Метеорологические аспекты круговорота воды в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и вузов Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный гидрометеорологический университет»

(РГГМУ)

Кафедра метеорологии, климатологии и охраны атмосферы

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физика атмосферы»

на тему: «Метеорологические аспекты круговорота воды в атмосфере»

Студент: Григорьева А.А.

Преподаватель: Баранова М.Е

Санкт-Петербург, 2014

Содержание

Введение

1. Физические свойства льда, воды и водяного пара

2. Cтруктура и взаимосвязь различных звеньев гидрологического цикла

3. Общие условия фазовых переходов воды в атмосфере

3.1 Испарение

3.2 Конденсация

4. Факторы, влияющие на фазовые переходы воды, cвязанные со свойствами испаряющей среды

5. Облака

5.1 Классификация облаков по условиям образования

5.2 Морфологическая классификация облаков

Заключение

Приложение

Введение

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) -- процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Круговорот воды на Земле, называемый также гидрологическим циклом, включает поступление воды в атмосферу при испарении и возвращение ее назад в результате конденсации и выпадения осадков.

Запасы воды на Земле составляют 1,4 млрд. кмі. Это Мировой океан, внутренние воды материков (реки, озёра, болота, ледники и подземные воды) и содержащийся в воздухе водяной пар.

Вся вода на Земле и в атмосфере находится в непрерывном движении, т.е. круговороте. В ходе этого движения вода может изменять своё состояние - переходить из жидкого в твёрдое или в газообразное состояние.

Общее количество находящейся в круговороте воды остаётся более менее постоянным, но в отдельных регионах оно может значительно изменяться.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

1. Большой, или мировой, круговорот -- водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная -- очищается.

2. Малый, или океанический, круговорот -- водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде осадков снова в океан.

3. Внутриконтинентальный круговорот -- вода, которая испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.

В общих чертах круговорот воды всегда состоит из испарения, конденсации и осадков. Но он включает три основные "петли":

А) поверхностного стока: вода становится частью поверхностных вод;

Б) испарения - транспирации: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации;

В) грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники и таким образом вновь попадая в систему поверхностных вод.

Согласно схеме круговорота воды, фонд воды в атмосфере невелик; скорость оборота выше, а время пребывания меньше, чем для углекислого газа. На круговороте воды начинают сказываться глобальные последствия деятельности человека. Учет осадков и речного стока во всем мире сейчас хорошо поставлен; необходимо, однако, как можно быстрее наладить более полный контроль всех основных путей движения воды в круговороте. Следует подчеркнуть два других аспекта круговорота воды.

Отметим, что море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше положение обратное. Другими словами, та часть осадков, которая поддерживает наземные экосистемы, включая и поставляющие пищу человеку, приходит благодаря испарению с моря. Установлено, что во многих областях 90% осадков приносится с моря

Согласно оценкам, вес воды пресных озер и рек - 0,25 геограмма (1геограмм=1020 г), а годовой сток - 0,2 геограмма; следовательно, время оборота составляет около года. Разность между количеством осадков за год (1,0 геограмм) и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8; это и есть величина годового поступления воды в подпочвенные водоносные горизонты. Как уже указывалось, увеличение стока в результате деятельности человека может уменьшить очень важный для круговорота фонд грунтовых вод. Нам следовало бы возвращать больше воды в водоносные слои, не пытаясь хранить ее всю в озерах, откуда она быстрее испаряется

1. Физические свойства льда, воды и водяного пара

Лед может находиться в нескольких кристаллических состояниях. При температуре тройной точки удельный объем льда равен 1,091 см³/г. При охлаждении льда ниже 0° объем его уменьшается, но настолько медленно, что его можно считать постоянным. Удельная теплоемкость льда составляет примерно половину теплоемкости воды. Вода имеет наименьший удельный объем и наибольшую плотность при температуре 4°. При этой температуре удельный объем воды и плотность ее равны единице: V_в=1 см³/г; р_в=1 г/см³ При изменении температуры в ту и другую сторону от 4° удельный объем воды увеличивается, а плотность уменьшается. В этом отношении вода ведет себя аномально по сравнению со всеми другими известными телами. Хотя удельный объем и плотность воды изменяются с температурой, но практически воду можно считать несжимаемой. Так, например, при температуре 100° удельный объем воды 1,043 см³/г, т. е. всего лишь на 4% отличается or удельного объема при температуре 4°. Удельная теплоемкость воды несколько изменяется с температурой, но настолько незначительно, что ее также можно считать постоянной величиной, равной С_v --4,1868 * 10⁷ эрс/г * град = 1 кал/г * град. Уравнением состояния водяного пара служит

e=R_пр_пТ

где е -- упругость, р_п -- плотность, R_п -- удельная газовая постоянная водяного пара. Удельные теплоемкости ненасыщенного водяного пара можно считать независящими от температуры и равными:

2. Cтруктура и взаимосвязь различных звеньев гидрологического цикла

Гидрологический цикл удобно представить в виде системы из четырех взаимосвязанных резервуаров (океан, материки, криосфера, атмосфера), между которыми происходит непрерывный процесс циркуляции и перераспределения природных вод

Рис 1

Самым большим водным резервуаром является Мировой океан (МО), содержащий 96,5% общих запасов воды на Земле. Самым малым резервуаром, содержащим влагу, является атмосфера, где находится всего лишь 0,001% общих запасов природных вод. Несмотря на это, значение атмосферной влаги для гидрологического цикла, чрезвычайно велико.

