Ефремов В.Н. Основы теории облако- и осадкообразования. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ

«ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОБЛАКО- И ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ»

(Ефремов В.Н.)

ДЛЯ МАГИСТРОВ II-КУРСА

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: МЕТЕОРОЛОГИЯ

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОЦЕССЫ ОБЛАКООБРАЗОВАНИЯ

1.1. Состав атмосферы

1.2. Процессы облако и осадкообразования

2.КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЛАКОВ

3. КОНВЕКТИВНЫЕ ОБЛАКА

3.1 Уравнение первого начала термодинамики для метеорологии

3.2. Адиабатический процесс

3.3. Сухоадиабатический градиент

3.4. Критерий устойчивости атмосферы

3.5. Влажноадиабатический процесс

3.6. Образование конвективных облаков

4. СЛОИСТЫЕ ОБЛАКА

5. ПЕРИСТЫЕ ОБЛАКА

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Облака играют одну из главных ролей в формировании погодных условий на

Земле. Они являются основными поставщиками влаги. В зависимости от термоди-

намических условия атмосферы развиваются облака различных форм. В основном

их можно разделить на три категории - это перистые, слоистые и кучевые. Процес-

сы, происходящие в них, дают большое разнообразие видов осадков. Это дождь,

снег, град, крупа, морось, ливень. Поэтому необходимо знать не только, как обра-

зуются облака, но и процессы, приводящие к формированию различных видов

осадков.

Облака являются и регуляторами поставки лучистой энергии к земной по-

верхности, что немаловажную роль играет в формировании погодных условий и

климата.

Процессы облако и осадкообразования на первый взгляд кажутся простыми. С

начало должна произойти конденсация пара, затем рост частиц за счет конденса-

ции, далее кристаллизация и дальнейший рост за счет конденсации и на последнем

этапе выпадение осадков.

Однако, моделирование процессов облако и осадкообразования столкнулось с

большими проблемами уже на первом этапе - конденсации водяного пара. При тех

пересыщениях, которые наблюдаются в облаке, а это 1 - 1,5 %, пар не хочет кон-

денсироваться, Оказалось, что для того , чтобы пошел процесс конденсации, необ-

ходимы ядра конденсации, а в лабораторных условиях это не учитывалось. Опыты

проводились с чистым воздухом. Как оказалось ядер конденсации в естественных

условиях довольно много, примерно 10

частиц в см

. Таким образом первая труд-

ность была преодолена, но появилась следующая. За счет конденсации капли рас-

тут интенсивно до 10 - 20 мкм, а затем их рост резко снижается. Следовательно

должен существовать другой механизм укрупнения частиц. Этим механизмом ока-

залась коагуляция, т.е. слияние капель за счет столкновения. Но оказалось, что коа-

гуляция позволяет вырасти капле, в основном, до 50 - 60 мкм, что осадков не даст.

Заметили на практике, что осадки выпадают из облаков, в которых присутст-

вуют кристаллы. Казалось бы, что здесь не должно возникнуть проблем. Понизь

температуру ниже 0

С и получишь осадки. На самом деле оказалось, что вода в

облаке может находиться в жидком состоянии и при отрицательных температурах,

причем довольно низких. Таким образом водяные капли не хотят кристаллизовать-

ся. Оказалось, что процесс кристаллизации проходит в тех случаях, когда в воздухе

присутствуют ядра кристаллизации. По своей структуре они отличаются от ядер

конденсации тем, что имеют кристаллическую решетку, как у льда. Но оказалось,

что и в этом случае, когда кристаллы растут за спет интенсивной конденсации и

коагуляции, осадки не выпадают. В лучшем случае частица, пролетев облако, вы-

растает до размеров мороси.

Следовательно, должен существовать еще один дополнительный механизм

укрупнения частиц. Им оказались восходящие вертикальные потоки, которые под-

держивают частицу в облаке довольно долгое время, давая ей возможность вырас-

ти до больших размеров.

