Адиабатическое расширение газа

Классификация облаков

Согласно международной классификации облака по внешнему виду делятся на 10 основных форм, а по высотам – на 4 класса.

Рис. 1

1. Облака верхнего яруса – располагаются на высоте от 6 км и выше, представляют собой тонкие белые облака, состоят из ледяных кристаллов, имеют маленькую водность, поэтому осадков не дают. Мощность мала – 200 – 600 м. К ним относятся:

- перистые облака, имеющие вид белых нитей, крючков. Являются предвестниками ухудшения погоды, приближения теплого фронта (рис.2г);

- перисто-кучевые облака – мелкие барашки, мелкие белые хлопья, рябь;

- перисто-слоистые имеют вид голубоватой однородной пелены, которая покрывает все небо, виден расплывчатый диск солнца, а ночью - вокруг луны возникает круг гало.

2. Облака среднего яруса – располагаются на высоте от 2 до 6 км, состоят из переохлажденных капель воды в смеси со снежинками и ледяными кристаллами. К ним относятся:

- высоко-кучевые, имеющие вид хлопьев, пластин, волн, гряд, разделенных просветами. Вертикальная протяженность 200 - 700 м., осадки не выпадают (рис.2 в);

- высоко-слоистые представляют собой сплошную серую пелену, тонкие высоко-слоистые имеют мощность – 300 - 600 м, а плотные – 1 - 2 км. Зимой из них выпадают обложные осадки.

3. Облака нижнего ярусарасполагаются от 50 до 2000 м, имеют плотную структуру. К ним относятся:

- слоисто-дождевые, имеющие темно-серый цвет, большую водность, дают обильные обложные осадки. Под ними в осадках образуются низкие разорванно-дождевые облака. Высота нижней границы слоисто-дождевых облаков зависит от близости линии фронта и составляет от 200 до 1000 м, вертикальная протяженность 2 - 3 км, сливаясь часто с высоко-слоистыми и перисто-слоистыми облаками;

- слоисто-кучевые состоят из крупных гряд, волн, пластин, разделенных просветами. Нижняя граница 200 - 600 м, а толщина облаков 200 - 800 м, иногда 1 - 2 км. Это облака внутримассовые, в верхней части слоисто-кучевых облаков наибольшая водность. Осадки из этих облаков, как правило, не выпадают (рис 2 б);

- слоистые облака представляют собой сплошной однородный покров, низко нависший над землей с неровными размытыми краями. Высота бывает 100-150 м и ниже 100 м, а верхняя граница – 300-800 м. Могут опускаться до земли и переходить в туман (рис 2 а);

- разорванно-слоистые облака имеют нижнюю границу 100 м и ниже 100 м, образуются в результате рассеивания тумана. Осадки из них не выпадают.

4. Облака вертикального развития. Нижняя граница их лежит в нижнем ярусе, верхняя достигает тропопаузы. К ним относятся:

- кучевые облака – плотные облачные массы, развитые по вертикали с белыми куполообразными вершинами и с плоским основанием. Нижняя граница их порядка 400 - 600 м и выше, верхняя граница 2 - 3 км, осадков не дают (рис 2,д);

- мощно-кучевые облака представляют собой белые куполообразные вершины с вертикальным развитием до 4 - 6 км, осадков не дают;

- кучево-дождевые (грозовые) являются самыми опасными облаками, представляют собой мощные массы клубящихся облаков с вертикальным развитием до 9 - 12 км. С ними связаны грозы, ливни, град (рис 2 е, ж).

Рис. 2

Облака переносятся ветрами на огромные расстояния, в результате чего осуществляется постоянный влагообмен между различными областями нашей планеты. Крайне упрощенная схема влагообмена такова: вода из моря попадает в облака, образующиеся над поверхностью моря, затем ветры переносят эти облака на материк, где они изливаются дождями, наконец, через реки вода возвращается обратно в море.

