферы, на её прозрачность и т. п.

Таким образом, целый ряд физических процессов в атмосфере, имеющих существенное практическое значение, связан с ядрами конденсации. Это обстоятельство указывает на важность изучения ядер конденсации.

 

В данной работе произведено и представлено вычисление равновесной относительной влажности над поверхностью дистиллированной воды и равновесной относительной влажности над поверхностью капель насыщенного раствора поваренной соли (задача № 9.77).

 

Так же в работе рассматривается рост зародышевой капли до размеров облачной, образовавшейся на ядре конденсации, состоящим из поваренной соли, радиусом 7.6*10^{-7 см. Для расчета понадобилось рассчитать: массу сферического ядра конденсации; радиус зародышевой капли в момент, когда концентрация соли понизится до насыщающей; равновесную относительную влажность над поверхностью капли насыщенного раствора (}NaCl);

равновесную относительную влажность над поверхностью капли ненасыщенного раствора, когда ее радиус увеличился до размера 1.660*10^{-6 см; размер капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью возрастет до 100%; радиус капли, при котором относительная влажность над ее поверхностью станет наибольшей; необходимое пересыщение в атмосфере для роста зародышевой капли до размеров облачной (задача № 9.78)}

 

В работе также был построен график зависимости относительной влажности над поверхностью капель от логарифмов радиусов этих капель и проведен анализ этого графика.

Ядра конденсации.

Ядра конденсации -жидкие или твердые частички, взвешенные в атмосфере, на которых начинается конденсация водяного пара и в дальнейшем образуются капли облаков и туманов.. Только благодаря наличию Ядра конденсации в атмосфере возможны конденсация водяного пара и образование облаков. Постоянное наличие в атмосфере таких ядер с радиусами порядка 10^-5 —10^-3 см приводит к тому, что конденсация происходит без существенного перенасыщения, т. е. при значениях относительной влажности, близких к 100% или менее 100%. Но, кроме того, в атмосфере содержатся в гораздо большем количестве и такие Ядра конденсации с диаметром порядка 10^-7—10^-5см, которые не требуют значительного перенасыщения и потому в действительных условиях атмосферы остаются неактивными (ядра Айткена). При очень значительных перенасыщениях (в несколько раз) в лабораторных условиях в качестве Ядра конденсации могут служить и легкие ионы.

Крупные и гигантские ядра, как правило, являются гигроскопическими и, когда на них происходит конденсация, образуют растворы, над которыми давление пара сравнительно низко. Это прежде всего ядра морской соли (хлоридов), попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды и остающиеся во взвешенном состоянии в атмосфере в виде мельчайших капель насыщенного соляного раствора. С удалением в глубь суши преобладающая; роль переходит к жидким ядрам из гигроскопических кислот, являющихся продуктами сгорания (ядра сгорания). Негигроскопические ядра (почвенного и иного происхождения), возможно, играют некоторую роль при больших размерах, вследствие которых на них образуются сразу крупные капли. Какая-то роль принадлежит и смешанным ядрам. Ядра конденсации могут также нести электрические заряды, т. е. являться тяжелыми ионами.

 

Общая концентрация Ядра конденсации— тысячи и десятки тысяч на 1 см³ в сельской местности и на побережьях морей, десятки и сотни тысяч в промышленных центрах, тысячи над океаном. Содержание крупных и гигантских ядер, действующих при облакообразовании, соответственно десятки — сотни на 1 см³ и десятки на 1 л. С высотой концентрация Ядра конденсации быстро убывает, но, по-видимому, они содержатся во всей тропосфере в количестве, вполне достаточном для облакообразования. Гигроскопические ядра конденсации, возникающие при естественных и искусственных процессах сгорания (лесные и торфяные пожары, индустриальная деятельность и пр.). Эти жидкие частички, являющиеся результатом конденсации в атмосфере дымов и газов, выбрасываемых в воздух при горении; они состоят в основном из серной кислоты (H₂SO₄), сульфата аммония [(NH4)₂SO4], азотистой кислоты (ΗΝO₂) и (NaCl)

Конденсация водяного пара в атмосфере

 

Конденсация водяного пара в атмосфере-переход водяного пара, содержащегося в воздухе, в жидкое состояние (капли). В расширенном значении термин «Конденсация водяного пара» применяется к переходу водяного пара как в жидкое, так и в твёрдое состояние. В метеорологии переход водяного пара в твёрдое состояние (кристаллы, снежинки) называется сублимацией, в отличие от физики, где под сублимацией понимают обратный процесс.

 

В атмосфере всегда имеется вода, которая может присутствовать одновременно в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Несмотря на то, что в нижних слоях атмосферы в каждом км³ воздуха содержатся сотни, а летом даже тысячи кг парообразной воды, Конденсация водяного пара в атмосфере возможна только в случае, если упругость пара е (или парциальное давление) превышает упругость насыщения Е. Е зависит главным образом от температуры, убывая с понижением последней, а также от наличия в воде растворённых примесей и от кривизны поверхности капель. Так, чем мельче капли воды, тем больше Е. Обычно в атмосфере е<Е, однако при определённых условиях воздушные массы могут охладиться настолько, что е превысит Е. Это происходит, например, когда температура воздуха понижается за счёт адиабатического расширения при его подъёме, а с ней понижается и Е (так возникает большая часть облаков), когда воздух охлаждается в результате контакта с более холодной земной поверхностью (так часто возникают туманы); когда вода испаряется с более тёплой земной поверхности, при этом упругость водяного пара е увеличивается до значений, превышающих Е (возникают так называемые туманы испарения).

 

Известно, что для Конденсация водяного пара в абсолютно чистом воздухе требуются огромные пересыщения. Однако в атмосфере всегда присутствуют пылинки, частички морской соли, продукты неполного сгорания и др., которые служат ядрами конденсации и благодаря которым Конденсация водяного пара происходит при самых незначительных пересыщениях (доли процента). При отрицательных температурах в облаках большую роль могут играть процессы непосредственной Конденсация водяного пара на облачных кристаллах. Для кристаллов Е существенно меньше, чем для переохлажденных капель при той же температуре, поэтому в смешанном облаке, состоящем из капель и кристаллов, происходит рост кристаллов и испарение капель. Конденсация водяного пара на самой земной поверхности и на наземных предметах приводит к образованию росы, инея, изморози и др.

Конденсация водяного пара, обеспечивая образование облаков и осадков, служит важным звеном влагооборота на земном шаре. Тепло, отбираемое у земной поверхности при испарении и выделяемое при Конденсация водяного пара, играет огромную роль в теплообмене между землёй и атмосферой.

Глава 1.