одяна пара - це вода в газоподібному стані. Якщо повітря не здатне утримувати більші кількість водяної пари, воно переходить у стан насичення, і тоді вода з відкритої поверхні перестає випаровуватися. Вміст водяної пари в насиченому повітрі знаходиться в тісній залежності від температури і при її підвищенні на 10° С може збільшитися не більш, ніж удвічі. Відносна вологість - це відношення фактично утримуваної в повітрі водяної пари до кількості водяної пари, що відповідає станові насичення. Відносна вологість повітря поблизу земної поверхні часто велика ранком, коли прохолодно. З підвищенням температури відносна вологість звичайно зменшується, навіть якщо кількість водяної пари в повітрі мало змінюється. Припустимо, що ранком при температурі 10° С відносна вологість була близька до 100%. Якщо протягом дня температура понизиться, почнеться конденсація води і випаде роса. Якщо ж температура підвищиться, наприклад до 20° С, роса випарується, але відносна вологість складе лише біля 50%.

Кількість водяної пари, що може міститися в повітрі, залежить тільки від температури. Чим вища температура повітря, тим більше в ньому може бути водяної пари. І все таки повітря в пустині сухіше. Це пояснюється тим, що при більш високих температурах повітря, щоб досягти умов насичення, за яких починається конденсація, потрібно значно більше водяної пари, ніж при низьких температурах. Ось чому при однакових кількостях водяної пари в теплому повітрі відчуватиметься більша сухість, ніж у холодному.

РОЗДІЛ 2

КОНДЕНСАЦІЯ І СУБЛІМАЦІЯ ВОДЯНОЇ ПАРИ В АТМОСФЕРІ

2.1 Процеси конденсації та сублімації

Конденсація - це перехід води із газоподібного стану в рідкий. При цьому утворюються найдрібніші краплі води діаметром декілька мікрометрів. Конденсація починається тоді, коли повітря досягає стану насичення, а це частіше відбувається при зниженні температури до точки роси. Виникають початкові комплекси молекул води, які далі ростуть до розмірів хмарних крапель. Якщо точка роси значно нижче 0°С, то утворюються льодяні кристали. Перехід водяної пари в твердий стан (минуючи рідкий) називається сублімацією. Охолодження повітря в атмосфері відбувається частіше адіабатично, внаслідок його розширення без теплообміну. Це відбувається при підйомі повітря. Охолодження повітря відбувається під час вертикальної конвекції, тобто якщо воно піднімається та розширюється; якщо піднімається на атмосферних фронтах, де взаємодіють теплі й холодні повітряні маси; якщо піднімається вгору по схилах гір; якщо охолоджується поверхня суші та льоду; під час адвекції (переносу) повітря на охолоджену місцевість [22].

Виділення захованої теплоти при конденсації водяної пари в атмосфері приводить до того, що коли утворюється хмара, то виділяється деяка кількість тепла, яка йде на нагрівання повітря або, після складних перетворень енергії, витрачається на розвиток руху в атмосфері. Так, наприклад, підраховано, що при випаданні шару дощу завтовшки 20--30 мм може виділитись стільки тепла, скільки потрібно, щоб нагріти всю товщу повітря, в якій створюються опади, на 5--6 градусів.

Перетворення води або водяної пари в атмосфері, перехід води з одного стану в інший супроводиться складними енергетичними процесами, що закінчуються або виділенням тепла, або витрачанням його і, отже, охолодженням повітря. Це дає право назвати водяну пару головним «рознощиком» енергії в атмосфері.

Пара і крапельки води (і хмари) відіграють ще й іншу роль в атмосфері. Водяна пара вбирає променисту енергію, що йде від поверхні Землі в світовий простір, і надійно вкриває Землю, не даючи їй охолоджуватись.

Умови конденсації:

а) зниження температури повітря;

б) наявність ядер конденсації (частинок, на яких можливе осідання водяної пари.

При конденсації кожного грама води виділяється 600 кал тепла, при сублімації 1 г льоду - 677 кал.

