Уравнения состояния газов воздуха и термодинамика атмосферы, страница 5

               (если воспользоваться уравнением состояния).

Удельная влажность: s – количество (масса) водяного пара в единице массы влажного воздуха,      

                             .

Как видите, удельная влажность и отношение смеси приблизительно совпадают друг с другом.

Точка росы:  температура t, при которой пар, содержащийся в воздухе, станет насыщенным (при постоянном давлении), то есть, е = Е(t).

Предположим, что образовавшаяся при конденсации вода или при сублимации лед сразу выпадают в виде осадков. Тогда процесс называется псевдоадиабатическим. Если вода и лед уносятся с воздухом, то говорят о влажноадиабатическом процессе. Влажноадиабатический процесс, при котором капли и кристаллы льда не выпадают из воздуха, а движутся вместе с ним, обратим. В отличие от влажноадиабатического, псевдоадиабатический процесс необратим. Например, при сжатии воздуха, лишившегося сконденсированных капель воды, он нагревается, следуя сухой адиабате, то есть, быстрее, чем если бы влага оставалась в воздухе.

Рассмотрим более детально влажноадиабатический процесс в случае насыщения. Общее количество влаги в воздухе при этом остается постоянным; происходит только перераспределение между жидкой и газообразной фазами. Теперь первое начало термодинамики для единицы массы воздуха запишем в виде

или (с учетом уравнения состояния и при отсутствии теплообмена[12])

                                  .

Здесь  L_s – теплота, выделяющаяся при конденсации (поглощаемая при испарении) единицы массы влаги;  ds – изменение удельной влажности s при изменении Т на dT. Действительно, при нагревании воздух перестает быть насыщенным, и это инициирует дополнительное испарение (если в воздухе присутствуют капли воды, что мы и предполагаем) до достижения насыщения. Добавленный член учитывает выделение или поглощение тепла при конденсации или испарении массы пара ds. Из барометрической формулы, определяющей зависимость давления от высоты, получаем

                                             .

Отсюда находим выражение для влажноадиабатического градиента температуры насыщенного воздуха

                                         .

Таким образом, влажноадиабатический градиент температуры меньше     сухоадиабатического:  , поскольку производная  (удельная влажность насыщенного воздуха при адиабатическом подъеме, очевидно, уменьшается)[13]. Согласно приведенной выше формуле, разница между влажноадиабатическим и сухоадиабатическим градиентами температуры пропорциональна скорости уменьшения удельной влажности насыщенного воздуха с высотой.

Таким образом, конденсация замедляет адиабатическое охлаждение воздуха. Оценки показывают, что при высоких положительных температурах влажноадиабатический градиент может достигать значения 0.5⁰/100 м, при отрицательных  [17] (поскольку содержание влаги в насыщенном воздухе становится малым, и производная  стремится к нулю).

Поднимающаяся вверх теплая масса воздуха адиабатически охлаждается и на некоторой высоте (уровень конденсации) достигает насыщения. Наблюдая летом кучевые облака, образующиеся в восходящих воздушных потоках, можно заметить, что их основания находятся приблизительно на одном уровне – уровне конденсации (или чуть выше его). Этот уровень тем более высок, чем суше воздух у поверхности Земли.

В качестве примера псевдоадиабатического процесса рассмотрим явление, получившее название фён (рис. 13.3). Оно возникает в случае, когда влажный воздух поднимается вдоль склона горного хребта и переваливает через него. Если по мере подъема воздух достигает состояния насыщения, начинается конденсация, выделяется тепло конденсации, и охлаждение воздуха   замедляется. Если сконденсированная влага выпадает в виде осадков на наветренном склоне, то после преодоления хребта более сухой воздух нагревается, опускаясь вниз, быстрее, чем влажный воздух охлаждался во время поднятия. Поэтому, опустившись к подножию хребта, воздух будет иметь температуру более высокую, чем перед началом поднятия.  Разница в температурах может достигать 10 градусов и более.