[理学]第三讲大气湿度与凝结讲课讲稿

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产生云和露的凝结过程实际上并不是一个很简单的过程,并不是只要 空气达到饱和就可以了。
凝结过程往往要依附于一个物体。 如果水汽要在空中凝结出来,形成云或雾,它也要在空中找一个可以
依附的物体,这就是凝结核。 在凝结过程发生之前,空气中只有水汽分子,处于单一相态的状态。
如果由于凝结,出现水滴,空气中出现另外一种相态。 从单一水汽相中产生液相水滴,或在过冷却的水滴中产生固相的冰晶,
在空气中仅仅有水分子的情况下(即均质核化 过程),几个水分子可能会碰在一起,形成一 个分子簇。它们也可以被认为是最初的小水滴, 但它们是不稳定的,可能很快又分开了。
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凝结核的作用
热力学计算表明,对纯水汽的情形,只有到过饱和度 达到400%以上(即相对湿度500%以上),均质核 化过程才能出现。
合计: 29 水汽的分子量
氢= 1x2= 2 氧 = 16 x 1 = 16
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饱和水汽压
空气饱和时水汽分子产 生的压力
饱和需要的水汽分子数 目随温度增加而增加。
在同等温度下,冰面与 水面的饱和水汽压不同!
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Clausius-Clapeyron方程
dlnesa,tW Le,0 dT RT2
PN2 ~ 780 hPa PO2 ~ 210 hPa PH20 ~ 10 hPa
78% 21% 1%
Leabharlann Baidu
分压是一个常用的表示 气体含量的单位
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湿空气
空气是各种气体的混合体,空气 = 干空气 + 水汽 湿空气密度更大? 干空气(只含氧气和氮气)的分子量:
氮 = 14 x 2 = 28 x 0.78 ~ 22 氧 = 16 x 2 = 32 x 0.21 ~ 7
一般云中液体水的含量约0.1 – 0.6 g/m3, 平均为 0.3g/m3。3 公里厚度云的水量为 0.3x3000 = 900 g
分配在 1 m2 的面积上,其厚度为0.9 mm
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1、露和霜的形成
在晴朗,无风的夜晚,容易形成露 和霜
露和霜经常出现在植物叶子表面 冬天窗户玻璃上常常可以看到结霜
成水滴特别一利。海盐在相对湿度 78% 就开始潮解。其他还有硫酸盐和硝酸盐 的颗粒也有吸湿性。 目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量 CCN 是否会影响到云或降 水的特性。 但 CCN 是绝对重要的。如果大气完全清洁,一个 CCN 都没有,大气环境将是不 可思议的。
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水汽压
• 当空气中水分子产生的压力叫水汽压 • 水汽压是大气水分含量的一种 表示方法,水汽压单位
是[Pa] 或 mb • 水汽压与水汽密度(ρv)和温度的关系由理想气体定律
表示 e = ρv·Rv·T .
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分压
总压力 = PN2+ PO2 + PAr + PH20 + PCO2 + …
总压力是1000 hPa,
因此最初的水滴需要依附在其它颗粒物上,能起这种 作用的颗粒物被称为凝结核。有凝结核时的核化过程 是异质核化过程。
大气中有许多尘埃,气溶胶颗粒都可以起到凝结核的 作用,其中吸湿性的核,如盐粒子等都很有效。
凝结核越大,它形成最初的水滴也越大,以后的增长 要求的过饱和度也越低。
大气中的凝结核数量大约每立方米100-数千个。
T Kelvin
es =milibar
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5、相对湿度与人 人体对相对湿度的反应
人体主要对相对湿度,而不是对绝对湿度有反 应,其主要原因是人体的反应与水份的蒸发有 关,而水份的蒸发直接与相对湿度有联系。
在炎热的条件下,人主要通过汗水的蒸发来散 发热量。当环境的相对湿度高时,蒸发困难, 热量就散发不出去,人感觉到闷热。
可以用全球大气中总的水汽量来做一个估计。 大气中的水汽量是 13x1012 m3。按地球半径 6370
公里,表面积为 4*3.1416*(6370000)2 = 509x1012 m2 平均水柱高度 13x1012/509x1012 = 0.02549 m = 25.5 mm
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云中的水量
虽然地球上总的降水量上很大的,这些降水都是要通 过云才能形成,但云本身所有的水量是很小的。
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相对湿度
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一些可能的误解
1. 相对湿度100%不表示空气全是水汽
2. 热天, 热带室外空气中水汽含量一般小于20 g/kg 35°C 时饱和比湿36.8 g/kg
RH = (20g/kg / 36.8 g/kg) • 100% = 53%
3. T = -20°C,
4.
饱和比湿0.8 g/kg,假设水汽含量是0.7 g/kg
Clausius-Clapeyron曲线的重要性 •说明暖空气可含有更多的水汽 •描述了给定温度下的最大水汽含量 •可以用水汽压或者其他湿度单位来表示 水汽量 •饱和水汽压与温度不是线性关系
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3、描述大气水汽含量的方法
绝对湿度 or 水汽密度 (ρv) 比湿 (q) 相对湿度 (RH) 露点温度 (Td) 实际水汽压 (e or ea)
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水的分子结构
两个氢氧键之间的 夹角是105°,所 以,水分子具有明 显极性。
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冰的晶体结构
当水处于固体状态(冰) 时,水分子由于分子之 间强的极性固定在一起, 呈正6面体晶体。这些 水分子无法移动,但可 以振动。
一个雪片可以由许多这 样的晶体组成。
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水的相变
固态水变成液态水,这个过程称为融化(溶 化,melting)。
从固态直接到气态的相变成为升化 (sublimation)。
从液态到气态的相变相变叫蒸发 (evaporation)。
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2、蒸发和饱和
饱和指蒸发和凝结处于平衡状态,多余的水汽将打破这 一平衡。
茶杯如果盖上一个盖子,蒸发的水分子最终将和凝结的 水分子达到平衡,这时水汽达到饱和。如果把盖子去掉, 一部分水分子将向空气中逃去,平衡被破坏,更多的水 分子将蒸发。
潮解了,它对形成水滴特别有利。海盐在相对湿度 78% 就开始 潮解。其他还有硫酸盐和硝酸盐的颗粒也有吸湿性。 目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量 CCN 是否 会影响到云或降水的特性。 但 CCN 是绝对重要的。如果大气完全清洁,一个 CCN 都没有, 大气环境将是不可思议的。
云凝结核(CCN)
在冬天,环境湿度比较低,皮肤蒸发很快,容 易出现皮肤干裂的现象。
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凝结、雾和云
露和霜的形成 凝结核 霾 雾 云 各种云图
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水汽的垂直分布
水汽的主要源是在地面,通过垂直运动和湍流交换送 到高空,因此其浓度分布一般也向上递减。
整层大气的总水汽量是各层大气水量的和,常常用多 少毫米水柱高度来表示。一般变化于 1 – 100 mm 之 间。
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RH随纬度的变化
热带高, 副热带低, 极地高。
请比较该图和 比湿随纬度 的变化!
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露点温度Td
露点:大气等压冷却达到饱和时的温度。 如某气块中的水汽含量不变,假想由于温度
的降低,相对湿度会逐渐变大。当相对湿度 变为 100%,即空气变得饱和时的温度称为 该气块的露点温度,简称露点。 露点温度可以很好地反映气块中水汽量的多 少。 气块的实际温度和露点温度之差,称为温度 露点差,可以很好地反映相对湿度(离饱和 还有多远)。
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极地空气:温度 - 20 C 露点 - 20 C
相对湿度 100%
沙漠空气:温度 350 C 露点 50 C
相对湿度 16%
露点温度
T > Td(饱和) 二者相等, T = Td 进一步冷却,T = Td
计算相对湿度和露点
Tetens公式
es
6 .1 1 ex p
17.27 *T 237.3 T
的湿度量 q的变化表示空气中水汽量的变化 (蒸发,凝结)
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比湿和混合比
它们的差别在于用总质量还是用干空气 质量与水汽质量去比,分别称为比湿和 混合比
Specifichumidity massof watervapor totalmassof air
Mixingratio massof watervapor massof dryair
并不是由原来的相态连续转变而来的。总是先在母相中产生新的凝聚 相的胚胎,而后这些胚胎在适当的条件下再长大成新相的粒子,这种 生成新相胚胎的过程叫做核化。
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核化(Nucleation or Activation)
仅由单一物质分子自身结合成新相胚胎称为均 质核化过程;有其它物质参与下生成新相胚胎 称为异质核化过程。
RH = (0.7g/kg / 0.8 g/kg) • 100% = 90%
T = +20°C, 饱和比湿8 g/kg,假设水汽含量 7
g/kg
RH = (7g/kg / 8 g/kg) • 100% = 90%
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相对湿度的例子
T = 14°C 比湿= 6g/kg 饱和比湿 = 10 g/kg RH = [6g/kg / 10 g/kg]• 100% = 60%
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云凝结核(CCN)
对云滴形成最有利的核是半径大于0.1µ m的颗粒,称为云凝结核 (Cloud Condensation Nuclei)。一般大气中其浓度为 100 – 1000 个/cm3。
它们的来源包括灰尘,火山,森林火灾,海水溅沫,海洋生物排 放的硫化物,人类活动排放的各种颗粒物。
CCN的重量很小,可以在大气中停留很长的时间。 在大气污染的地区,其浓度会很高,达到 106/cm3。 有些凝结核是吸湿性的,它在相对湿度达到 100% 之前就已经
T = 25°C 比湿 = 6g/kg 饱和比湿 = 20 g/kg RH = [6g/kg / 20 g/kg]• 100% = 30%
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相对湿度随温度的变化
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Rh 的日变化
白天,空气中的水汽含量实质上没有太大变化,但一天中温度变化 很大,相对湿度就会有明显的日变化,因为温度改变,饱和水汽 压也变了。相对湿度与温度反相关,最高一般在清晨,最低在下 午。
对云滴形成最有利的核是半径大于0.1µ m的颗粒,称为云凝结核(Cloud Condensation Nuclei)。一般大气中其浓度为 100 – 1000 个/cm3。
它们的来源包括灰尘,火山,森林火灾,海水溅沫,海洋生物排放的硫化物,人 类活动排放的各种颗粒物。
CCN的重量很小,可以在大气中停留很长的时间。 在大气污染的地区,其浓度会很高,达到 106个/cm3。 有些凝结核是吸湿性的,它在相对湿度达到 100% 之前就已经潮解了,它对形
当大量的海盐颗粒漂浮在海面上方,那里的相对湿度又比较高, 常常呈现为一层白色的霾层。
相对湿度接近100%时霾可以变成雾 (能见度< 1 km)
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干霾 –散射蓝光的小粒子,在暗背景下呈蓝色;在亮背景下呈黄色。 湿霾 – 散射各色光的大粒子,呈白色 干霾可变成湿霾
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3、凝结核
(Condensational Nuclei)
[理学]第三讲大气湿度与 凝结
1、大气中的水
水是大气中的重要成分。水汽是大气中唯一 一种在大气自然条件下有三相变化的气体。
水对许多大气过程,尤其是激烈的天气过程 起着关键作用。
水的相变影响大气中的能量平衡,如蒸发导 致冷却、凝结导致热量释放。
水循环可以冲刷大气中的污染成分。 云量会影响大气的辐射平衡。 水汽的多少也影响人的舒适度。
霾的特点是这些颗粒还不是水滴,但它们随着相对湿度的增加 会潮解,颗粒会变大;而当相对湿度减小时,颗粒会变小。
当然,这些颗粒都很小。在干燥的时候其半径约 0.1 µ m ,它 对太阳光的选择散射使它有发蓝色的感觉。当湿度增大,颗粒 也变大,散射光变成白色。当RH从60%变到80%,散射能力 增加3倍。
形成的窗花。但没有人知道它为什 么会是你所见的花样
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露与霜
晴空和静风时: •辐射使地面降温速率比空气 快 •地面进一步冷却 •如果地面温度降低到露点— —发生凝结
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2、霾(HAZE)
如果在大气中漂浮着一层尘埃或海盐颗粒,你会发现在早晚时 间,远处目标外物看得不太清楚,而在中午时就比较清楚,这 就是有一层霾。
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绝对湿度(absolute humidity)
单位体积内的水汽质量(gm-3), 取决于温度和压力, 很少使用(why?)
空气膨胀冷却,压缩加热体积变化, 则绝对湿度也变化
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比湿 (q, specific humidity)
比湿 (q) = 水汽质量(kg)/空气质量(kg)
空气质量 = 干空气 + 水汽 当体积改变时,质量不变,所以,比湿不变,q 守恒
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