В отличие от МО и атмосферы, на материках и в криосфере наблюдается большое многообразие видов природных вод. Так, материковые воды можно разделить на речные, озерные, болотные, почвенные, подземные (включая гравитационные и. капиллярные) и биологические. Суммарное. их количество оценивается в 2,475 % общих запасов вод на Земле.

К криосфере Земли относятся материковые ледяные щиты, горные ледники, льды вечнои? мерзлоты, сезонныи? снежныи? покров и морские льды. Приближенно суммарныи? объем воды в криосфере можно оценить в 1,76 % общего запаса природных вод.

По современным представлениям общие запасы природных вод в течение длительного периода, измеряемого геологическими эпохами, практически остаются неизменными, т. е. поступление воды из земных недр и космического пространства на поверхность Земли очень мало и почти компенсируется потереи? воды в космос вследствие рассеивания водяного пара в верхних слоях атмосферы.

Хотя ГГЦ является замкнутои? системои?, внутри нее между от дельными резервуарами постоянно происходит перераспределение вод, в результате которого запасы вод в каждом резервуаре меняются во времени. Эти колебания могут быть разного масштаба: короткопериодными, сезонными, многолетними, вековыми и много вековыми. Наиболее мощными являются сезонные и многовековые колебания.

Многовековые колебания в истории Земли связаны с эпохами оледенения, которые кардинально изменяли климатическии? и гидрологическии? режимы планеты. При этом происходило перераспределение природных вод. В ледниковые эпохи, когда океан от ступал, площадь криосферы значительно увеличивалась, и наобо рот, при потеплении происходила перекачка вод криосферы в МО.

Очевидно, все оценки межвековых колебании? в значительнои? степени гипотетичны. По-видимому, лучшим их индикатором является среднии? уровень МО. Естественно, что наиболее достоверными являются сведения от изменениях уровня в настоящую эпоху. Так, можно полагать, что за последние 20 тыс. лет уровень МО повысился по чти на 100 м, а в текущем столетии, за 1900-- 1960 гг., он повысился на 12,5 см, что изменило его объем всего на 0,002 %.

Каждыи? резервуар вместе со всеми видами вод, заключенными р нем, а также с потоками вод внутри него и на границах можно рассматривать в качестве самостоятельного звена ГЦ, т. е. процессы влагообмена для каждого звена ГЦ можно считать относительно независимыми друг от друга. Таким образом, имеем четыре звена ГЦ: океаническое, материковое (наземное), криосферное и атмосферное, которые будем считать основными структурными единицами ГЦ.

Учитывая, что все звенья ГЦ связаны между собои?, имеет смысл взаимодеи?ствующие звенья рассматривать как единые гидрологические системы (ГС). В результате имеем шесть таких ГС, из которых наиболее важными следует, очевидно, признать системы океан---атмосфера и литосфера-- атмосфера.

Одновременно с этим каждое из звеньев ГЦ можно разделить на более мелкие сравнительно однородные части (например, океаническое звено ГЦ разделяется на ГЦ отдельных океанов, мореи?, заливов, проливов и т. п.), которые назовем гидрологическими подсистемами (ГП). Самои? малои? частью ГП является единичная масса воды, льда, воздуха или почвы. Математическои? моделью ГЦ является уравнение водного баланса, которое отражает универсальныи? закон сохранения вещества и в самом общем виде в алгебраическои? записи может быть представлено следующим образом:

Где -сумма аккумуляционных составляющих водного баланса, характеризующих изменение запасов вод во времени;

- сумма приходных компонентов водного баланса, означающих увеличение объема вод; -сумма расходных компонентов, характеризующих уменьшение объема вод. Для закрытой системы, какой является ГГЦ, , а правая часть обращается в очевидное тождество



Из которого следует равенство глобальных оценок осадков (Pgl)и испарения (Egl). Все остальные гидрологические системы являются уже открытыми, а для них аккумуляционные составляющие могут обращаться в нуль лишь для средних многолетних условии? и то не во всех случаях.

С уменьшением пространственных масштабов уравнение водного баланса обычно усложняется, причем иногда члены уравнения (1.2) не могут быть количественно оценены.

