Landsberg-1985-T1

1. Волосной гигрометр изображен на рис. 503. Основ­

иая часть прнбора - обезжиренный человеческий волос J,

обладающий способностью удлиняться при увеличении

относительной влажиости воздуха~ Волос J навит на ролик 2

и держится в натянутом состоянии FРУ3ИКОМ 3. При из­

менении влажности меняется длина волоса, ролик 2 вра­ щается и движет стреnку 4. Деления шкалы указывают

f

гигрометр

относительную влажность. Если одновременно измерять

и температуру воздуха,то можно определить абсолютную

влажность воздуха и да.вление водяного пара.

Пусть, например, относительная влажность равна 50%,

8: температура воздуха равна 20 0с. Тогда из табл. 24 нахо­

дим, что давление насыщенного пара при температуре 20 ос

равно 17,5 мм рт. СТ., абсолютная влажность-17,32 г/м3•

Следовательно, давление (парциальное) водяного пара

равно 17,5 ·0,5=8,75 мм рт. СТ., а в 1 мВ воздуха содержится

17,32 ·0,5=8,66 г воды в виде пара.

2. Психрометр изображен на рис. 504. При60Р состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из

термометров обернут куском чистого батиста, нижний край

которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испа­ ряется на шарике термометра, если в(}дяной пар в воздухе не являетея насыщ;енным. Вследствие потери тепла на

s62

испарение шарик термометра охлаждается и смоченный

термометр показывает меньшую температуру, чем сухой.

Разница между ПОказаниями термометров тем больше,

чем больше отличается давление водяного пара, содержа­

щегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По

показаниям сухого и смоченного термометров при помощи

особых психрометрических таблиц находят давление во­

дяного пара и относительную влажность воздуха.

При понижении температуры воздуха при постоянной

массе водяного пара относительная влажноСТЬ возрастает,

так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной

пар к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то оп­

ределенной температуре относительная влажность стано­

вится равной 100 %, и дальнейшее понижение температуры

приводит к конденсации водяного пара. Появляется туман,

«запотевают» окна, на траве оседают капельки росы. Тем­

пературу, при которой пар при данном давлении стано­

вится насыщенным, или, что то же самое, при которой

относительная влажность воздуха становится равной 100 %,

называют точкой росы. Точку росы легко определить, мед­ ленно охлаждая металлический стакан, например бросая в него кусочки льда, и замечая температуру, при которой

стакан запотевает.

Существуют и специальные приборы для определения

точки росы, действующие примерно по тому же способу.

Зная точку росы, можно определить давление водяных паров и влажность воздуха абсолютную и относительную.

Пусть, например, точка росы равна 10 0С, а температура воздуха равна 20 0с. Из табл. 24 находим, что при 10 ос

давление насыщенного пара равно 9,21 мм рт. СТ., а в 1 мЗ

содержится 9,41 г BOдbI В виде пара. При 20°С давление насыщенного пара было бы равно 17,5 мм рт. СТ. Сле­

довательно, относительная влажность воздуха равна

(9,41 : 17,5) ·100=52,6 %.

?306.1. Какова относнтельная влажность воздуха, если в 1 м3

•содержнтся 7,5 г водяных паров, а температура воздуха равна

10°С?

306.2.Какова масса водяного пара в комнате объемом 115 мз, если при 20 ос относительная влажность равна 60 %?

306.3.При температуре воздуха 15 ос относительная влажность

равна 55 %. Выпадет ли роса, если температура воздуха упадет

до lOОС?

Г л а в а XYlll. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ

§ 307. Атмосфера. Воздушная оболочка Зе~!ли - атмосфера - пред­ ставляет собой слой воздуха, П.l0ТНОСТЬ КОТОрОГО постепенно убывает по мере удаления от поверхности Земли. Уже на высоте около 50 км

даIJ.1сние ВОЗ;J:уха в 1000 раз меньше, чем у поверхности Земли, так что

ещс более высокие слои атмосферы представляют собой чрезвычайно

разреженный газ.

Сведения о строении атмосферы были получены в результате Iюдъе­ ма самопишущих приборов на самолетах, а также приборов, поднимае­

мых на резиновых баллонах, наполненных водородом, и передающих

автомаТИ'IССКИ по радио данные о температуре, давлении и влажности

воздуха на различных высотах, вплоть до 40 км. Эти приборы называют

радиозондами.

