大气中的水分.ppt

第三章大气中的水分第一节蒸发和凝结大气从海洋、湖泊、河流及潮湿土壤的蒸发中或植物的蒸腾中获得水分。水分进入大气后,由于它本身的分子扩散和空气的运动传递而散布于大气之中。在一定条件下水汽发生凝结,形成云、雾等天气现象,并以雨、雪等降水形式重新回到地面。地球上的水分就是通过蒸发、凝结和降水等过程循环不已。因此,地球上水分循环过程对地-气系统的热量平衡和天气变化起着非常重要的作用。一、水相变化1水的三相:气态(水汽)、液态(水)和固态(冰)称为水的三相。水是大气中唯一种三态共存且相态变化的物质原因是水有较高的临界温度(374℃),保证常温下有液态,高于此温,无论怎么加压也不会有固液态较高的冻结温度(0℃),在常温范围,保证常温下有固态,若低于此温度就难见固态,如CO2物质的气态总能存在℃,N为单位时跑出水面的分子数,n为单位时间内落回水中的水汽分子数,则得到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据,即N>n蒸发(未饱和)N=n动态平衡(饱和)N<n凝结(过饱和)但在气象工作中不测量N和n,所以不能直接应用以上判据。由水汽的气体状态方程e=ρwRwT可知,在温度一定时,水汽e与水汽密度ρw成正比,而ρw与n成正比,所以e和n之间也成正比。当水汽压e为某一定值时,则有一个对应的n值。当在某一温度下,水和水汽达到动态平衡时,水汽压E即为饱和水汽压,对应的落回水面的水汽分子数,,对照分子物理学判据可得两相变化和平衡的饱水汽和压判据E>e蒸发(未饱和)E=e动态平衡(饱和)(3·1)E<e凝结(过饱和)若Es为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压,与以上类似也可得到冰和水汽两相变化和平衡的判据Es>e升华Es=e动态平衡Es<e凝华上面说明了水相变化是可以由实测的水汽压值e与同温度下的饱和水汽压值E(或Es)之间的比较来判定的。。水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条件下。水只存在于0℃以上的区域,冰只存在于0℃以下的区域,水汽虽然可存在于0℃以上及以下的区域,但其压强却被限制在一定值域下。图3·1中OA线和OB线分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线。显然这两条曲线上各点的压强就是在相应温度下水汽的饱和水汽压,因为只有水汽达到饱和时,两相才能共存。所以OA线又称蒸发线,表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱和水汽压与温度的关系。线上K点所对应的温度和水汽压是水汽的临界温度tk和临界压力(Ek=×105hPa),高于临界温度时就只能有气态存在了,因此蒸发线在K点中断。OB称升华线,它表示冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关系。OC线是融解线,表示冰与水达到平衡时压力与温度的关系。O点为三相共存点:t0=℃,E0=。上述三线划分了冰、水、水汽的三个区域,在各个区域内不存在两相间的稳定平衡。例如图中的1、2、3点,点1位于OA线之下,ei<E,这时水要蒸发;点2处,e2>E,此时多余的水汽要产生凝结;点3恰好位于OA线上,e3=E,只有这时水和水汽才能处于稳定平衡状态。,还伴随着能量的转换。蒸发过程中,由于具有较大动能的水分子脱出液面,使液面温度降低。如果保持其温度不变,必须自外界供给热量,这部分热量等于蒸发潜热L,L与温度有如下的关系L=(2500-)×103(J/kg)…(3·2) 根据上式,当t=0℃时,有L=×106 J/kg。而且L是随温度的升高而减小的。不过在温度变化不大时,L的变化是很小的,×106J/kg。当水汽发生凝结时,这部分潜热又将会全部释放出来,这就是凝结潜热。在同温度下,凝结潜热与蒸发潜热相等。同样,在冰升华为水汽的过程中也要消耗热量,这热量包含两部分,即由冰融化为水所需消耗的融解潜热和由水变为水汽所需消耗的蒸发潜热。×105J/kg。所以,若以Ls表示升华潜热,则有 Ls=(×106+×105)J/kg =×106J/kg