Приведенная. схема ГЦ может быть представлена в более детальном виде, причем степень детальности будет зависеть прежде всего от целеи? исследования. Теоретически можно даже учесть все виды вод и их потоки для каждого резервуара, какими бы малыми они не были. Однако практически осуществить это в компактной? форме вряд ли возможно.

Поэтому рассмотрим такую схему ГЦ, в которои?, по мнению автора, учтены лишь наиболее важные виды природных вод и наиболее важные процессы влагообмена. Первые из них помещены в прямоугольники, а вторые в овалы. Из даннои? схемы отчетливо видна центральная роль атмосферного звена ГЦ в системе глобального водного баланса. И это не случаи?но, так как атмосфера является единственным источником возобновления в природе пресных вод (испарение) и главным источником пополнения и перераспределения запасов вод (осадки) как между от дельными резервуарами, так и между различными частями одногои того же резервуара.

Атмосфера представляет собои? единственную оболочку планеты, содержащую воду во всех трех агрегатных состояниях (газообразном, твердом, жидком), из которых газообразное (водянои? пар) является важнеи?шим и не содержится более ни в однои? другои? оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые пере ходы воды, из которых важнеи?шим является процесс конденсации, сопровождающии?ся выделением огромного количества тепла, которое в свою очередь играет весьма значительную роль для под держания общеи? циркуляции атмосферы (ОЦА).

Атмосфера является наиболее подвижным компонентом ГЦ. Так, характерная скорость переноса атмосфернои? влаги на поря док больше скорости движения речных вод и на два порядка-- типичнои? скорости океанских течении?. В соответствии с этим период полного возобновления атмосфернои? влаги составляет 7--9 сут, что значительно меньше, чем в других резервуарах.

Разумеется, здесь перечислены далеко не все специфические особенности атмосферы, но даже они наглядно свидетельствуют о большом значении атмосферных процессов для познания внутренних закономерностей? движения воды в крупномасштабных гидрологических системах. Поэтому, рассматривая относительную значимость отдельных резервуаров, можно вполне определенно утверждать, что атмосферное звено играет центральную роль в ГЦ, а следовательно, проблема изучения атмосферного водного баланса является центральной в крупномасштабных исследованиях ГЦ.

С другой? стороны, нельзя не отметить огромной? роли океана в поддержании ГГЦ. Он является самым большим резервуаром природных вод, главной? причиной? существования круговорота влаги на земном шаре и основным поставщиком энергии для атмосферы (через испарение). Кроме того, океан вследствие превышения испарения над осадками предопределяет существование водных ресурсов (речного стока) на континентах и ледникового стока с Антарктиды и Гренландии. Поэтому изучение водного баланса системы океан-- атмосфера также следует отнести к числу главнеи?ших приоритетов в исследованиях ГГЦ.

3. Общие условия фазовых переходов воды в атмосфере

В отличие от других газов, составляющих атмосферу, водяной пар при наблюдающихся в атмосфере температурах может изменять свое агрегатное состояние, переходя в жидкое (вода) или твердое (лед) состояние. При этом капли воды и кристаллы льда могут находиться вблизи друг от друга, как это наблюдается в облаках, где происходят процессы таяния и испарения кристаллов льда, замерзания и испарения капель, конденсации и сублимации пара. В этих случаях пар, жидкая вода и лед представляют собой различные фазы воды, т. е. физически однородные части системы, способные переходить друг в друга, причем пар является газообразной, капли воды -- жидкой и кристаллы льда -- твердой фазами воды

3.1 Испарение

Испарение - это процесс, в результате которого вода из океана или с поверхности Земли поступает в атмосферу. Тот же процесс, при котором испарение происходит с поверхности зеленых растений, называется транспирацией, а если молекулы воды переходят в газообразное состояние непосредственно с поверхности льда, то такой процесс называется возгонкой (сублимацией). Пары воды, которые в результате этих процессов пополняют количество газов, находящихся в атмосфере, увеличивают атмосферное давление.

Рассмотрим "закрытый сосуд, первоначально наполовину наполненный водой, над которой располагается сухой воздух, не содержащий паров воды. Молекулы воды находятся в хаотическом движении, кинетическая энергия которого зависит от температуры воды. Молекулы будут сталкиваться друг с другом, передавая друг другу часть энергии, и некоторые из них, находящиеся около поверхности жидкости, могут развить достаточную скорость, чтобы разорвать силы связи с другими молекулами воды и перейти в газообразную форму - водяной пар. Если уровень воды в сосуде поддерживать постоянным при помощи другого сообщающегося сосуда, объем, занимаемый воздухом, будет также оставаться неизменным, а масса воздуха будет увеличиваться за счет водяного пара, что приведет к увеличению давления, оказываемого воздухом на стенки сосуда. Та часть общего давления, которая обусловлена водяным паром, называется упругостью пара. Этот способ очень удобен для определения количества водяных паров, присутствующих в данном объеме воздуха. Альтернативным является так называемое отношение смеси влажного воздуха, то есть отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха.