Впоследнее время верхние слои атмосферы изучаются с помощью

ракет н искусственных спутников Земли.

Ватмосфере различают несколько слоев. Нижний слой толщины око­ ло 11 км в умеренных широтах и 14-17 км в тропических широтах на­ зывают тропосферой. В этом слое воздуха сосредоточен почти весь во­ дяной пар атмосферы, в нем образуются восходящие и нисходящие токи

воздуха, формируются облака'И, во06ще, происходят процессы, влияю­ щие на изменения погоды. В тропосфере температура воздуха уменьша­

ется с высотой в среДllем на 5-6 ос на каждый километр высоты.

Над тропосферой простирается стратосфера, почти всегда без­

облачная. В нижней части стратосферы, до высот, равных 30 Ю!, Te:l!-

пература ПО'fТи не меняется и равна примерно -55 ос. В 60.1ее высоких

слоях стратосферы температура воз::\уха повышается, достигая наиболь­

ших значений (до 40 ОС) на высоте 50-60 км. Далее те:lшература вновь

понижается. Такое повышение те:l!Пературы связано с Te:l!, что на высо­

те от 20 до 25 K:I! расположен с"ой озона, нагревающегося вследствие поглощения ультрафиолетовых лучей, испускае:l!ЫХ Солнце:l!. Над стратосферой, на высоте более 80 К:I!, находится ионосфера.

Атмосферный воздух состоит из азота (78,1 % по объему О)), КИСЛО­ рода (21 %) И1ргона (0,9 %), к KOTOPbI:l! постоянно примешаны в неболь­

ших количествах углекислый газ, гелий, неон, криптон и ксенон. Бла­ ГОД"f>Я перемешиваllИЮ в нижних слоях атмосферы, состав воздуха до высот примерно 100 Ю! почти одинаков. В атмосфере содержится также

в')д>нJOй пар. попадающий туда при испарении с поверхности морей и материков. Голь ВОДЯНОГО :-rapa в явлениях, происходящих в атмосфе-

*) Это означает, что из 1000 молекул воздуха 781 являются молеку­

лами азота, 21O-молекулами кислорода и 9 - молекулами аргона. (Примеч. ред.)

564

тично снова поглощается вrмосферай, что уменьшает потерю тепла Зем­

лей.

Как же происходит, что атмосфера может пропускать ЛУЧИ, идущие

от СОЛlща, и задерживать излучение Земли? В состав излучения Солнца входят как видимые лучи, действующие на наш глаз и называемые све­ том, так и невидимые (ультрафиолетовые и инфракрасные). Земля, как и

всякое другое тео'lO, температура которого ниже 500 ос, излучает в замет­ ном ко.~ичестве только инфракрасные лучи. Земля нзлучает, коиечно,

и днем и ночью, но днем теШlOвое действие ИЗо1учения незаметно, так

как потеря теПJlOТЫ за счет излучения полностью перекрывается коли­

чеством теплоты, ПOJlучаемым при поглощеНlIИ Jlучей Солнца. Ночью

Видимые лучи, эиергия которых составляет значительную часть

солнечного излучения (около 40 %), свободно проникают СКвозь атмо­

сферу и поглощаются земной поверхностью. За счет поглощенной эиер­ гии земная поверхность излучает инфракрасные лучи, которые погло­ щаются водяным паром и нагревают атмосферу. Если бы этого не было, то средняя температура поверхности Земли составляла бы ие 15 ас, как это имеет место на самом деле, а была бы значительно ниже нуля. В этом смысле действие водяного пара сходно с действием стекол, служа­ щих для закрывания парников (рис. 505).

§ 309. Адиабатические процессы в атмосфере. Мы говорили до сих пор

о том, что атмосферный воздух может нагреваться или охлаждаться, сопрнкасаясь с более теплыми или ХОЛОДНЫМИ телами, заимствуя у иих

или отдавая им теплоту. Мы упоминали также о том, что воздух может

сам излучать и поглощать энергию в виде энергии видимых или иевиди­

мых лучей *). Однако существуют и такие процессы, при которых тем­

пература воздуха меняется, хотя воздух при этом не получает и не от­

дает теплоты м:ружающим телам.

