Водяной пар в атмосфере

Лекция №14

Водяной пар в атмосфере.

В настоящее  время, наряду с фотографическими методами наблюдений ИСЗ, широкое распространение  получили лазерные и радиотехнические методы, позволяющие получать дальность  и радиальную скорость спутника.

Результаты, полученные  с помощью лазера боле точные, чем радиометрические. Однако, важным преимуществом последних является их всепогодность. К тому же точность радиометрических систем непрерывно повышается.

Наиболее значительную ошибку в измеряемые величины вносит атмосфера Земли. Причем её влияние больше сказывается на результатах измерений радиотехническими средствами.

При неблагоприятных условиях поправка за влияние атмосферы в  расстояние, измеряемое лазером, может  достигать нескольких десятков метров, а радаром – нескольких километров.

Поэтому снижение влияния  атмосферы является единой из основных проблем при обработке спутниковых  наблюдений.

Одной из важных составляющих частей атмосферы является водяной  пар. От его количества зависят физические характеристики воздуха, влияющие на скорость распространения света и радиоволн в атмосфере.

Количество водяного пара в воздухе характеризуют следующие  величины:

1. Упругость пара (ℓ) – парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе. Измеряется в м.барах.

                         1Па= = ;     

1 бар =1 Па =750 мм.рт.ст.

1 атм =1.013 Па =760 мм.рт.ст.

, где

– количество молекул пара,

( ) - постоянная Больцмана

 

 

n– количество вещества (пара),моль,

V– объем газа,

n=

,

где m– масса газа(пара),кг.

      ;

18.016

 

=

 

1 моль = 6.022 структурных элемента

Такое количество вещества    …..     

с учетом этого  размерность [ N ]=

Упругость пара, насыщающего пространство над плоской  поверхностью чистой воды вычисляется  по формуле

E (t

)= 6.107

Формула работает в интервале температур      -20

При t= +30 , E= 8.57      (1 па = = = )

При при этом

t	0	10	20
	0.0727	0.0670	0.0620

 

, где

 

 

Максимальная упругость  водяного пара над переохлажденной  водой  определяется

как    ,

где   x =

        𝜣 = 643

         T = 273

         A = 3,1473172

         b = 0,00295944

         m = 0,0004191398

         n = 18,29924

          s = 82,43516

Над поверхностью льда

Содержание  водяного пара в атмосфере зависит  от места и времени и называется влажностью воздуха (или просто влажностью). Парциальное давление (partialis – лат. – частичный) – давление идеальной газовой смеси , которое он оказывал бы, если находился бы один в объёме всей смеси водяного пара не может превышать определенного, зависящего от температуры, значения – давление насыщенного водяного пара.

В данном объёме воздуха при данной температуре  может содержаться лишь вполне определенного  количества водяного пара.

2. Максимальное количество водяного пара, которое может находиться в 1 воздуха при каждой определенной температуре, называется максимальной влажностью, или количеством насыщенного пара ( )

;

 .

Единица СИ [ ]= кг/ (или г/ - чаще).

Обычно же количество пара, содержащегося в воздухе, меньше  .

3. Количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 воздуха, называется абсолютной влажностью ( )

Для вычисления абсолютной влажности воздуха существует формула:

                    , ,

где - парциальное давление пара

Т=

4.  Относительная  влажность, ( ),

Отношение абсолютной влажности 𝑓 к максимально возможной влажности , выражается в

Максимальная влажность зависит от температуры, поэтому и относительная влажность не остается постоянной, даже если абсолютная влажность остается постоянной.

5.  Удельная влажность  , 𝑞 (безразмерная величина)

                                  𝑞 =

 – газовая постоянная для  воздуха (287.05 );

R – универсальная газовая постоянная ( 8.31432 ).

Эмпирическая  зависимость (𝑞) от  z имеет вид

 𝑞 = ,

 ;

a и b- постоянные коэффициенты, зависящие от времени года.

 

Время года   Коэф.	зима	весна	лето	осень
a   b	0.0483   0.0158	0.0941   0.0163	0.0947   0.0138	0.0905   0.0124

 

6. Отношение смеси, 

                                            = 0.622 ,

где  ;

пара, мбар.;

Ρ – давление.

Величин а 𝑞 и m_c не меняется при сжатии, расширении, нагревании и охлаждении воздуха. Ими удобно пользоваться при решении уравнения диффузии.

7. Дефицит влажности, d – разность между насыщающей упругостью водяного пара (E) в атмосфере при данных t и p и фактической упругостью пара ( )

                                              d =E- , мбар.

Поэтому параметру рассчитывают испарение, пропорциональное количеству пара, которое воздух способен поглотить.