Молекулы водяного пара могут быстро двигаться в воздухе над поверхностью жидкости, при этом часть из них будет ударяться о жидкость и захватываться ею, переходя в жидкое состояние. Этот процесс называется конденсацией. Если систему оставить в таком состоянии на довольно длительное время, в ней установится равновесие, при котором процессы конденсации и испарения уравновесят друг друга; при этом количество водяного пара в воздухе будет оставаться постоянным. В таких случаях говорят, что воздух насыщен водяным паром; давление, которое при этом оказывают пары воды, называют упругостью насыщенного пара по отношению к водной поверхности. Поскольку кинетическая энергия молекул воды определяется температурой, упругость насыщенного пара также сильно зависит от температуры и с ее повышением все более и более увеличивается.

Ниже 0°С упругость насыщенного пара меньше над поверхностью льда, чем над поверхностью переохлажденной воды. (Воду можно охладить ниже 0°С, и при этом она не начнет замерзать, если в ней нет частиц, которые будут служить ядрами кристаллизации) В том случае, если не существует поверхности, на которой может происходить конденсация водяного пара, воздух станет перенасыщенным, но все же сохранит содержащееся в нем количество водяного пара. Еще две характеристики количества водяных паров, присутствующих в единице объема воздуха, которые указывают на температуру, при которой будет происходить конденсация и на дополнительное количество водяного пара, которое может содержать воздух. Первая из этих характеристик называется температурой точки росы. Она определяется как температура. при которой некоторый объем воздуха - охлаждающийся при постоянном давлении, достигает состояния насыщения по отношению к воде.

3.2 Конденсация

В атмосфере над поверхностью воды или льда присутствует множество загрязняющих ее частиц, таких, как кристаллы соли, образовавшиеся при испарении брызг воды, пыль, занесенная из пустынь или образовавшаяся в результате вулканических извержений, а также частички от дыма пожаров. Эти частицы, на которых происходит конденсация, называются ядрами конденсации. Они различаются по своей способности вызывать конденсацию, но обычно в атмосфере бывает все же достаточное количество частиц, чтобы началась конденсация, как только влажность воздуха превысит 100%. Ядра, на которых происходит конденсация, даже если относительная влажность еще не достигла 100%, называются гигроскопическими ядрами. Это обычно растворимые соли или загрязняющие частицы индустриального происхождения. Конденсация также может происходить на поверхности земли в виде росы или, если температура опускается ниже 0°С и происходит сублимация, в виде инея.

Насыщение воздуха водяным паром, приводящее к конденсации, обычно происходит при его охлаждении. Чаще насыщение воздуха водяным паром происходит при охлаждении, которое может произойти на контакте с холодной поверхностью или же при подъеме воздуха вверх. В том случае, если воздух соприкасается с поверхностью, температура которой ниже его точки росы, и находится почти без движения, будет образовываться роса или иней. Но если поднимется слабый ветер, охлажденный воздух будет перемешиваться в тонком поверхностном слое. При достаточном охлаждении весь этот слой насыщается водяным паром, в результате чего образуется туман.

вода пар атмосфера фазовый

4. Факторы, влияющие на фазовые переходы воды, cвязанные со свойствами испаряющей среды

Поток водяного пара зависит от разности между парциальным давлением насыщенного пара непосредственно у поверхности воды или суши (E₁) и парциальным давлением пара, содержащегося в воздухе на некотором удалении от поверхности (е). Если E₁-- е> 0 , то происходит перенос пара от поверхности воды в воздух -- испарение; если E₁-- е<0, то, наоборот, преобладает поступление пара из воздуха на поверхность водоема (суши)--конденсация или сублимация пара. При E₁ -- е = 0 наблюдается динамическое равновесие потоков к поверхности водоема (суши) и от нее. Величину d= E₁ -- е называют дефицитом насыщения, рассчитанным по температуре испаряющей поверхности. Характер процесса (испарение или конденсация) можно определить также и по равновесной относительной влажности fp (%) сопоставляя последнюю с относительной влажностью воздуха. Под равновесной относительной влажностью понимается влажность, при которой устанавливается динамическое равновесие систем.

f_p=*100

где E₁ -- давление насыщенного водяного пара в тонком слое над поверхностью воды (льда), определяемое по температуре испаряющей поверхности с учетом ее фазового состояния, наличия примесей, кривизны испаряющей поверхности и электрических зарядов; Е -- давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, определяемое по температуре воздуха.

