加拿大pc28 > 数理科学 > 它们通过蒸发过程变为气态的水汽,雨、露、霜

原标题:它们通过蒸发过程变为气态的水汽,雨、露、霜

浏览次数:97 时间:2019-10-04

天空中的云是一种自然现象,它给我们带来的雨水滋润着地球上的万物生长、同时也构成了水循环中重要的一环。晴朗的天空经常因为有富于变化的、多姿多彩的云的装扮更增添了诗情画意和人们无限的遐想,而当阴云密布、遮天蔽日时恐怕是雷暴和暴雨天气就要来临了。雾,可称为接地的云,当大雾弥漫时,不但为人们的交通出行带来种种不便,而且由于水汽含量增加,附着更多的有害气溶胶颗粒物和病毒细菌,为人类健康带来隐患。云和雾与我们的日常生活息息相关,它们的形成都与大气中的水汽凝结有关。

呼风唤雨,这是人类历来的梦想,但要把这个梦想变为现实,还必须依靠科学。大气科学是研究大气中发生的各种自然现象和循环的学科,它也是实现人类呼风唤雨梦想的科学基础。

大气里中水汽并不多,最多时也只占大气的百分之四。我们在日常生活中经常会觉得空气有时比较潮湿,有时却很干燥,就是因为空气中的水汽有时多、有时少的缘故。我们用空气湿度的大小来表示大气中所含水汽多少,该物理量可以通过仪器测量出来。

大气水循环是地面和大气中水物质的循环过程,它是地面清洁水的主要来源,也是驱动大气中各种运动所需能量的主要来源之一。大气水循环整体说来并不复杂,它包括蒸发过程、成云过程和成雨过程。

由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里的这层大气里,而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的,所以它们主要产生于大气层的下部。

更详细地说,地表水是液态或固态的,它们通过蒸发过程变为气态的水汽,这就是蒸发过程,是水的第一次相变。水汽在大气中随气流运动,但在再一次相变之前它是不可能回到地面的。水汽要回到地面,必须再经过一次相变,如凝结或凝华,从气态又变成液态或固态的云滴,这就是成云过程。水汽经过第二次相变就具备回到地面的条件,但它不一定就能回到地面,因为云滴太小太轻,它飘浮在大气中掉不下来,在某些条件下它还会再一次蒸发又回到气态。为了要使云滴回到地面,它必须长大到一定大小,这一使许多小云滴合并成大的雨滴的过程就是成雨过程。自然云中云滴可以通过凝结过程或碰并过程使云滴长大,当它长大到一定尺度就可以成为降水,战胜引力掉到地面,例如直径大于200微米云滴就有可能掉到地面成为毛毛雨,直径大于500微米就会形成雨滴或各种固态降水物。

大气中的水汽主要来自地球表面。江河湖海中的水,潮湿的土壤,动、植物中的水分,时刻被蒸发到空气中。寒冷地区的冰雪,也在缓慢地升华。这些水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发,再凝结下降。因此,在自然界里,水分周而复始地循环着,并在循环运动中不断改变着自身的状态。液态的水,可以凝固为固态的冰,也可以蒸发为气态的水汽;气态的水汽可以凝结为液态的云、雾、雨、露,也可以凝华为固态的冰晶、雪、霜;而固态的冰、雪、雹、霜可以融化为液态的水,也可以升华为气态的水汽因而雨、露、霜、雪就是这种水分循环过程中的产物。

形成降雨的条件

水汽在不但水循环中扮演着重要的角色,作为大气中含量最丰富和最不稳定的温室效应气体,在地球的辐射收支平衡、能量传输中起着重要作用。在大气辐射传输过程中,水汽既吸收来自太阳的短波辐射,也吸收来自地球的长波辐射。水的相变在大气物理过程中起到了重要的作用,某地在水汽蒸发过程中消耗能量,而在完全不同的地方会因水汽的凝结而释放能量。在大气能量传输过程中,由于水的蒸发输送产生的潜热是能量从赤道向高纬度地区输送的重要途径。

从上面关于水循环过程的讨论中我们必需注意两个关键问题:一是相变;二是其中的能量需求。

因此全球性的水循环驱动了能量在全球的重新分配,大气水汽影响着云的生成和降水的分布。大量的水汽是形成云的先决条件,组成云体的单个云雾滴和冰晶是通过凝结或凝华作用产生的,当相对湿度大于100%时,水汽凝结成水滴或直接凝华成冰晶,这些云雾滴和冰晶又通过蒸发和降水过程而消失,云体或云系之所以能持续存在是由于新的云粒子,包括云雾滴和冰晶的不断产生而实现的。水汽凝结生成云的过程中释放能量,这影响着大气的动力学结构,使大气垂直稳定度发生改变,从而影响了天气系统的形成和降水的类型,引起气候和天气系统的演变。

前面已经提到大气水循环中包含了2次相变过程,这是由于地表水和大气中水汽的相态是不同的,水循环过程是通过第一次相变把地表水变成气态的,再经过第二次相变过程又变成液态或固态,这才能回到地面。这一点是很重要的,因为大气中的水汽,如果它没有机会经过第二次相变过程变成液态或固态的水,它们是回不到地面的,也就是说,虽然水汽很多,但它们没有机会发生相变,那么它们就不可能形成降水。

因此只有那些有机会发生相变的水汽才会对降水有供献。从这个意义上来说,对某一地区某一时段而言,单纯水汽多少并不能决定会有多少降水,决定降水多少的是那些已经发生了第二次相变的水量,这才是降水的资源。

这些经过第二次相变后的凝结水就构成了这一地区这一时段的最大可能降水量,这一个量很重要,它才是人工增雨潜力的基础。当然这个最大可能降水量并不能全都变成降水,因为不是所有的云粒子都会顺利长大,其中很多一部分会一直停留在空中,甚至又一次被蒸发掉。这就决定了成雨过程的效率,它反映某一地区某一时段中实际降水量与最大可能降水量之比。

加拿大pc28,第二个问题是能量,这也是我们在企图影响自然过程中必须考虑的。从上面的分析中可以看到,大气水循环的几个过程都涉及到很大的能量需求。我们必须考虑是否有能力提供这样的能量,来改变自然进程的发展?大自然的能量是十分巨大的,对此我们需要进行一些定量的估测。把每年全球人类使用的能源数作为一把尺子,把它作为1个单位(其具体数值约在1020焦尔的量级),来估测大气过程所涉及的能量。

地球大气所有的运动都是靠太阳提供的能量驱动,据大气科学估计,每年太阳提供给地球的能量约为40000个单位,其中用于地面蒸发的能量约为10000个单位,而在成云过程中用于抬升气块运动的能量约为100个单位。因为人类只撑握1个单位的能量,面对蒸发过程和成云过程所涉及巨大的能量,人类显然是无能为力的。

但很幸运,大气科学也发现成雨过程实际上是不涉及到能量需求的,它的效率高低主要和云中的微物理结构有关,因此我们可以适当地改变云中的微物理结构,调整它的成雨过程的效率,从而达到增雨或减雨的目的。这就是我们搞人工增雨的基础。

什么样的云彩会下雨

人工增雨作业是希望通过人类的干预,改变云中的微物理结构,从而提高成雨过程的效率,使地面降水量增加。为此我们需要了解在自然云中,雨滴是怎么形成的?即在自然条件下成雨过程是怎样在进行的?

大气科学的研究指出,成云过程中形成的云滴或冰晶都很小,其直径在10微米左右,这种颗粒在具有上升气流的大气中是不可能落到地面的。要使云中的云滴长大为雨滴(直径至少为200微米,甚至1毫米)需要两个过程,一是凝结增长过程,但由于这一过程的效率随云滴直径增加越来越低,对直径大于10微米的云滴来说,就很难通过凝结实现体积的增长了;另一种是碰并增长过程,如果云中粒子的大小不同,则大粒子的下降速度会大于小粒子,因此它会追上小粒子并且和它碰撞、并合,使大粒子下降一路上的小粒子都并到这个大粒子中去,从而迅速变大,而且粒子越大它的碰并增长效率越高。自然界的降水粒子,无论是液态的雨滴还是固态的雪花、霰、冰雹主要都是通过这一过程形成的。

本文由加拿大pc28发布于数理科学,转载请注明出处:它们通过蒸发过程变为气态的水汽,雨、露、霜

关键词:

上一篇:没有了

下一篇:没有了