8. Точка росы, температура, при которой пар, имеющий данную упругость ( ), станет насыщенным паром. Или – это такая температура, при которой начинается конденсация воды, содержащейся во влажном воздухе (образование росы).

Конденсирующийся пар  выступает в виде росы на поверхности  твердых тел. Если таковых недостаточно, то в присутствии центров конденсации (пыли) образуется туман. В отсутствии центров конденсации водяной  пар может переохлаждаться ниже точки росы. Для насыщенного пара

𝑙=

, где

= E(t)

ln φ= –

=-

Величина – (дефицит точки росы)характеризует относительную влажность ( ).

В частности, при 0,  
Большое значение для расчетов поглощения инфракрасной радиации, образования осадков и прочее имеет количество осажденной воды  (Q)- количество водяного пара в (г) в вертикальном столбе воздуха сечением 1 .

Q =

Q определяют либо по аэрологическим наблюдениям, либо по ИСЗ, либо по наземным радиотеплолокационным наблюдениям полосы излучения водяного пара с 𝜆=1.35см

.

9. Измерение  влажности воздуха

Для измерения  относительной влажности воздуха  пользуются волосными гигрометрами. В них применяются обезжиренные волоски (гигроскопические), длина которых меняется с изменением влажности.

Другой прибор для измерения атмосферной влажности  воздуха- психрометр. Он состоит из 2-х одинаковых термометров, но ртутный шарик одного обернут мокрой тряпочкой. При продувке воздуха с помощью вентилятора, встроенного в прибор(механический), вода, испаряясь, охлаждает этот термометр, и он показывает более низкую температуру, чем сухой.

Разность температур служит мерой относительной влажности. Если φ=100

= 0.

 

Атмосферное давление и плотность.

Атмосферный воздух – смесь газов. Содержание газа в воздухе можно определить как через частичную его концентрацию, так и через парциальные давления и плотность. Парциальные (partialis – лат – частичный ) – давление идеальной газовой смеси, которое оказывал бы газ, находясь один в объёме всей смеси. Прежде, чем перейти к дальнейшему изложению материала, вспомним некоторые понятия из школьного курса физики, а так же установим обозначения величин, используемых при написании формул.

1. Количества вещества ( ) характеризует число структурных элементов, содержащихся в данной системе. Это могут быть атомы, молекулы, ионы, электроны и другие частицы. основных единиц СИ. Её размерность [ ]=моль.
2. 1 моль – такое количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов сколько атомов в 12 г изотопа углерода ( ). В количестве вещества, равном 1 моль, содержится 6.022 структурных элементов.

,

где   m – масса газа, кг;

М – молярная масса вещества(газа), ;

Молярная масса  сухого воздуха  28.964 ;

Молярная масса влажного воздуха .

( ) 1А.Е.М ,

 

где - атомная масса (вес) молекулы вещества.

Атомная масса – относительная величина. Она определяется по отношению к массе атома углерода ( ), которая принимается равной 12.000000. Для абсолютного определения атомной массы введена Атомная Единица Массы (А.Е.М), равная 1/12 массы атома углерода

1а.е.м.= =1.6605655(86) кг

 

3. молярный объем вещества

 ,  ( /моль)

где V – объем газа,

4. – удельный  объем газа

= = = ,

где – плотность газа,

Парциальное давление ( ) и плотность вычисляются по формулам

= k T

=

где - количество молекул i газа

N = =

k = 1.3805 ( ) – постоянная Больцмана.

Т= 273.15 – абсолютная температура.

Согласно закону Дальтону – давление смеси идеальных  газов, химически не взаимодействующих  друг с другом, равно сумме их парциальных давлений, т.е.

= 

где к – число газов в воздушной смеси. При этом отношении – концентрация смеси; – отношение смеси воздуха.

Плотность воздуха

Согласно уравнению  состояния газов Клайперона (При постоянной температуре произведения давления газа на его объём- величина постоянная) т.е.

V= const.

Из курса  физики известно такое соотношение:

= ,

где R =8.31432 – универсальная газовая постоянная(молярная)

– удельный объем газа

= =                         =

 

R = k Na   и       и    Na =

Na= 6.02253 – число Авогадро (число частиц на киломоль );

=287.05 – газовая постоянная для воздуха (удельная газовая постоянная)

С учетом этих формул

 

При обработке  результатов наблюдений ИСЗ используется формула:

г/ или 1.2555(1 ,

где плотность воздуха на уровне моря 1.22 г/ 1.22 кг/ ;

 

= – средняя высота орбиты ИСЗ;

 шкала высот – высота  однородной атмосферы,

.

 – ускорение силы тяжести на высоте .