При отрицательных температурах Е берется по отношению к воде. Если f < fp, то осуществляется испарение, если f >fp -- конденсация, если f = fp, то наступает динамическое равновесие фаз. Влияние факторов, определяющих испарение и связанных со свойствами испаряющей среды, проявляется через изменение давления насыщенного пара в тонком слое воздуха, прилегающем к испаряющей поверхности. Изменение давления насыщенного пара dE в зависимости от изменения температуры dT выражается уравнением Клаузиуса-- Клапейрона Сi-2 -- удельная теплота перехода из одного фазового состояния в другое,-- удельные объемы воды в различных агрегатных состояниях Для определения E = f(T) можно использовать уравнение Клаузиуса--Клапейрона, а также эмпирические формулы Магнуса, позволяющие вычислить парциальное давление насыщенного водяного пара над водой и над льдом :

Если известно давление насыщенного пара над плоской поверхностью чистой воды, то для расчета давления насыщенного пара над плоской поверхностью чистого льда при разных температурах можно использовать формулу :

Зависимость давления насыщенного пара от кривизны испаряющей поверхности описывается формулой Томсона:

где Ег--давление насыщенного водяного пара над каплей или капилляром радиусом r,х -- коэффициент поверхностного натяжения на границе вода--водяной пар, или поверхностная энергия; ?к -- плотность воды; г -- радиус кривизны поверхности; Т -- температура воздуха (К). Эту формулу можно преобразовать к виду:

где Сr = 2х/R?KT -- величина, которую практически можно считать постоянной и равной 1,2*10^-7 .Совместное влияние кривизны и фазового состояния на давление насыщенного водяного пара можно описать выражением :

Зависимость давления насыщенного пара от наличия примесей в воде, согласно закону Рауля, имеет вид:

где n -- число молей растворенного вещества, N -- число молей растворителя. Закон Рауля получен для растворов неэлектролитов малой концентрации. Формула при условии N>>n может быть записана в виде:

Для растворов электролитов со значительной концентрацией учитывается степень диссоциации молекул на ионы:

где i -- коэффициент Вант-Гоффа. Однако и с учетом диссоциации закон Рауля для насыщенного раствора солей дает расхождение с экспериментальными данными на 10--15 %. Давление насыщенного пара над каплями растворов зависит от наличия примесей солей и кривизны:

где r и r₀ -- радиусы капель с ненасыщенным и насыщенным растворами соли соответственно; Cр = (?E_p ) _нас/Е - определяемый экспериментально коэффициент, характеризующий уменьшение давления насыщенного пара над насыщенным раствором вещества, который для основных ядер конденсации в атмосфере имеет следующие значения:

Зависимость упругости насыщения от кривизны и электрических зарядов капель определяется формулой Томсона:

где Сq для единичного элементарного заряда и температуры О °С равно 7,5*10^-30 см⁴ , н -- число единичных зарядов на поверхности капли. В начальный момент, когда капля представляет насыщенный раствор и ее радиус равен r0, упругость пара над каплей может быть меньше Е для ядер конденсации, и конденсация начнется при влажности ниже 100%. При увеличении начального радиуса (r равен r0) относительно влажность, для начала конденсации, уменьшается.

Таким образом, для конденсации водяного пара в атмосфере необходимо, что бы концентрация пара в воздухе была больше, чем над поверхностью образующихся частичек воды, и что бы в воздухе имелись мельчайшие частички, которые могли бы служить ядрами конденсации. Эти условия являются необходимыми для конденсации, но недостаточными для образования облачных капель, т.к. в ненасыщенном воздухе на гигроскопических ядрах могут образоваться лишь зародышевые капли. Для роста зародышевой капли и перехода ее в облачную требуется, что бы упругость пара в воздухе была больше, чем необходимо для их возникновения. Это соответствует пресыщению ,= 103% моей капли, и капля жизнеспособна. Известно, что теория фазовых переходов воды в атмосфере разработана еще не полностью; в особой степени это относится к сильнозагрязненной атмосфере. Поскольку загрязненность атмосферы непрерывно возрастает, как по ее уровню, так и по степени географической распространенности, то попытки рассматривать загрязнение как некий новый метеорологический феномен, влияющий качественно и количественно на протекание ряда физических процессов в ее нижних слоях, вполне правомерны. Наибольший интерес к настоящему времени, в связи с возрастающим загрязнением атмосферы, представляет изучение условий переноса в ней лучистой энергии, качества (состава) атмосферного воздуха и условий конденсации водяного пара и ,отчасти, условий замерзания жидкой фазы воды.

5. Облака

Облака представляют собой одно из интереснейших явлений природы. Среди тех величин и явлений, которые объединятся понятием «погода», облакам и связанным с ними осадкам принадлежит определяющая роль.