Классической теорией образования осадков является теория, разработанная в

30-х годах Берджероном и дополненная в 40-х годах Финдейзеном. Эта теория по-

лучила название Берджерона-Финдейзена, которые рассмотрели механизм, доста-

точный, по меньшей мере при определенных обстоятельствах, для объяснения

причин, заставляющих облачную частицу расти до размеров наблюдаемых элемен-

тов осадков внутри приемлемого интервала времени. В основе ее лежит наличие

кристаллов в облаке и их рост за счет перекачки водяного пара с капель на лед и

дальнейшая коагуляция.

Эта теория хорошо объясняла механизм образования осадков в облаках сред-

них и высоких широт и неработала для тропиков. По их теории образование кри-

сталлов должно происходить тогда, когда вершина облака достигнет отрицатель-

ных температур, когда начнется интенсивное образование кристаллов. В экватори-

альной зоне это условие не всегда выполняется, однако, осадки выпадают. Для та-

ких облаков была разработана специальная теория, по которой предполагалось, что

за счет сильных восходящих потоков капля вырастает до таких размеров, что про-

исходит ее разбрызгивание и продолжение укрупнения получившихся капель, т.е.

возникает механизм “цепной реакции”. Таким образом в облаке накапливается

большое количество воды и, когда ее масса превосходит поддерживающую силу

вертикальных потоков, происходит обрушение.

Эти две теории и являются в настоящее время наиболее признанными.

1. ПРОЦЕССЫ ОБЛАКООБРАЗОВАНИЯ

1.1. Состав атмосферы

Воздух - это смесь нескольких газов и различных твердых и жидких частиц.

Содержание одних газов остается постоянным. Других - переменным. Концентра-

ция жидких и твердых частиц также меняется.

К постоянным газам относятся:

1. Азот - 78 %

2. Кислород - 21 %

3. Аргон, неон, гелий - 1 %

Этот состав остается постоянным до высоты 90 км.

К газам с переменной концентрацией относятся:

1. Водяной пар - самая большая концентрация

2. Углекислый газ

3. Озон

Эти газы сильно влияют на перенос лучистой энергии в атмосфере.

Твердые и жидкие частицы - называются аэрозолями.

К ним относятся:

1. Облачные водяные капли

2. Частицы пыли

3. Споры растений

4. Гигроскопические ядра конденсации

1.2. Процессы облако и осадкообразования

Первоисточником образования облаков является водяной пар. Облако пред-

ставляет собой совокупность капель и кристаллов, находящихся в непрерывном

процессе эволюции. Поэтому облакообразование надо рассматривать, как сложный

термодинамический процесс, связанный с фазовыми переходами воды, т.е. облако

не является статическим понятием, а отражает динамику комплекса атмосферных

явлений.

Отмечаются следующие фазовые переходы:

1. Конденсация - испарение, т.е. жидкость « пар.

2. Замерзание - таяние, т.е. твердое состояние « жидкость.

3. Сублимация - возгонка, т.е. твердое состояние « пар.

Сублимация - переход пара в твердое состояние без жидкой стадии.

Возгонка - переход твердого состояния в пар без жидкой стадии.

Процесс облакообразования выглядит следующим образом:

1. Испарение воды с водных поверхностей и подстилающей поверхности.

2. Перенос водяного пара вертикальными потоками.

Вертикальные потоки образуются за счет:

а) Подъем и опускание воздуха в циклонах и антициклонах

б) Орографический подъем

в) Конвекция

г) Турбулентность

Подъем водяного пара до уровня конденсации происходит сухоадиабатически,

т.е. воздух охлаждается на 1

на каждые 100 м.

3. Конденсация водяного пара

Переход пара в жидкость происходит при флюктуации молекул пара и их сце-

плении. При этом выделяется скрыта теплота конденсации, которая может разру-

шить соседние сцепления молекул. Чем большее число молекул объединилось, тем

более устойчива эта система, т.е. при укрупнении капли разрушаются более мел-

кие.