Процессы, при которых отсутствует теплообмеи с окружающей сре­

дой, называю", как было указано в § 225, адuабаmuчесюнш. Там же

было выяснено, что при адиабатическом расширении газ охлаждается, так как при этом совершается работа протнв сил виешнего давления, в результате чего внутренняя энергия газа уменьшается. Воздух в вос­ ходящем потоке расширяется, так как, поднимаясь, он попадает в об­ ласти все меньшего давления. Этот процесс происходит практически без

*) Поглощение и излучение энергии производятся в основном ТОЛЬ­

ко водяными парами и углекислым газом, составляющими лишь ничтож­

ную часть атмосферы. Остальные газЫ, входящие в состав атмосферы,

почти не поглощают и не излучают энергии.

566

теплообмена с окружающими слоями воздуха, тоже поднимающимися

и тоже охлаждающимися. Поэтому расширение воздуха в восхОдящем пот{)ке можно считать адиабатическим. Итак, подъем воздуха в аm,иосфе­ ре ronровождмmся его охлйждением. Расчет и измерения показывают,

что подъем воздуха на 100 м сопровождается охлаждением приблизп­

тельно на I К.

Проявления действия адиабатических процессов в атмосфере весьма многочисленны и разнообразны. Пусть, например, воздушный поток на своем пути встречает высокий горный хребет и вынужден поднимать­ ся по его склонам вверх. Восходящее движение воздуха сопровождается

его охлаждением. Поэтому климат горных стран всегда холоднее кли­

мата ближайШих равнин, и на больших высотах господствует вечный мороз. На горах, начиная с известной высоты (на Кавказе, например, с высоты 3000-3200 м), снег уже не успевает стаять летом и накапливает­

ся год за годом в виде мощных снежников и ледников.

Когда воздушная масса опускается, она сжимается и при сжатии

нагревается. Если воздушный поток, перевалив через горный хребет,

спускается вниз, он снова нагревается. Так возникает фён - теплый

ветер, хорошо известный во всех горных странах - на Кавказе, в Сред­ ней Азии, в Швейцарии. По-особому протекает адиабатический проuесс

охлаждения во влажном воздухе. Когда воздух достигает при своем по­

степенном охлаждении точки росы, водяной пар начинает в нем конден­

сироваться. Так образуются мельчайшие капли воды, из которых со­

стоит туман или облако. При конденсации выделяется теплота парообра­

зования (§ 295). которая замедляет дальнейшее охлаждение воздуха. Поэтому поднимающийся поток воздуха будет охлаждаться при конден­

сации пара медленнее, чем тогда, когда воздух совершенне сухой.

Адиабатический процесс,' при котором идет одновременно конденсация

пара, йазывается в.лa:JlCно-ai}иабаmическим.

? 309. t. Каким является процесс расширения воздуха в опыте,

•изображенном на рис. 495, когда: а) ядер конденсации много;

6)ядра конденсации отсутствуют?

309.2.Когда воздух переваливает че,рез горный хребет, то его температура оказывается после переваливания более высокой, чем она была на той же высоте до переваливания. Объясните явле­

ние.

§ 310. Облака. Когда воздух вместе с находящимся в нем водяным па­ ром по той или иной причине охлаждается, водяной пар может конден­ сироваться в виде капелек воды или ледяных кристалдов. Так образу­ ются облака и туманы. Они состоят из мельчайших капелек воды (диа­ метра от 3 до 40 мкм) или столь же мельчайших частиц льда (рис. 506 и 507). Конденсация начинается тогда, когда воздух достигает точки ро­ сы. Капли облаков и туманов столь мелкн, что Падают в воздухе чрез­

вычайно медленно, почти незаметно. Очень часто при морозе, т. е. при температуре ниже оое, эти КапЛИ являются переохлажденными, т. е. ос­

таются жидкими и не замерзают. В том случае, когда воздух охлаждает­

ся благодаря со"прикосновению с холодной поверхностью Земли или мо­ ря, в приземном слое воздуха образуется туман. Облака - это тот же

туман, только они возникают в более высоких слоях атмосферы.