Изменяя тепловой и радиационный режим атмосферы, облака оказывают большое влияние на многие стороны деятельности человека (прежде всего, в сфере сельскохозяйственного производства),а также на растительный и животный мир Земли. Велика зависимость от облаков, туманов и осадков различных видов транспорта, в первую очередь авиации.

Облаком называют видимую совокупность взвешенных капель воды и кристаллов льда, находящихся на некоторой высоте над земной поверхностью. С точки зрения микрофизического строения принципиальной разницы между облаками и туманом нет. Однако они существенно различаются по условиям образования, вертикальной протяженности и т.п.

Определяющую роль в формировании поля облаков играют вертикальные движения, или токи воздуха. В зависимости о горизонтальных размеров тех областей, в пределах которых вертикальная скорость (w) сохраняет один и тот же знак ( w>0 или w<0),вертикальные движения принято делить на три класса .Первый класс составляют макромасштабные (пульсационные), второй - мезомасштабные и третий - макромасштабные вертикальные движения.

С этой классификацией тесно связано деление облаков по генетическому принципу, т.е. по условиям образования. Согласно этому принципу, облака подразделяются на слоистообразные, волнистообразные и кучевообразные.

Под влиянием вертикальных движений синоптического масштаба образуются обширные облачные поля (системы), называемые слоистообразными облаками. К ним относятся слоисто-дождевые (Ns),высокослоистые (As) и перистослоистые (Cs) облака. Горизонтальная протяженность (размер) слоистообразных облаков имеет такой же порядок, что и масштаб синоптических вихрей (циклонов и ложбин). С образованием и развитием слоистообразных облаков тесно связано формирование атмосферных фронтов. Поэтому эти облака называют также фронтальными.

При мезомасштабных вертикальных скоростях образуются кучевообразные облака, называемые также конвективными. Их горизонтальная протяженность изменяется от сотен метров до 100 км. К конвективным облакам относятся кучевые (Cu) и кучево-дождевые (Cb) облака.

Большая часть волнистообразных (St,Sc,Ac,Cc) имеют переносную природу: они формируются в области повышенного давления из принесенных сюда слоистообразных облаков в процессе их эволюции под влиянием нисходящих вертикальных движений синоптического масштаба. Часть волнистообразных облаков образуется из приподнятого тумана как радиационного, так и адвективного происхождения.

5.1 Классификация облаков по условиям образования

Обычно облака наблюдаются в тропосфере. Тропосферные облака подразделяются на виды, разновидности и по дополнительным признакам в соответствии с международной классификацией облаков. Изредка наблюдаются другие виды облаков: перламутровые облака (на высоте 20-25км) и серебристые облака (на высоте 70-80 км).



Конвективные облака:

1) Облака термической конвекции формируются за счёт неравномерного нагрева снизу и подъёма более тёплых воздушных масс.

2) Облака динамической конвекции формируются за счёт вынужденного подъёма воздуха перед горами.

Волнистые облака образуются в антициклонах при инверсии, когда нижняя граница инверсии совпадает с уровнем конденсации. На границе между тёплым менее плотным (сверху) и холодным более плотным (снизу) воздухом при движении развиваются воздушные волны. На их гребнях поднимающийся воздух адиабатически охлаждается -- образуются облака в виде валов и гряд. В ложбинах волн воздух опускается, адиабатически нагревается, удаляется от состояния насыщения -- образуются просветы голубого неба.

Облака восходящего скольжения образуются при встрече тёплых и холодных воздушных масс. Они возникают в результате адиабатического охлаждения тёплого воздуха при его подъёме по холодному.

Облака турбулентного перемешивания -- результат поднятия воздуха при усилении ветра, особенно, если в приземных слоях наблюдается туман, который постепенно переходит в слоистые облака.

5.2 Морфологическая классификация облаков

Перистые (Cirrus, Ci) Состоят из отдельных перистообразных элементов в виде тонких белых нитей или белых (или в большей части белых) клочьев и вытянутых гряд. Имеют волокнистую структуру и/или шелковистый блеск. Наблюдаются в верхней тропосфере, иногда на высотах тропопаузы или непосредственно под нею (в средних широтах их основания чаще всего лежат на высотах 6-8 км, в тропических от 6 до 18 км, в полярных от 3 до 8 км). Видимость внутри облака -- 150--500 м. Построены из ледяных кристаллов, достаточно крупных для того, чтобы иметь заметную скорость падения; поэтому они имеют значительное вертикальное протяжение (от сотен метров до нескольких километров). Однако сдвиг ветра и различия в размерах кристаллов приводят к тому, что нити перистых облаков скошены и искривлены. Хорошо выраженных явлений гало перистые облака обычно не дают вследствие своей расчленённости и малости отдельных облачных образований. Данные облака характерны для переднего края облачной системы теплого фронта или фронта окклюзии, связанной c восходящим скольжением.