Выше уровня конденсации скорость охлаждения уменьшается до влажноадиа-

батического, величина которого зависит от скорости конденсации. Обычно это по-

ловина сухоадиабатического. Но, достигнув относительной влажности 100 %, во-

дяной пар, как правило, не превращается в капли. Капли начинают образовываться

только тогда, когда относительная влажность достигает нескольких сотен процен-

тов. При двукратном пересыщении одна капля образуется в течение 10

лет и

только при четырехкратном пересыщении возможна спонтанная конденсация. Эти

данные получены на основании формулы

где I - число частиц, образующихся в единицу времени,

A - постоянная, равная 10

W - энергия на образование зародыша,

k - постоянная Больцмана,

T - температура.

В тоже время известно, что в облаке пересыщение не превышает 1,5 %. Отсю-

да следует, что спонтанная конденсация водяного пара в однородной атмосфере,

т.е. когда присутствует только пар, невозможна. Энергия спонтанной кристаллиза-

ции выражается следующей формулой:

Wsr==

sps

где s - удельное поверхностное натяжение

s - площадь

r - радиус капли

Следовательно, должен присутствовать дополнительный механизм конденса-

ции. Доказано, переход пара в капли происходит только в гетерогенной среде, со-

держащей посторонние примеси. Эти примеси получили название ядер конденса-

ции. Они представляют собой жидкие или твердые частицы, спонтанно покры-

вающиеся жидкой пленкой, а растворимые частицы превращаются в каплю. Моле-

кулы водяного пара спокойно будут теперь конденсироваться на готовой жидкой

поверхности.

Существуют следующие виды частиц, способных стать ядрами конденсации:

а) Твердые частицы, нерастворимые и несмачиваемые. Это частицы пыли, пес-

чинки, частицы кварца, угля и другие. Они могут стать ядрами конденсации только

при больших пересыщениях и поэтому не играют существенной роли.

б) Твердые частицы, нерастворимые, но смачиваемые. Они спонтанно адсорби-

руют воду в зависимости от влажности и могут быть ядрами конденсации.

в) Твердые растворимые частицы. В водяном паре образуют капли растворов и

служат ядрами конденсации.

Источниками ядер конденсации служат море, солончаки, пустыни, промыш-

ленные выбросы, почва. В образовании облаков участвует только 10 % ядер кон-

денсации с размером r = 0,1 мкм. Осадки вымывают ядра конденсации. Их концен-

трация зависит от территории.

Город - 14700

см

Село - 9500

Море - 940

Горы - 950

Зависит концентрация от времени суток и года. Днем и летом их отмечается

максимальное количество. На высоте 2 км их в 10 раз меньше, чем у земли. Скап-

ливаются они и под инверсиями. В антициклонах их меньше.

По статистике в облаке содержится до 100 шт капель размером в 10 мкм. Так-

же в облаке содержится

Радиус Кол-во Скорость

капли падения

r(мкм) n(1/л) V(см/с)

Ядра конденсации 0,1 10

0,0001

Облачных частиц 10 10

Крупных облачных частиц 50 10

Дождевых капель 1000 1 650

Ядра конденсации размером в 0,5 мкм называются крупными. Их концентра-

ция над океаном составляет 10

- 10

1/л, а более 10 мкм - гигантскими с концен-

трацией 1 частица на литр.

Существует для облачных капель так называемый критический радиус. Это

такой радиус, достигнув которого, частица не сможет испариться и будет расти.

Этот радиус определяется формулой:

где М - молекулярный вес

- плотность фазы

R - универсальная газовая постоянная

T - температура

- упругость насыщения над каплей радиусом r

- упругость насыщения над плоской поверхностью воды

Расчеты показывают, что при пересыщениях, встречающихся в облаках, кри-

тический радиус лежит в пределах 5 - 6,2 мкм, что следует из таблицы:

0,8 1,0 1,1

кр

, мкм 25 6,2 5,0

Из формулы видно, что для перехода от пара к жидкости необходимо перейти

границу между фазами или по давлению пара или по температуре. Продемонстри-

руем это на рис.1.

На рисунке линия аа представляет собой границу между фазами I и II. При

изменении упругости пара е при постоянной температуре Т

линия значений е пе-

ресечет границу в точке x и новая фаза II появится в точке А при значении е = е

Если при постоянной упругости е

изменять температуру, то граница будет пересе-

чена в точке y. Новая фаза образуется при температуре Т

в той же точке.

Рис.1. Диаграмма образования новой фазы в облаке

а-а - граница между фазами, Аx - пересыщение, Аy - переохлаждение

4. Конденсационный рост капель.

Классическая теория разработана Максвеллом для стационарного конденса-

ционного роста неподвижной сферической частицы. Она дает, что размер капли

через время t равен

()

cct

=+-

где r - радиус в момент времени t?

- начальный радиус,

D - коэф. диффузии пара,

- плотность водя

- концентрация (плотность) водяного пара вдали от капли,

- концентрация (плотность) водяного пара при температуре капли.

На практике рост капли несколько отличается от этой формулы, т.к. не учи-

тываются следующие факторы:

1. Движение капли и следовательно ее испарение

2. Капли живут довольно долго, а окружающие условия (температура, концентра-

ция) непрерывно меняются

3. При падении капля проходит слои с разной температурой, а следова-

тельно меняются скорость ее роста или испарения, т.к. она не успевает

принять температуру окружающей Среды

4. При конденсации температура капли и упругость пара над ней повышаются и

рост капли замедляется. При испарении температура капли понижается и скорость

ее роста замедляется.

5. Температура капли, пришедшей на данный уровень сверху, ниже, чем у капли

снизу. Теплая капля испаряется быстрее.

Данная теория Максвела неоднократно доробатывалась, но получить точную

модель роста капли при конденсации не удается. Можно только констатировать,

что скорость конденсационного роста капли обратно пропорциональна радиусу.

Практически показано, что основной конденсационный рост капель происхо-

дит в нижних 100 метрах, т.к. здесь наблюдается максимальное пересыщение.

Спектр размеров частиц в различных точках облака различен, но в среднем

его можно охарактеризовать следующим образом: мелкокапельная фракция описы-

вается логарифмической кривой, крупнокапельная - степенной и представить, как

на рис.2.

Рис.2. Распределение капель по размерам в St

По статистике в 1 м

облака содержится:

r = 100 m 2 -1000

r = 200 m 0,1 - 200

r = 400 m 0,06 - 62

5. Коагуляционный рост капель

Рост капель за счет их слияния называется коагуляционным. Коагуляция про-

исходит на каплях более 20мкм. Имеются различные виды коагуляции:

1. Броуновская - это, когда частицы испытывают хаотическое движение, вызванно-

го ударами молекул окружающего воздуха, под влиянием теплового движения.

2. Гидродинамическая - это, когда две одинаковые частицы, летящие рядом, испы-

тывают гидродинамическую силу притяжения, которая равна:

где r - плотность среды

r - радиус частицы

u - скорость падения

R - расстояние между центрами частиц

3. Градиентная - это, когда частицы движутся в ламинарном потоке при наличие

градиента скорости будут сталкиваться, благодаря разности скоростей.

4. Акустическая - это, когда частицы находятся в акустическом поле и испытывают

из-за этого колебательные движения.

5. Электрическое - это, когда частицы сливаются под действием кулоновских сил,

дипольные силы взаимодействия между паляризованными в электрическом поле

частицами и движения заряженных частиц под действием электрического поля об-

лака. Эта коагуляция имеет большое значение для частиц от 1 до 10 мкм.

6. Турбулентная. Мало изучена.

7. Гравитационная - это столкновение под действием силы тяжести. При этом ско-

рость роста пропорциональна квадрату радиуса.

На большом расстоянии друг от друга капли движутся прямолинейно. Сбли-

жение их с крупной каплей приводи к искривлению ее траектории. Поэтому часть

капель, которые могли бы удариться при прямолинейном движении, не столкнуть-

ся с каплей. Для учета этого вводится коэффициент соударения, который равен от-

ношению площади сечения потока, капли внутри которого столкнулись, к сечению,

капли в котором могли бы столкнуться (рис.3.).