Утворення крапель при конденсації і сублімації відбувається на деяких центрах, які називаються ядрами конденсації. Це частинки гігроскопічних солей, краплі кислот, тверді частинки (аерозолі), які є продуктами згорання або органічного розпаду, на яких осідає водяна пара у вигляді краплинок, утворюючи хмари й тумани. Найчастіше серед аерозолів трапляються сполуки Хлору, Сульфуру, Нітрогену, Карбону тощо. Вони надходять до атмосфери з поверхні океанів, суші, з відходів промислових центрів, а також із Космосу. Кількість ядер конденсації в 1 см3 повітря біля земної поверхні може налічувати тисячі і десятки тисяч, а в містах -- мільйони.

Рівень конденсації -- висота, на якій повітря охолоджується до точки роси. У тундрі цей рівень розміщений на висоті кількох сотень метрів, а в пустелях -- кількох кілометрів.

2.2 Утворення туманів, їх класифікація

Накопичуючись у приземному шарі атмосфери, продукти конденсації та сублімації можуть утворювати туман (дрібних краплин води або кристалів льоду). При утворенні туману теплота віддається приземному шару повітря. Видимість в тумані може досягати 1 км. Якщо видимість перевищує 1 км, туман називають серпанком. Скупчення твердих частинок (диму й пилу) в сухому повітрі називають імлою. Тумани виникають з різних причин. Але майже завжди, вивчаючи ці причини, ми виявляємо, що утворення туману відбувається або в результаті зволоження повітря, або в результаті зниження температури чи засмічення вологого повітря гігроскопічними речовинами. Розглянемо деякі випадки утворення туманів. Нерідко у вогких місцях, у долинах, на дні яких часто течуть невеличкі річки або є болота, вночі збирається холодне повітря, що стікає а горбів; у холодному, густому повітрі випари боліт, річечок тощо охолоджуються і утворюють тумани. Тут тумани виникають, як правило, в ясні, холодні ночі при слабких вітрах. Перед ранком туман витягується тонким, низьким шаром, в кілька метрів заввишки.

На морозі пара швидко конденсується, утворюючи туман. Іноді при сильних морозах міста в Сибіру вкриті суцільним туманом. Спостерігачеві з повітря ці тумани здаються величезними кусками хмарних ковдр [17].

Коли на сильному морозі людина або тварина прискорено дихає, з рота йде пара. Ця видима пара являє собою туман, найпростішу хмарку, що виникає через замерзання видихуваної пари. В сильний мороз пара раптом перетворюється в кристалики, які труться один об одного, тоді можна навіть почути характерний шелест.

Перетворення водяної пари в туман може відбуватись як в результаті сильного охолодження повітря на місці, так і в результаті руху великих повітряних мас. Якщо потоки холодного повітря проносяться над теплою водою або над теплою вологою поверхнею ґрунту, то в такому холодному повітрі може виникнути туман. Ось чому, коли після відлиги настають морози, виникає морозний серпанок, або туман. Узимку при теплих вологих вітрах з півдня над дуже охолодженими ділянками земної поверхні так само можуть виникнути низькі рухливі, «бродячі», тумани, що поширюються в сторону переміщення повітряних потоків біля земної поверхні.

Над водними поверхнями тумани виникають частіше, ніж над ділянками суші. Так, пізньої осені вода в ріках звичайно буває тепліша за повітря. З поверхні теплої води безперервно відбувається випаровування. Пара, потрапляючи в холодніше повітря, конденсується, збирається в крапельки води, утворюючи туман, що густою смугою огортає русло ріки. Так виникають тумани над ополонками, розводдями серед криги в холодних морях. В той час як береги вкриті снігом, у відкритому морі плавають величезні крижані поля й окремі крижини. Між ними темніють розводдя, відкриті водні поверхні. Тут вода звичайно має температуру 1--2° нижче нуля і не замерзає через свою солоність і рухомість. А повітря над такими розводдями може бути набагато холодніше. Волога, що випарувалася з поверхні води, тут-таки, над водною поверхнею, конденсується, утворюючи туман [5].

Залежно від умов формування, тумани бувають різних типів:

а) радіаційні тумани -- утворюються в теплу пору року увечері або вночі за тихої безхмарної погоди над річками, озерами, низовинами; виникають внаслідок охолодження нижнього шару повітря від охолодженої за рахунок радіаційного випромінювання поверхні;

б) адвективні тумани --- виникають при переміщенні теплого повітря над холодною поверхнею. Охоплюють великі території і мають значну потужність, характерні для морських узбереж, особливо восени;

в) тумани випаровування -- спостерігаються восени над водоймами (річками, озерами), коли їхня вода тепліша за повітря;

г) тумани змішування -- утворюються на межі повітряних мас з різною температурою і вологістю. Серед них розрізняють гарруа -- тумани, характерні для берегових пустель у тропіках, де біля берегів проходять холодні течії. Тумани змішування утворюються також між холодними і теплими течіями (о. Ньюфаундленд). По суті тумани змішування є різновидом адвективних туманів;

д) тумани схилів -- виникають на гірських схилах внаслідок підняття та адіабатичного охолодження повітря;

е) міські тумани -- пов'язані з величезною кількістю ядер конденсації у повітрі великих міст. Коли туман перемішується з димом, вихлопними газами автотранспорту, продуктами горіння, видимість падає майже до нуля, повітря стає задушливим, -- це смог (від англійських слів «смоук» -- дим і «фоґ» -- туман).

За температури -5...-10 °С тумани можуть складатися з краплинок води і з кристаликів льоду (мішані тумани). Найчастіше тумани спостерігаються в Арктиці та над морями біля берегів Антарктиди. У помірних широтах виділяють район о. Ньюфаундленд, поблизу якого протікає тепла течія Гольфстрім і Лабрадорська холодна течія; прибережні пустелі Південної Америки і Південної Африки, де тепле повітря з пустель проходить над холодними океанічними течіями. Тумани виникають часто в Середній Європі, на берегах Каліфорнії, Атлантичному узбережжі Південної Америки, Мадагаскарі. Мало туманів у внутрішніх частинах материків, особливо в пустелях (карта) [14].

Піднімаючись, повітря адіабатично охолоджується і на деякій висоті (рівень конденсації) стає насиченим, тобто в результаті конденсації водяної пари в атмосфері виникають скупчення продуктів конденсації (краплин і кристалів), які називають хмарами, тобто хмари - це сукупність завислих у повітрі продуктів конденсації та сублімації водяної пари.

РОЗДІЛ 3

ВИНИНЕННЯ ХМАР, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ

3.1 Виникнення хмар

Хмари виникають при конденсації водяної пари в атмосфері, коли утворюються або крапельки води, або кристали льоду. Формування хмар відбувається, коли при підйомі й охолодженні водяна пара переходить через точку насичення. При підйомі повітря попадає в шари усе більш низького тиску. Ненасичене повітря з підйомом на кожен кілометр охолоджується приблизно на 10°С. Якщо повітря з відносною вологістю біля 50% підніметься більш ніж на 1 км, почнеться утворення хмари. Конденсація спочатку відбувається в основі хмари, що росте нагору доти, поки повітря не перестане підніматися і, отже, охолоджуватися. Улітку цей процес легко побачити на прикладі пишних купчастих хмар із плоскою основою, що здіймається й опускається разом з переміщенням повітря вершиною. Хмари формуються також у фронтальних зонах, коли тепле повітря сковзає нагору, насуваючи на холодне, і при цьому охолоджується до стану насичення. Хмарність виникає й в областях низького тиску з висхідними потоками повітря.

Звичайно в хмарах повітря дуже вогке, бо водяна пара в них насичена. Саме тому в хмарах є умови для конденсації пари, тобто для утворення крапельок води. Якщо краплі збільшуються в розмірах, то вони стають важчими і падають. Коли крізь хмару, що складається з крапель води, падають сніжинки або льодяні кристалики (з вище розміщених частин хмари), краплі випаровуються, а кристалики за їх рахунок збільшуються [11].

Вирісши й обважнівши, кристалики у вигляді сніжинок можуть при своєму падінні досягти землі.

Буває так, що в атмосфері є достатня кількість пари, вологість повітря велика, температура низька -- і все-таки конденсація не відбувається, краплі не виникають. Іноді буває, що хмара складається з переохолоджених крапель води, а кристалики не утворюються. Відомі також випадки, коли в хмарах переохолоджені краплі дощу мали температуру 40° нижче нуля, а кристалики з цих крапель не утворювались, вода не замерзала.

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].

Страницы: 1, 2, 3, 4