Они часто развиваются также в антициклонической обстановке, иногда являются частями или остатками ледяных вершин (наковален) кучево-дождевых облаков.

Перисто-кучевые (Cirrocumulus, Cc) Их часто называют «барашки». Очень высокие небольшие шаровидные облака, вытянутые в линии. Похожи на спины скумбрий или рябь на прибрежном песке. Высота нижней границы -- 6-8 км, вертикальная протяжённость -- до 1 км, видимость внутри -- 200--500 м. Являются признаком повышения температуры. Нередко наблюдаются вместе с перистыми или перисто-слоистыми облаками. Часто являются предшественники шторма. При этих облаках наблюдается т. н. «иридизация» -- радужное окрашивание края облаков. На них отсутствует затенение, даже с той стороны, которая отвёрнута от солнца. Образуются при возникновении волновых и восходящих движений в верхней тропосфере и состоят из кристаллов льда. В перисто-кучевых облаках может наблюдаться гало и венцы вокруг солнца и луны. Осадки из них не выпадают.

Перисто-слоистые (Cirrostratus, Cs) Парусоподобные облака верхнего яруса, состоящие из кристалликов льда. Имеют вид однородной, белесоватой пелены. Высота нижней кромки -- 6-8 км, вертикальная протяжённость колеблется от нескольких сотен метров до нескольких километров (2-6 и более), видимость внутри облака -- 50-200 м. Перисто-слоистые облака относительно прозрачны, так что солнце или луна могут быть отчётливо видны сквозь них. Эти облака верхнего яруса обычно образуются когда обширные пласты воздуха поднимаются вверх за счёт многоуровневой конвергенции.

Перисто-слоистые облака характеризуются тем, что часто дают явления гало вокруг солнца или луны. Гало являются результатом преломления света кристаллами льда, из которых состоит облако. Перисто-слоистые облака, однако, имеют склонность уплотняться при приближении тёплого фронта, что означает увеличение образования кристаллов льда. Вследствие этого гало постепенно исчезает, и солнце (или луна) становятся менее заметными.

Высоко-кучевые (Altocumulus, Ac) Высоко-кучевые облака (Altocumulus, Ac) -- типичная облачность для теплого сезона. Серые, белые, или синеватого цвета облака в виде волн и гряд, состоящих из хлопьев и пластин, разделённых просветами. Высота нижней границы -- 2-6 км, вертикальная протяжённость -- до нескольких сотен метров, видимость внутри облака -- 50-80 м. Располагаются, как правило, над местами, обращёнными к солнцу. Иногда достигают стадии мощных кучевых облаков. Высоко-кучевые облака обычно возникают в результате поднятия теплых воздушных масс, а также при наступлении холодного фронта, который вытесняет теплый воздух вверх. Поэтому наличие высоко-кучевых облаков теплым и влажным летним утром предвещает скорое появление грозовых облаков или перемену погоды.

Высоко-слоистые (Altostratus, As) Имеют вид однородной или слабовыраженной волнистой пелены серого или синеватого цвета, Солнце и Луна, обычно, просвечивают, но слабо. Высота нижней границы -- 3-5 км, вертикальная протяжённость -- 1-4 км, видимость в облаках -- 25-40 м. Эти облака состоят из ледяных кристаллов, переохлажденных капель воды и снежинок. Высоко-слоистые облака могут приносить обложной дождь или снег.

Высоко-слоистые просвечивающие (Altostratus translucidus, As trans) Высоко-слоистые просвечивающие облака. Волнистая структура облака заметна, солнечный круг солнца вполне различим. На земле иногда могут возникать вполне различимые тени. Отчётливо видны полосы. Пелена облаков, как правило, постепенно закрывает всё небо. Высота основания -- в пределах 3-5 км, толщина слоя облаков As trans в среднем около 1 км, изредка до 2 км. Осадки выпадают, но в низких и средних широтах летом редко достигают земли.

Слоисто-дождевые (Nimbostratus, Ns) Слоисто-дождевые облака тёмно-серые, в виде сплошного слоя. При осадках он кажется однородным, в перерывах между выпадением осадков заметна некая неоднородность и даже некоторая волнистость слоя. От слоистых облаков отличаются более тёмным и синеватым цветом, неоднородностью строения и наличием обложных осадков. Высота нижней границы -- от 100 до 1900 м, толщина -- до нескольких километров. Слоисто-кучевые (Stratocumulus, Sc) Серые облака, состоящие из крупных гряд, волн, пластин, разделенных просветами или сливающимися в сплошной серый волнистый покров. Состоят преимущественно из капель воды. Высота нижней границы обычно в пределах от 500 до 1800 м. Толщина слоя от 200 до 800 м. Солнце и луна могут просвечивать только сквозь тонкие края облаков. Осадки, как правило, не выпадают. Из слоисто-кучевых не просвечивающих облаков могут выпадать слабые непродолжительные осадки.