Мы уже говорили, что когда некоторая масса воздуха поднимается вверх, 1"0 она расширяется и охлаждается. В таком охдаждении - глав­ и.ая причина образования обдаков. При сильных воздушных потоках, направленных вертикально вверх, образуются особенно плотные, ие­ просвечивающие белые клубящиеся облака. Такие облака называют

кучевыми, Иногда онн перерастают в высокие, высотой в несколько ки-

S67.

лометров, грозовые облака, имеющие волокнистую, как бы растрепан­

ную верхушку (рис. 508). В том случае, когда восходящее движение в

атмосфере очень медленное (несколько сантиметров в секунду), 110 ох­

ватывает одновременно огромиую массу воздуха на протяженин МI:ЮГИХ

Рис. 506. Облачные капли

Рис. 507. Облачные кристаллы льда

сотен километров, образуются слоисто-дождевые облака, серые, плотные

ибесформенные. Слой таких облаков иногда имеет толщину 4-5 км.

Ватмосфере может также возникать волнообразное движение возду­ ха. В гребешках ВО3ДУJUНЫХ волн воздух поднимается вверх, и там обра­

зуются отдельные облачка или облачные валы, а в промежутках между

гребешками остаются просветы (рис. 509). Такие облака в народе'Н8ЗЫ­ ваются'.~бар'ашками». В облаке более крупные капельки могут сталки­ ваться с более мелкими, потому что крупные падают скорее и догоняют

при падении мелкие, Со временем так могут образовываться капли нас­

тоящего дождя,

568

Рис. 508. Грозовое облако

Чаще же всего осадки (дождь, снег и пр.) образуются в облаках бла~

годаря различному давлению насыщенного водяного пара над водой и

льдом (§§ 301 и 306). Это происходит следующим образом. Предполо~

жим, что в облако, состоящее из переохлаждеиных капель, попадает частица льда. Такая система является неустойчивой (§ 306) и, вследствие диффузии водяного пара от капель к I{ристаллам, последние растут, а

Рис. 509. Волнистые облака

капли испаряются. Таким путем в облаке вырастают большие снежин­ ки. Они постепенно выпадают из облака. Если они внизу попадают в

слой более теплого воздуха с температурой выше О ОС, то могут растаять

в ием и выпасть в виде капель дождя.

Снег, дождь, град и т. д. В метеорологии объединяют общим назва­ нием «осадки». Количество осадков определяют, вычисляя, какой ТОЛ7 щины (в миллиметрах) слой воды образовался бы на поверхности Земли, если бы вода никуда не стекала и не испарялась. Для определения коли­ чества воды, содержащейся в снеге, его растапливают. Самые сильные

ливни, когда-либо наблюдавшиеся в СССР, давали более 300 мм осадков в сутки. В центрадьных обдастях нашей страны уже 20 мм осадкой надо считать сильным дождем. За год, напримС'р, в Москве, выпадает всего 540 мм осадков, в дождливой Западной Грузии - до 2600 мм. В Индии,

экваториальной Африке н на Гавайских островах имеются местности,

где годичное количество осадков достиrает 12000 мм.

§ 311. Искусственные осадки. В последние годы было преДJIожено и успешно испробовано несколько способов нскусственного осаждения

облаков и образования из них осадков. Для этого в переохлажденном

капельном облаке с самолета разбрасываю! мелкие частицы (<<зерна)

твердой углекислоты, имеющей температуру около -70 ОС. Вокруг этих

Рис. 510. Вид сверху иа слой облаков, среди которых прошел самолет,

разбраеываюutий частицы твердой углекислоты Черная граница спра­

ва - крыло самолета, с которого произведено фотографирование. Тем­

ная оолос.:а в море облаков - результат осаждения облака после разбрасывания зерен твердой углекислоты

зерен в вовду·хе образуется благодаря столь низкой температуре огром­ ное 'lИСЛQ очеНL мелких кристалликов льда. Эти кристаллики затем рас­

сеиваются в облаке благодаря движеиию воздуха. Они служат теми

зародышами, на которых после вырастают большие снежинки - точно

так, как это описано выше (§ 310). В слое облаков при этом образуется

широкий (1-2 км) просвет вдоль всего пути, который прошел самолет (рис. 51О). Образовавшиеся при этом снежинки могут создать довольно

сильный снегопад.

Само собой разумеется, что таким путем можно осадить лишь столь­

КО воды, сколько уже содержалось ранее в облаке. Усилить же процесс конденсации и образования первичных, самых мелкнх облачных капель

пока еще не в силах человека.

570

§ 312. Ветер. Воздух атмосферы всегда охвачен Ааижением, более или

менее быстрым. Движение воздуха, направленное вдоль эеМRCJi поверх­

ности (паРaJlЛельно ей), назыаается ветром. Ветер в 3-5 м/с - CJlабwй

ветер, ТOJIЬKO колеблющий ветки деревьев, а ветер в 13-15 м/с - силь­

ный, мешающий пешеходу идти ему навстречу и поднимающий пеня­ щиеся волны в море. Кроме скорости ветра, определиют также If его

направление: откуда дует ветер - с севера, северо-востока и т. д. Энер­

гии ветра используется в ветряных мельницах и насосах, в веТРОСИЛG­

вых И ветроэнергетических установках, с ее поМощью движутси парус­

ные суда. Использование ее тем выгоднее, чем устойчивее и сильнее вет­ ры в данной местности. Эти установки лучше всего применять в cтenHoil:

местности, иа открытых берегах морей и т. д.

Движеиие воздуха идет от мест и областей, где давление воздуха больше, к тем местам, где давление на том же самом уровне меньше.

Различия в давлении воздуха вызываются разными причинами. Напри­ мер, морской бриз возникает из-за неодинакового нагревания поверх­

ности земли и БОДЫ солнцем, а также разной скорости их охлаждеНИII

ночью. В летний день почва на побережье нагревается сильиее, чем по­

верхность моря.

Действительно, в сравнительно прозрачной воде теплота солнечиых

лучей распространяется на значительную глубину и иэмеиение темпе­

ратуры поверхности будет мало, в то время как на суше иагреваетсll

лишь самый поверхностный слой почвы, которая к тому же обладает

меньшей удельной теплоемкостью (около I КДЖ/(кг·К». Воздух над

сушей нагревается сильнее, чем над водой, и подннмается вверх, так как его плотность меиьше, чем плотность находящегося вокруг ХОЛОА­

ного воздуха. В результате давление у земли уменьшается и к месту пониженного давления притекает более холодный воздух с моря. Такой поток и называется дневным бризом. Ночью наблюдают обратное ЯВ­

ление: суша, прогретая за день ТOJIЬKO в тонком слое, остывает быстрее, чем вода; остывает и увеличивает свою плотность и воздух над сушей; так возникает ветер от берега к морю.

Аналогично происхождеиие 1Iетров, мениющихся от лета к зиме

и называемых муссонами. В Азии летом температура воздуха может

превышать 50 ос и давление воздуха сильно понижаетси. В результате

мощный поток более холодного воздуха с грозами и ливнями вторга­

ется с моря в конце маи или начале июня в Индию. Зимой над Сибирью

и Центральной Азией давление воздуха возрастает и холодный воздух

течет оттуда на восток - на Японское и Желтое моря и на юг - к бе­ регам Индийского океана. Аналогичные сменяющиеся муссоны наблю­ даются, например, над Африкой.

Ветры, охватывающие значительные участки Земли, никогда не дуют прямо в направлении от большого давления к малому. Можно до­ казать, что все тела, движущиеся по поверхности Земли, вследствие

ее вращения получают ускорение вправо в северном полушарии и вле­

во в южном (сила I(ориолиса, § 136). Это относится и к дВижущемуся

воздуху. В результате воздух, стекающий к области пониженного дав.

ления, закручивается (в северном полушарии) против часовой стрелки (циклон), а воздух, растекающийся от мест повышенного давления, за­ кручивается по часовой стрелке (антициклон).

Иногда большие разности давлений возникают на значительной

высоте; тогда на этой высоте появляются сильные ветры (до 130 м!с).

1lаэываемые струйными течениями, ХОТЯ на уровне земли в это времн: может и не быть ветра. Обычно это узкие полосы ветров; они наблюда­ ются зимой в высоких широтах на высоте 3-4 км, над Японским R

Охотским морями на высоте 7 хм, а также летом над югом СССР - Кав-

_57'