Конденсация бұлтты өзектері. Атмосферадағы судың қатты фазасының түзілуі

Пән: География
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

Факультеті: «География және табиғатты пайдалану»

Кафедрасы: «Метеорология және гидрология»

Студенттің өзіндік жұмысы

Тақырыбы: Конденсация бұлтты өзектері. Атмосферадағы судың қатты фазасының түзілуі.

Орындаған: Тоғай Анара

Тексерген: Сулейменова Ғ. Т.

Алматы - 2017 ж

Жоспар:

КІРІСПЕ

1. Конденсация бұлтты өзектері

2. Атмосферадағы судың қатты фазасының түзілуі

Қорытынды

Пайдаланған әдебиеттер тізімі

КІРІСПЕ

Ауаның құрамында су буы болады. Табиғатта су сұйық, қатты және газ күйінде кездеседі. Атмосфера құрамындағы су буы мұхиттар мен теңіздер, өзендер мен көлдерден, батпақтар мен топырақтардан пайда болады.

Ауа белгілі бір температурада, белгілі бір мөлшерде су буларынан тұрады. Оны су буы немесе қаныққан ауа деп атайды. Егер ауа құрамына белгілі температурада ұстап тұра алатын су буынан аз мөлшерде су буы жинақталса, онда оны су буына қанықпаған ауа деп атайды.

Тұман және бұлттар. Тұман ауаның жер бетіне жақын қабатындағы су буы тамшыларға айналуынан пайда болады. Жаздың соңына қарай немесе күзде ауа райы ашық, бұлтсыз кезде ауаның жер бетіне жақын орналасқан қабаты түндегі жерден келетін жылудың таралуы нәтижесінде салқындайды. Ондай жағдайда ауа құрамындағы су булары өте майда су тамшыларына айналып, қоюланады. Соның нәтижесінде тұман пайда болады.

Бұлт - атмосферада қалқыған өте ұсақ су буы тамшыларының және мұз кристалдарының жиынтығы. Ол жер бетінен 2-18 км-ге дейінгі биіктікте атмосфераның төмен бөлігінде (тропосфера) құралады. Бұлттар ауа құрамындағы су буының қоюлану нәтижесінде пайда болады. Бұлттарды құрайтын су түйіршіктерінің және мұз кристалдарының көлемі ұлғайып, олар бұлттардан бөлініп, атмосферадан жауын-шашын түрінде (жаңбыр, қар, ұлпа, бұршақ, т. б) жер бетіне түседі. Бұлттардың жоғары шекаралары полярлық ендіктерде 3-8 км, қоңыржай ендіктерде 5-13 км, тропиктік ендікте 6-18 км аралығында.

Конденсация бұлтты өзектері

Конденсация бұлтты өзектері дегеніміз кішкентай су тамшыларынан немесе мұз кристалдарынан тұратын атмосферадағы конденсацияланған су буын басатын немесе шөгетін қатты немесе сұйық дене бөлшегі. Осы процестің нәтижесінде, әдетте, бұлт түзіледі. Конденсация болатын максимальді температура критикалық деп аталады.

Вильсон камерасымен бақылау негізінде, су буының конденсациясы абсолютті таза ауада тек өте үлкен қанығушылықта (4-тен 8-ші дәрежеге дейін) болуын көреміз. Тамшы ұрығының қандай да бір аралас заттар болмаған кезде пайда болу себебі су буының тығыз формасы болып келеді: осы тербеліс кезінде кей жағдайларда су тамшыларының ұрығына айнала алатын тұрақты молекула жиының құрай алады.

Есептеудің нәтижесінде келесі радиус мәндері r, тұрақты молекулаларының комплекстері N және ағының пайда болуы үшін қажетті қанығушылығы Er/E табылады.

Осы нәтиженің арқасында шынайы жағдайда бұлттардың және тұманның ішіндегі су тамшыларының пайда болуына кететін су буы молекулаларының жылуының мөлшері тең болу үшін 12 дәрежедегі қанығушылық болу керек.

Ылғалды ауада зарядталған молекулалар жиыны (жеңіл иондар) болмаған кезде тамшы ұрығы пайда болып жеңілденеді. Бірақ бұл жағдайда да теріс иондарда концентрация 4 дәрежедегі қанығуда және оң ионда 6 дәрежелі қанығу жүреді. Шынайы атмосферада мұндай қанығушылық ешқашан бола алмайды, өйткені атмосферада үнемі гигроскопиялық аралас бөлшектер - конденсация өзектері болады. Осыдан білетініміз 1893жылы Ұлттық Конгресте Дж. Айткеннің ауада конденсация өзектері болмағанда «тұман, бұлт, жаңбыр пайда бола алмайды» деген сөздері бар.