Рис.3. Инерционное осаждение частиц и коэффициент соударения

Для шара Э

, Для цилиндра, ось которого перпендикулярна чертежу,

Исследования показывают, что зависимость коэффициента соударения от ско-

рости, размера частиц, вязкости и др. параметров является функцией числа Рей-

нольдса (Re), Числа Стокса (Stk) и числа Фруда (Fr).

не обязательно давать

Re =

Stk

где r - плотность воздуха

- плотность капли

- скорость относительного движения частиц на большом удалении

R - характерный размер крупной капли

r - характерный размер малой капли

h - коэффициент молекулярной вязкости

- инерционный пробег капли

Для больших Re, т.е. больших скоростей, и когда вязкость можно не учиты-

вать коэффициент соударения равен:

Stk

()

(,)

0125

Для малого значения Re, т.е. малых скоростей, велико влияние вязкости и ко-

эффициент соударения будет:

Stk

0754

21214

,ln()

Показано, что с увеличением числа Стокса, т.е. с увеличением скорости,

плотности набегающей капли и ее размера, растет коэффициент соударения. С уве-

личением же крупной капли коэффициент соударения уменьшается. Иначе, на

мелких предметах осаждается больший слой, чем на крупных, хотя осажденная

масса на крупных - больше. Это подтверждается практикой.

Это можно объяснить с физической точки зрения тем, что крупная капля соз-

дает впереди себя большее избыточной давление за счет его сжатия. Поэтому и

мелкие набегающие капли осаждаются меньше, чем крупные, т.к. у крупных боль-

ше инерция.

Наряду с коэффициентом соударение есть понятие коэффициент слияния, для

твердых тел слипание. Как показывает практика не каждое столкновение приводит

к слиянию, т.е. отмечается глиссирование на тонком слое воздуха между каплями.

Экспериментальные данные показывают, что при относительной влажности

100 % коэффициент столкновения близко к единице. Благодаря коагуляции капли

вырастают до нескольких миллиметров. Скорость роста капель за счет коагуляции

пропорциональна квадрату радиуса, а скорость конденсационного роста обратно

пропорциональна радиусу.

6. Образование твердой фазы.

Наблюдения за облаками показывают, что в основном осадки выпадают из об-

лаков смешанного типа. При охлаждении пара более вероятно переход его в жид-

кую фазу, а потом замерзание, нежели из пара в лед. Для последнего перехода

нужно большое пересыщение. При -6

появляются первые кристаллы. При -20

почти вся вода кристаллизуется. При -40

облако полностью кристаллизуется. По-

сле образования кристалла он начинает быстро расти за счет капель, т.к. упругость

насыщения надо льдом меньше, чем над водой. Говорят “лед ест воду”. В настоя-

щее время установлено, что замерзание воды происходит путем образования цен-

тров кристаллизации. Их появление связано либо со спонтанным образованием за-

родышей льда, либо с наличием примесей. Примесью может быть твердая частица

по своей кристаллической структуре похожей на структуру льда или кристаллик

растворенного в капле вещества, который выкристаллизовался в результате пони-

жения температуры капли.

Форма кристаллов разнообразна, но есть три основные вида - это столбик,

пластины и дендрит. Столбики образуются при широком диапазоне температур: от

до -30

, но малым пересыщении. Пластины - при больших пересыщениях в диа-

пазоне температур от 0

до -5

. Дендриты - при больших пересыщениях в диапазо-

не от -10

до -20

Рост

Рост Рост

Столбик Пластина Дендрит

Здесь аналогично с мелкими кап-

лями. Из-за малого радиуса нуж-

но большое пересыщение.

Столкновение кристалла с кристаллом дает снег, а кристалла с каплей - град.

При малых каплях они растут за счет диффузионного роста, для крупных капель

преобладает коагуляция.

7.Вертикальные потоки. Чтобы вырасти частицам до крупных размеров нужны

вертикальные потоки.

2. Классификация облаков

Облака образуются по следующим причинам:

1. При охлаждении воздуха

2. При перемешивании теплого и холодного воздуха

3. При натекании теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность

(склон).

По международной классификации облака делятся: