第三章 大气中的水分

第三章大气中的水分

第一节蒸发与凝结

在同一时间内,跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子恰好相等,系统内的水量与水汽分子含量都不再改变,即水与水汽之间达到了两相平衡,这种平衡叫做动态平衡。动态平衡时的

水汽称为饱与水汽,当时的水汽压称为饱与水汽压。

e为水汽压,E为饱与水汽压

E＞e 蒸发(未饱与)

E=e 动态平衡(饱与)

E＜e 凝结(过饱与)

若Es 为某一温度下对应的冰面上的饱与水汽压

Es＞e 升华

Es=e 动态平衡

Es＜e 凝华

图3、1 就是根据大量经验数据绘制的水的位相平衡图。水的三种

相态分别存在于不同的温度与压强条件下。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 线与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就是在相应温度下水汽的饱与水汽压,因为只有水汽达到饱与时,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与水汽压与温度的关系。线上K 点所对应的温度与水汽压就是水汽的临界温度tk 与临界压力(Ek= 2、2×105hPa),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与水汽压与温度的关系。OC线就是融解线,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=0、0076℃,E0=6、11hPa。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,只有这时水与水汽才能处于稳定平衡状态。

二、饱与水汽压

(一)饱与水汽压与温度的关系:

饱与水汽压随温度的升高而增大。这就是因为蒸发面温度升高时,水分子平均动能增大,单位时间内脱出水面的分子增多,落回水面的分子数才与脱出水面的分子数相等;高温时的饱与水汽压比低温时要大。饱与水汽压随温度改变的量,在高温时要比低温时大。

(二)饱与水汽压与蒸发面性质的关系

1、冰面与过冷却水面的饱与水汽压

有时水在0℃以下,甚至在-20℃—-30℃以下仍不结冰,处于这种状态的水称过冷却水。

在云中,冰晶与过冷却水共存的情况就是很普遍的,如果当时的实际水汽压介于两者饱与水汽压之间,就会产生冰水之间的水汽转移现象。水滴会因不断蒸发而缩小,冰晶会因不断凝华而增大。这就就是“冰晶效应”

2、溶液面的饱与水汽压

不少物质都可融解于水中,所以天然水通常就是含有溶质的溶液。溶液中溶质的存在使溶液内分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力,使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难。因此,同一温度下,溶液面的饱与水汽压比纯水面要小,且溶液浓度愈高,饱与水汽压愈小。(三)饱与水汽压与蒸发面形状的关系

因此,温度相同时,凸面的饱与水汽压最大,平面次之,凹面最小。而且凸面的曲率愈大,饱与

水汽压愈大;凹面的曲率愈大,饱与水汽压愈小。

三、影响蒸发的因素:

由道尔顿定律知道蒸发速度与饱与差(E-e)及分子扩散系数(A)成正比,而与气压(P)成反比。但在自然条件下,蒸发就是发生于湍流大气之中的,影响蒸发速度的主要因素就是湍流交换,并非分子扩散。考虑到自然蒸发的实际情况,影响蒸发速度的主要因子有四个:水源、热源、饱与差、风速与湍流扩散强度。

四、湿度随时间的变化

水汽压日变化类型:一种就是双峰型:主要在大陆上湍流混合较强的夏季出现。水汽压在一日内有两个最高值与两个最低值。最低值出现在清晨温度最低时与午后湍流最强时,最高值出现在9—10 时与21—22 时(图3·5 中实线)。峰值的出现就是因为蒸发增加水汽的作用大于湍流扩散对水汽的减少作用所致。另一种就是单波型,以海洋上、沿海地区与陆地上湍流不强的秋冬季节为多见。水汽压与温度的日变化一致,最高值出现在午后温度最高、蒸发最强的时刻,最低值出现在温度最低、蒸发最弱的清晨(图3·5 中虚线所示)。

水汽压的年变化与温度的年变化相似,有一最高值与一最低值。最高值出现在温度高、蒸发强的7—8 月份,最低值出现在温度低、蒸发弱的1—2月份。

相对湿度的日变化主要决定于气温。气温增高时,虽然蒸发加快,水汽压增大,但饱与水汽压增大得更多,反使相对湿度减小。温度降低时则相反,相对湿度增大。因此,相对湿度的日变化与温度日变化相反,其最高值基本上出现在清晨温度最低时,最低值出现在午后温度最高时(图3·6)。

相对湿度的年变化一般以冬季最大,夏季最小。某些季风盛行地区,由于夏季盛行风来自于海洋,冬季盛行风来自于内陆,相对湿度反而夏季大,冬季小。

五、大气中水汽凝结的条件

大气中水汽凝结或凝华的一般条件就是:一就是有凝结核或凝华核的存在。

二就是大气中水汽要达到饱与或过饱与状态。

凝结核:因为作不规则运动的水汽分子之间引力很小,通过相互之间的碰撞不易相互结合为液态或固态水。大气中存在着大量的吸湿性微粒物质,它们比水汽分子大得多,对水分子吸引力也大,从而有利于水汽分子在其表面上的集聚,使其成为水汽凝结核心。

(二)空气中水汽的饱与或过饱与

使空气达到过饱与的途径有两种:一就是通过蒸发,增加空气中的水汽,使水汽压大于饱与水汽压。二就是通过冷却作用,减少饱与水汽压,使其少于当时的实际水汽压。

1、暖水面蒸发

当冷空气流经暖水面时,由于水面温度比气温高,暖水面上的饱与水汽压比空气的饱与水汽压大得多,通过蒸发可使空气达到过饱与,并产生凝结。秋冬季的早晨,水面上腾起的蒸发雾就就是这样形成的。

2、空气的冷却