Картинки по запросу ядро конденсация облаков

Сурет 1 - Айткеннің ядросы

Конденсация өзектері еритін және ерімитін (бірақ суланатын) деп бөлінеді. Ерімейтіндерге топырақ және тау жыныстарының бөлшектері, түтін, органикалық заттар, микрооргонизмдер және тағы басқалар жатады. Конденсация ядроларының тағы бір түрі суда еритін бөлшектер болып келеді, оларға мысалыға, тұздар және қышқылдар жатады.

Еритін конденсация өзектері атмосфераға тас көмірдің жағуы арқылы түседі. Оның құрамына 0, 3-тен 20% күкүрт бар. Күкүрттің жану барысында күкүрт газы SO ₂ түзіледі, ол ары қарай толтырылады да күкүрт ангидридіне SO ₃ , сосын, күкүрт қышқылына H ₂ SO ₄ айналады. Ол ериді және өте гигроскопиялық болып келеді. Орташа есептегенде жылына атмосфераға 150мың. т күкүрт түседі.

Гигроскопиялық конденсация өзектері мұхиттың шашырауынан да пайда бола алады. Олардың болуы өте кішкентай теңіз тұз бөлшектерінен пайда болуына алып келеді. Мұхит тұзы 77, 8% натрий хлорынан(NaCl), 10, 9 магний хлорынан (MgCl ₂ ) және магнии күкүртті қышқылынан, калий және кальцийдан тұрады. Тек өте қатты штормдық желдерде (10 м/с және одан жоғары) мұхит бетімен 2. 7*10 ¹⁰ т мұхит тұзы жылда түседі.

Конденсация өзектері жердің желденуінен, орман мен жазықтықтың өртенуінен және вулканның атқылауынан және метеорлардың жануынан пайда болады.

1956 жылы өткен атмосфераның конденсациялық өзектерінің конференциясында олардың пайда болуы бойынша келесі түрлерге бөлінеді: а) мұхиттық өзектер - 20%; б) жанудың нәтижесіндегі өзектер - 40%; в) топырақ өзектері - 10%; г) табиғаты белгісіз өзектер - 20%. Конденсация өзектерінің саны үлкен арақашықтықта өзгеріп тұрады. Жердің беткі бөлігінде өзектерінің саны 1см ³ -та келесі мөлшеріне ие: 15 - үлкен қалаларды; 35000 - кішігірім калаларда; 9500 - ауылдық аймақтарда; 940 - мұхиттар мен таулардың үстінде (қалалардағы максималды мәні миллиондарға жетеді) . Бұлттардың төменгі бөлігінде тамшылардың концентрациясын қарасақ, активті өзектердің мөлшері 10 ² -10 ³ см ^-3 жетеді. Материктердің үстіндегі өзектердің көп бөлігі активті емес және конденсацияға қатыспайды.

Биіктік өскен сайын конденсация өзектері азаяды. Әртүрлі биіктіктердегі (И. И. Гайвековскийдің аэропорттарда өлшеуі бойынша) конденсация өзектерінің мөлшері 1 см ³ -та:

ррр.png

Конденсация өзектерінің биіктік бойынша таралуы атмосферадағы қосылыстардың таралу заңдарына бағынады. Орташалап алғанда конденсация өзектерінің мөлшері биіктік бойынша азаяды(1сурет) .

м.png

Сурет 2 - конденсация өзектерінің вертикаль бойынша таралуы

1-суретте көрсетіліп отырғандай, конденсация өзектерінің термикалық стратификациясына тәуелді екені анықталады: жазда күндізгі уақытта тұрақсыз стратификация негізінде турбулентті алмасу өте қатты дамығанда, қысқы таңғы сағатардағы инверсионды стратификация кезімен салыстырғанда конденсация өзектері салыстырмалы (n/n ₁ ) мөлшері биіктік бойынша екі пунктте де баяуырақ азаяды. Ташкентте Киевпен салыстырғанда биіктік бойынша тезірек азаяды, өйткені, бұл аймақта жер бетінен көтерілген бөлшектер үлкенірек болып келеді. Ғалымдардың бақылауы бойынша, конденсация өзектерінің санының таралуы экспоненсиалды функциядағы n(z) =n ₀ exp(-z/l) сай, бірақ 0-3 және 3-6км үшін l мәндері біршама басқа мәні алынуы керек. Мысалы, Мәскеуде 1400, 1740; Киевте 2500 және 2150 және Санкт-Петербургте 940 және 2215. Конвективті бұлтты күндеріндегі конденсация өзектерінің биіктік бойынша жазда орташа таралуы 2-ші суретте берілген.