Облачный покров нашей планеты достаточно велик. Облака покрывают в среднем около половины всего небосвода. В них содержится во взвешенном состоянии 10¹² кг воды (льда).

В зависимости от причин возникновения различают следующие виды облачных форм:

1. Кучевообразные. Причина их возникновения - термическая, динамическая конвекция и вынужденные вертикальные движения. К ним относятся:
а) кучевые
б) кучево-дождевые
в) мощно-кучевые
г) высоко-кучевые
д) перисто-кучевые

2. Слоистообразные возникают в результате восходящих скольжений теплого влажного воздуха по наклонной поверхности холодного вдоль пологих фронтальных разделов. К этому виду относятся облака:
а) слоисто-дождевые
б) высоко-слоистые
в) перисто-слоистые
г) перистые

3. Волнистые возникают при волновых колебаниях на слоях инверсии и в слоях с небольшим вертикальным градиентом температуры. К ним относятся:
а) слоисто-кучевые
б) высоко-кучевые, волнистые
в) слоистые
г) разорванно-слоистые.

Существует еще одна важная характеристика – облачность, т.е. количество облаков – число условных частей неба, закрытых облаками. Раньше такое число выражалось в баллах (от 0 до 10), сейчас принято выражать в октантах (от 0 до 8).

На рисунке 1 перечисленные типы облаков схематически изображены все вместе, что позволяет представить себе в целом структуру облачного покрова. Все эти облака образуются в пределах нижнего слоя атмосферы, называемого тропосферой. В более высоких слоях атмосферы облаков почти нет; лишь на высотах около 30 км можно обнаружить перламутровые облака да на высотах около 80 км — серебристые облака. Перламутровые облака очень тонкие, они просвечивают; в сумерки вблизи солнца они окрашиваются в красный, золотистый и зеленоватый цвета. Серебристые облака также очень тонкие. Они светятся серебристым цветом ночью, вскоре после захода солнца или незадолго до восхода. Это рассеянный облаками солнечный свет.

Строение земной атмосферы.

Рис.3

В известном смысле земную атмосферу можно уподобить слоеному пирогу, она состоит из ряда слоев или, точнее говоря, ряда вложенных одна в другую сфер. Разделение на слои (сферы) проводят, учитывая характер изменения температуры атмосферного воздуха с высотой. На рисунке 3 выделены четыре слоя атмосферы тропосфера, стратосфера, мезосфера, гермосфера — и изображена кривая, отражающая изменение температуры воздуха с высотой.

По мере подъема от поверхности земли температура воздуха сначала убывает. Это известно всем — ведь вершины высоких гор круглый год покрыты снегом и льдами. Тот, кто летал на авиалайнерах, неоднократно слышал сообщения бортпроводниц о том, что температура воздуха за бортом самолета 60-70 градусов мороза. Напомним, что современные авиалайнеры летают на высотах 8-10 км.

Оказывается, уменьшение температуры воздуха с высотой происходит лишь до определенных высот до 17 км над тропиками и 10 км над полярными областями. Эти числа как раз и определяют высоту верхней границы тропосферы (она зависит от географической широты). Температура воздуха на границе тропосферы составляет над тропиками около —75°С, а над полюсами около —60°С.

К тропосфере примыкает стратосфера. В стратосфере температура воздуха при подъеме сначала остается постоянной (до высот 25-30 км), а затем начинает возрастать — вплоть до высоты 55 км, отвечающей верхней границе стратосферы; при этом температура достигает значений, близких к 0°С. В следующем атмосферном слое— мезосфере температура снова начинает уменьшаться по мере подъема; она падает до —100°С и даже до —150°С на уровне верхней границы мезосферы, имеющей высоту около 80 км. Еще выше начинается термосфера; здесь температура по мере подъема возрастает.