Слоистые облака образуют однородный слой, сходный с туманом, но расположенный на некоторой высоте (чаще всего от 100 до 400 м, иногда 30-90 м). Обычно они закрывают всё небо, но иногда могут наблюдаться в виде разорванных облачных масс. Нижний край этих облаков может опускаться очень низко; иногда они сливаются с наземным туманом. Толщина их невелика -- десятки и сотни метров. Иногда из этих облаков выпадают осадки, чаще всего в виде снежных зерен или мороси.

Кучевые облака -- плотные, днём ярко-белые облака со значительным вертикальным развитием. Высота нижней границы обычно от 800 до 1500 м, иногда 2--3 км и более. Толщина 1--2 км, иногда 3--5 км. Верхние части кучевых облаков имеют вид куполов или башен с округлыми очертаниями. Обычно кучевые облака возникают как облака конвекции в холодных или нейтральных воздушных массах.

Кучево-дождевые -- мощные и плотные облака с сильным вертикальным развитием (несколько километров, иногда до высоты 12--14 км), дающие обильные ливненвые осадки с мощным градом и грозовыми явлениями. Кучево-дождевые облака развиваются из мощных кучевых облаков. Они могут образовывать линию, которая называется линией шквалов. Нижние уровни кучево-дождевых облаков состоят в основном из капелек воды, в то время как на более высоких уровнях, где температуры намного ниже 0 °C, преобладают кристаллики льда. Высота нижней границы обычно ниже 2000 м, то есть в нижнем ярусе тропосферы.

Серебристые облака формируются в верхних слоях атмосферы. Эти облака находятся на высоте приблизительно 80 км. Их можно наблюдать непосредственно после заката или перед восходом Солнца. Серебристые облака были обнаружены только в XX веке.

Перламутровые облака образуются в небе на больших высотах (около 20-30 км) и состоящие, по-видимому, из кристалликов льда или переохлаждённых капель воды.

Вымнобразные или трубчатые облака -- облака, основание которых имеет специфическую ячеистую или сумчатую форму. Встречаются редко, преимущественно в тропических широтах, и связаны с образованием тропических циклонов.

Лентикулярные (линзовидные) облака образуются на гребнях воздушных волн или между двумя слоями воздуха. Характерной особенностью этих облаков является то, что они не двигаются, сколь бы ни был силён ветер. Поток воздуха, проносящийся над земной поверхностью, обтекает препятствия, и при этом образуются воздушные волны. Обычно зависают с подветренной стороны горных хребтов, за хребтами и отдельными вершинами на высоте от 2 до 15 км.

Пирокумулятивные облака или пирокумулюс -- конвективные (кучевые или кучево-дождевые) облака, вызванные пожаром или вулканической активностью. Эти облака получили своё название оттого, что огонь создает конвективные восходящие потоки, которые по мере подъёма при достижении уровня конденсации приводят к образованию облаков -- сначала кучевых, а при благоприятных условиях -- и кучево-дождевых. В этом случае возможны грозы; удары молнии из этого облака тогда вызывают новые возгорания.

Заключение

В настоящее время процесс под названием "круговорот воды" хорошо изучен. Основная суть этого цикла состоит в том, что вода переходит из одного состояния в другое, при этом меняя не только состояние, но и часть окружающей нас среды. Поскольку круговорот воды - процесс установившийся, то количество воды, вышедшее из какого-нибудь процесса, должно равняться количеству, пришедшему в следующий процесс. Круговорот воды на Земле возник при образовании гидросферы. Океан стал основным поглотителем солнечного тепла и поставщиком водяного пара. Часть пара воздушными течениями переносится на сушу и после конденсации выпадает в виде дождей и снегопадов. Потоки дождевой и талой воды стекают к руслам рек, а затем по рекам к океану. На этом цикл водообмена между сушей и океаном заканчивается, но сам процесс бесконечен.

Выполняя данную курсовую работу, я узнала много нового и интересного про круговорот воды в атмосфере. Выяснила, что содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат местности. От него зависит, какая установится температура, образуются ли облака над данной территорией, пойдёт ли из облаков дождь, выпадет ли роса. восходящими потоками воздуха. Охлаждаясь, он конденсируется, образуются облака, и при этом выделяется огромное количество энергии, которую водяной пар возвращает атмосфере. Именно эта энергия заставляет дуть ветры, переносит сотни миллиардов тонн воды в облаках и увлажняет дождями поверхность Земли.

Также, круговорот воды очень важен для жизни на Земле в целом, ведь вода - основа жизни

Приложение

1. Перистые облака (Австралия)

2.Высоко-кучевые

3.Слоисто-дождевые



4. Лентикулярные облака

5. Пирокумулятивные облака

6.Вымеобразные облака

Размещено на Allbest.ru