Сурет 3 - Конвективті бұлтты күндеріндегі конденсация өзектерінің биіктік бойынша таралуы

Конденсация өзектері қозғалған кезінде бір-бірімін соқтығысады. Көбінесе бұндай соқтығысулар бірігуіне алып келеді. Бұл процессті коагуляция деп атайды. 3-ші суретте Ƭ уақыт, оның ішіндегі өзектердің концентрациясының ағысы 2 есе азаяды, n ₀ және радиустан тәуелділігі көрсетіледі.

ффф.png

Сурет 4 - Ƭ уақыттың n ₀ және радиустан тәуелділігі

Суретте көрсетілгендей, n ₀ бірдей болған кезде кішкентай бөлшектер үлкендерге қарағанда тезірек коагуляцияға ұшырайды. Біркелкі аэрозольдерде коагуляцияның әсерінен бөлшектердің санының азаюының жылдамдығы өседі.

Үлкен қалаларда жер бетіне жақын бөліктерінде конденсация өзектерінің саны қыстан жазға (минималды шілдеде) азаяды. Бұл өзгерістердің себебі, жыл бойы турбулентті алмасудың интенсивтілігінің тербелуі болып келеді. Жазда алмасу жақсырақ өтетін кезде өзектер биігірек қабатқа өтеді, осының әсерінен жер бетіне жақын қабаттарда концентрациясы азаяды да, биік қабаттарда көбейеді. Атмосферадағы ауыл шаруашылығының арқасында өзектердің шашырауы да өте үлкен маңызы бар. Жаздан қарағанда қыста атмосфераға көп тасталынады. Жер бетіне жақын сияқты конденсация өзектерінің жылдық жүрісі 500 м биіктікке дейін бақыланады. 750 м биіктіктен бастап жылдың жүрісі өзгереді: бұл жерде конденсация бөлшектері ең көп мөлшері жазда, аз мөлшері қыста, оның себебі турбулентті алмасу болып келеді.

Оңтүстік бөліктерде 1500 м биіктікке дейін конденсация өзектерінің максимум мөлшері жаздың соңы мен күзге, ал минимумы - көктем мен жаздын басына тән. Бұл жүрісінің себебі жерге жақын қабаттың жаздың соңында шаңдануынан болады.

Турбулентті алмасу тежейтін қабаттардың астында конденсация өзектерінің саны өседі. Бақылау негізінде, атмосферада конденсация өзектерінің өлшемі 10 ^-7 -ден 10 ^-3 см арасында болатыны белгілі болды. Қазіргі кезде, конденсация өзектерінің өлшемі бойынша үшке бөлінеді: 1) радиусы 5*10 ^-7 және 2*10 ^-5 см Айткен өзектері; 2) 2*10 ^-5 және 10 ^-4 см үлкен өзектер; 3) 10 ^-4 см және одан үлкен, алпауыт конденсация өзектері. Үш топ арасындағы бөлшектердің саны мен олардың массаларының бөлінуі 1-ші кестеде көрсетілген. Ол кестеде көрсетілгендей, үлкен және алпауыт конденсация өзектерінің саны Айткен өзектерінің санынан едәуір аз болғанымен, ортақ ядро массасында бірдей әсерін тигізеді.

Кесте 1

с.png

Қорытындылайтын болсақ, атмосферадағы қоспалық бөлшектерінің барлығы тұман мен бұлттардың тамшыларын жасайтын конденсация орталықтары бола бермейді. 2-ші кестеде Куроив, Ямомото және Отаке өлшеулері бойынша бұлттар мен тұманның тамшыларында табылған n конденсация өзектерінің саны көрсетілген.

Кесте 2

р.png

Су буы (бұлтты ауадағы) салыстырмалы түрде саны аз бөлшектерінің конденсацияланады. 2-ші кестеде көрсетілгендей, активті конденсация өзектері көбінесе жанудың негізінде пайда болады.