Итак, в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается, в стратосфере температура сначала не меняется, а затем растет, в мезосфере она снова уменьшается и, наконец, в термосфере снова начинает расти. Заметим, что слово «тропосфера» происходит от греческого «тропос», означающего «поворот»; над тропосферой совершается первый поворот температуры. Атмосфера действительно напоминает слоеный пирог: слои, где температура понижается, чередуются со слоями, где она повышается.

Происхождение такого «слоеного пирога» нетрудно объяснить. Ведь снизу атмосфера подогревается земной поверхностью, а сверху солнечным излучением; поэтому ее температура должна возрастать при приближении как к поверхности земли, так и к верхней границе атмосферы. В результате температурная кривая должна, казалось бы, иметь вид, показанный на рисунке 3 пунктиром. В действительности же температура изменяется с высотой не по пунктирной, а по непрерывной линии и обнаруживает некоторое увеличение в области стратосферы. Это повышение температуры вызвано поглощением ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения в слое озона (О₃), который занимает интервал высот примерно от 20 до 60 км.

Для образования облаков надо, чтобы воздух был влажным (или, во всяком случае, не слишком сухим) и чтобы происходило достаточно сильное понижение температуры воздуха. Наиболее влажен воздух вблизи земной поверхности, в тропосфере. К тому же в тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается. Поэтому неудивительно, что почти весь облачный покров Земли сосредоточен в пределах тропосферы. Серебристые облака образуются значительно выше тропосферы — вблизи верхней границы мезосферы. Существенно, что на этих высотах температурная кривая проходит через очередной и притом относительно сильный минимум. Отметим, что на высотах вблизи максимума температурной кривой (на границе стратосферы и мезосферы) облака никогда не наблюдаются.

Адиабатическое расширение газа

Одним из главных процессов, приводящих к образованию облака, является процесс адиабатического расширения воздуха при его подъеме над поверхностью земли.

Предположим, что некоторая масса газа (в частности, воздуха) расширяется. При этом газ совершает работу А против сил внешнего давления. Пусть Q — теплота, которую газ получает извне в процессе расширения. Совершенная газом работа А и полученная им теплота Q определяют изменение внутренней энергии газа ∆U:

∆U = Q - A. (1)

Это есть первое начало термодинамики; оно представляет собой не что иное, как закон сохранения энергии для рассматриваемой массы газа.

(2)

Изменение внутренней энергии газа связано с изменением его температуры. Пусть Т₁ и Т₂ — соответственно начальная и конечная температуры газа. Будем полагать, что газ состоит из двухатомных молекул и что его молярная масса есть М (для воздуха можно принять М =0.029 кг/моль). Для такого газа

где m — масса газа, кг; R — универсальная газовая постоянная, R=8,3· Дж/(моль·К); М – молярная масса, кг/моль.

Если Q > A, то ∆U > 0. В этом случае Т₂ > Т₁, следовательно, газ при расширении нагревается. Если Q = A, то ∆U = 0. В этом случае Т₂ = Т₁ — температура расширяющегося газа остается неизменной (изотермическое расширение).

Для нас интересен случай, когда можно принять Q = 0, т.е. когда можно пренебречь теплообменом между газом и окружающей его средой. В данном случае соотношение (1) принимает вид

∆U = - А. (3)

Видно, что теперь ∆U < 0 и, следовательно, Т₂ < T₁ —газ при расширении охлаждается.

(4)

Рассматриваемый процесс называют адиабатическим расширением газа. При таком расширении газ не получает теплоты извне и поэтому совершает работу только за счет собственной внутренней энергии (в результате чего и охлаждается). Подставляя (2) в (3), получаем формулу, связывающую уменьшение температуры адиабатически расширяющегося двухатомного газа и работу, совершенную газом:

Приведем без вывода формулу для работы адиабатически расширяющегося двухатомного газа:

Здесь p₁ и Т₁ — начальное давление и начальная температура газа, а p₂ — его конечное давление.

Используя две последние формулы найдем, что при адиабатическом расширении воздух при подъеме на 1 км охлаждается на 6 градусов. Адиабатический температурный градиент воздуха

γ_а = 0.6 ^оС/100 м.

Образование облаков.

Процесс образования облака начинается с того, что некоторая масса достаточно влажного воздуха поднимается вверх. По мере подъема будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и при достаточно большом его объеме (а в образовании облака принимает участие действительно большой объем воздуха) теплообмен между рассматриваемым воздухом и окружающей средой за время подъема попросту не успевает произойти.

Как мы уже знаем, при адиабатном расширении газа его температура понижается. Значит, поднимающийся вверх влажный воздух будет охлаждаться. Когда температура охлаждающегося воздуха понизится до точки росы, станет возможным процесс конденсации пара, содержащегося в воздухе. При наличии в атмосфере достаточного количества ядер конденсации (пылинок, ионов) этот процесс действительно начинается. Если ядер конденсации в атмосфере мало, конденсация начинается не при температуре, равной точке росы, а при более низких температурах.

Итак, достигнув некоторой высоты Н, поднимающийся влажный воздух охладится (в результате адиабатного расширения) настолько, что начнется конденсация водяных паров. Высота Н есть нижняя граница формирующегося облака (рис. 4а). Продолжающий поступать снизу воздух проходит сквозь эту границу, и процесс конденсации паров будет происходить уже выше указанной границы — облако начнет развиваться в высоту (рис. 4б). Вертикальное развитие облака прекратится тогда, когда воздух перестанет подниматься; при этом сформируется верхняя граница облака (рис. 4в).

Рис.4.

Теперь рассмотрим, что же заставляет воздух подниматься вверх.

Во-первых, подъем воздушных масс может происходить вследствие конвекции — когда в жаркий день солнечные лучи сильно прогреют земную поверхность, и она передаст теплоту приземным слоям воздуха (рис.5,а). В этом случае говорят об облаках конвекционного происхождения. Кучевые облака имеют чаще всего именно такое происхождение.

Во-вторых, дующий по горизонтальному направлению, вдоль поверхности земли ветер может встретить на своем пути горы или иные природные возвышения. Обтекая их, ветер переместит вверх воздушные массы (рис.5,б). Это тоже внутримассовые облака. Такое происхождение могут иметь слоистые и слоисто-дождевые облака.

Рис.5.

Рис.6

В-третьих, облака образуются на теплых и холодных фронтах. Если массы теплого воздуха, перемещаясь в горизонтальном направлении, теснят холодный воздух, возникает так называемый теплый фронт. Если же наступает холодный воздух, то говорят о холодном фронте. Теплый фронт изображен схематически на рисунке 6,а, где красными стрелками показаны перемещения теплого воздуха, а черными — холодного. Вблизи границы между теплой и холодной воздушными массами возникают восходящие потоки воздуха (как теплого, так и холодного). В результате могут образоваться облака горизонтального развития всех ярусов — слоисто-дождевые, высококучевые, перистые. На рисунке 6б показан холодный фронт. Здесь образуются восходящие потоки только теплого воздуха. При этом формируются, как и на теплом фронте, облака всех ярусов. Итак, на теплом фронте наступающий теплый воздух как бы «наваливается» на стелющийся понизу холодный воздух и по нему поднимается вверх. На холодном же фронте наступающий холодный воздух проникает под теплый воздух и как бы приподнимает его.

В-четвертых, вертикальные перемещения воздушных масс могут быть связаны с циклонической деятельностью, которая, в свою очередь, связана с взаимодействием теплых и холодных фронтов.

Циклоны и антициклоны представляют собой мощные атмосферные вихри диаметром до нескольких тысяч километров и высотой 10...20 км.

Циклоны. Вблизи поверхности земли ветры направляются от периферии к центру циклона, поскольку в центре циклона давление воздуха меньше, чем на его периферии. В Северном полушарии ветры «закручиваются» к центру циклона против часовой стрелки, а в Южном — по часовой стрелке. На рисунке 7а красным изображены изобары циклона у поверхности земли; синими стрелками показано направление ветров (для Северного полушария). Стекающиеся к центру циклона воздушные массы устремляются затем вертикально вверх (рис.76). Это приводит к образованию мощных слоистых и слоисто-дождевых облаков, выпадают осадки. В верхней тропосфере возникают горизонтальные ветры, направленные по спирали от центра циклона; они выносят к его периферии воздушные массы, захваченные циклоном. Зарождение или приход уже сформировавшегося циклона всегда приводит к значительному ухудшению погоды, сопровождается длительными дождями.

Рис.7.

Приближение центральной области циклона мы чувствуем по понижению атмосферного давления. Мы говорим: «Давление упало — пойдут дожди, будет пасмурно».

Антициклоны. Для антициклонов характерна обратная картина процессов. В центре антициклона давление выше, чем на периферии. В верхней тропосфере ветры «закручиваются» к центру антициклона, а вблизи земной поверхности — от центра; в центре возникают мощные нисходящие потоки воздуха. Опускающийся вниз воздух нагревается, относительная влажность уменьшается, облачность исчезает — устанавливается ясная погода. Недаром повышение атмосферного давления мы справедливо связываем с улучшением погоды.

Физическая природа кучевого облака.

Остановимся немного подробнее на физике процессов, приводящих к образованию обычного кучевого облака конвекционного происхождения. Такое облако имеет значительные вертикальные размеры, указывающие на то, что конвекционные потоки могут подниматься на большую высоту — значительно выше нижней границы облака. Для объяснения обратимся к рисунку 8. На нем приведены (качественно) три зависимости температуры воздуха от высоты. Зависимость 1 относится к воздуху, не участвующему в образовании облака. Этот воздух окружает облако с боков; будем считать, что в нем нет вертикальных потоков. Падение температуры с высотой отражает в данном случае естественный ход температурной кривой в пределах тропосферы. Зависимость 2 относится к поднимающемуся (и, следовательно, адиабатически расширяющемуся) сухому воздуху. При адиабатическом расширении воздух охлаждается, поэтому температурная кривая 2 опускается более круто, чем кривая 1. Следует, однако, иметь в виду, что в действительности вверх поднимается не сухой, а влажный воздух; в результате охлаждения воздуха содержащийся в нем пар будет конденсироваться (начиная с некоторой высоты Н, фиксирующей нижнюю границу облака). При конденсации пара выделяется скрытая теплота парообразования. Количество выделившейся теплоты оказывается довольно заметным. Это приводит к тому, что температура поднимающегося влажного воздуха будет понижаться с высотой медленнее, чем даже температура неподвижного воздуха (температурная кривая 3). Данное обстоятельство является весьма важным. В самом деле, с учетом конденсации пара температура поднимающегося воздуха понижается, оставаясь в то же время выше температуры окружающего неподвижного воздуха. Тот факт, что охлаждающийся воздух остается более нагретым, чем окружающая его среда, обеспечивает способность продолжать подъем все выше и выше. В результате и происходит существенное развитие облака в вертикальном направлении.

Конечно, такое развитие не может быть неограниченным. По мере того как конденсируются водяные пары, воздух становится все менее влажным; он все более подсушивается. Поэтому температурная зависимость 3 уже не реализуется; происходит переход к зависимости 2, отвечающей сухому воздуху (этот переход условно показан на рисунке 8 штриховой стрелкой). Вследствие такого перехода температура поднимающегося воздуха на какой-то высоте сравняется с температурой окружающего воздуха и даже окажется немного ниже ее. В результате вертикальное развитие облака прекратится; холодные массы воздуха, отдавшего свою влагу в облако, начнут растекаться в стороны и опускаться вниз вокруг кучевого облака, формируя характерные для таких облаков барашки.