Атмосферадағы қоспалардың химиялық құрамы кезінде таңда жеткілікті түрде зерттелмеген. Материктардың үстінде қоспалар суда ерімитін және ерімейтін заттардан тұрады, соңғылардың мөлшері 70-80% болып келеді.

Аэрозольдердің түрлері қоспалардың концентрациясының абсолютті мәні метеорологиялық және жергілікті құбылыстарға байланысты үлкен тербеліске ұшырайды. Мысалыға, мұхит тұзының мұхит үстінде биіктік бойынша тез азаяды, бірақ, материктерде оның мөлшері 3-4км-ге дейін өзгеріссіз қалатыны бақыланған. Мұхит тұзының атмосферада вертикальді бағытта орташа мөлшері Гаваий, Кариб, Флорида.

Конденсация өзектерінің активтілігі гигроскопиялығы мен өлшемдері арқылы ғана емес, беткі керілуі арқылы да сипатталады. Бұл көрсеткіштен тең салмақты қысым және поралығы және т. б. тәуелді. Соңғы факторлар жасанды жолмен жасалған(өндірістік тасталымдар) бөлшектерге өте маңызды.

Атмосферадағы судың қатты фазасының түзілуі

Атмосферада су буының конденсациямен қатар су тамшыларының қатуы да жүреді. Бу-мұз шекарасындағы беткейлік энергия бу-су шекарасындағы беткейлік энергиядан үлкен екені белгілі. Сондықтан, бірінші процесс болып табиғи жағдайда барлық температурада су буы конденсацияланып, су тамшысының пайда болу процессі жүреді. Су тамшысының температурасы теріс мәнге ие болғанда қатып мұз бөлшектеріне айнала алады. Қазіргі таңғы көзқарас бойынша, мұз фазасы пайда болу үшін су тамшысының ішінде жаңа фазаның ұрығы - мұз пайда болу керек. Бұл фазасының өтуі гомогенді деп аталады. Жаңа фаза ұрығы басқа да ядрода пайда бола алады, ол конденсация ядросына ұқсас және оны кристализация ядросы деп атайды. Бұл жағдайды гетерогенді фазаға өту деп атайды.

Гомогенді фазалық өтуді қарастыратың сұйық ішіндегі молекулалардың кездейсоқ флуктуациясының арқасында оның ішінде тығыздығы мен құрылысы мұзға ұқсас жиыны пайда бола алады. Бұл сияқты жиының пайда болуы температура төмендеген сайын көбейе түседі. Пайда болған мұз фазасының ұрығы тек кейбір жағдайларда ғана, яғни белгілі-бір өлшемге жеткенде ғана тұрақты болады. Ұрықтың пайда болуы үшін кеткен энергия оның сыртқы беткейіне пропорционал болып келеді. Сондай-ақ, мұз фазасы пайда болған жағдайда мұзданудың жасырын жылу энергиясы бөлінеді. Ұрық өте кішкентай болғанда жасырын жылу көп болады да, беткейдің пайда болу энергиясынан кіші болғанда ұрық қайтадан жойылады. Бұл жағдайды болдырмау үшін сыртқы жұмыс орындалу керек. Басында ұрықтың пайда болуының жұмысы оның өлшемі өскен сайын өтеді. Белгілі-бір критикалық өлшемге r _кр жеткенде жұмыс максималдыға жетеді. Егер өлшемнің критикалық мәні үлкен болса, онда ары қарай жұмыс мөлшерін керекті жағдайға дейін кішірейтеді.

Картинки по запросу Образование твердой фазы в атмосфере

Сурет 5 - Ауыр фазаны алу үшін арналған құбыр

5-суретте көрсетілгендей, ауыр фазаны алу үшін құбыр сұйықтықтың толығымен ағып кетуіне жол бермей, атмосферамен байланыс орнатады.

Термодинамиканың негізінде ұрықтың критикалық өлшемін және оған кеткен максималды жұмысты табайық. Мұзды ұрық радиусы r болып келетін сфера деп санайық. Ф _с және Ф _м - су және мұздың термодинамикалық өздік потенциалдары деп есептейік. Ұрықтың пайда болу жұмысы А термодинамикалық потенциалдың өзгеруі $C:\Users\молдир\Desktop\а.png$ және ұрықтың беткейлік энергиясына тәуелді болып келеді. σ _л - мұз су шекарасындағы беттік керілу коэфиценті; ρ _в мұздың тығыздығы. Ұрықтың жалпы пайда болу жұмысы: