鼓励地理一轮复习超前培优课件大气水的蒸发和凝结—论证、探讨大学地理知识.pptx

一、水相变化的判据 单位时间内跑出水面的水分子数与温度成正比，单位时间内落回水中的水分子数与空气中水汽含量有关，两者是水和水汽两相变化和平衡的判据，即出水分子回水分子（未饱和）出水分子=回水分子（饱和）出水分子水汽压（未饱和）饱和水汽压=水汽压（饱和）饱和水汽压水汽压（过饱和） 某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压也可得到冰和水汽两相变化和平衡的公式。说明水相变化是可以由实测的水汽压值与同温度下饱和水汽压值比较判定。 （一）水的位相平衡。水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条下。 水只存在于0以上的区域，冰只存在于0以下的区域，水汽虽然可存在于0以上及以下的区域，但其压强却被限制在一定值域下。 图中OA线和OB线分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线。显然这两条曲线上各点的压强就是在相应温度下水汽的饱和水汽压，因为只有水汽达到饱和时，两相才能共存。 所以OA线又称蒸发线，表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱和水汽压与温度的关系。 线上K点所对应的温度和水汽压是水汽的临界温度和临界压力，高于临界温度时就只能有气态存在，因此蒸发线在K点中断。 OB称升华线，它表示冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关系。 0线是融解线，表示冰与水达到平衡时压力与温度的关系。O点为三相共存点。此时温度为0.0076，水汽压为6.11hPa。 上述三线划分了冰、水、水汽的三个区域，在各个区域内不存在两相间的稳定平衡。例如图中点1位于OA线之下，水汽压饱和水气压，此时水要蒸发。 高温时，饱和水汽压大，空气中所能容纳的水汽含量增多，因而能使原来已处于饱和状态的蒸发面会因温度升高而变得不饱和，蒸发重新出现；如果降低饱和空气的温度，由于饱和水汽压减小，就会有多余的水汽凝结出来。 饱和水汽压随温度改变的量，在高温时要比低温时大。例如温度由30降低到25，饱和水汽压减少10.76hPa,而温度从15降到10，饱和水汽压只减少4.77hPa。所以降低同样的温度，在高温饱和空气中形成的云要浓一些，这也说明了为什么暴雨总是发生在暖季。(二)饱和水汽压与蒸发面的关系 水分子欲脱出蒸发面，需克服周围分子的引力。即使在同一温度下，不同蒸发面上的饱和水汽压也不相同。1.冰面和过冷却水面的饱和水汽压 通常，水温在0时开始结冰，但是试验和对云雾的观测发现，有时水在0以下，甚至在一20一一30以下仍不结冰，处于这种状态的水称过冷却水。而过冷却水与同温度下的冰面比较，饱和水汽压并不一样。 对于冰面和过冷却水面，饱和水汽压仍然是按指数规律变化，这就是图31中OB、OB线所表示的情况。 但冰是固体，冰分子脱出冰面的束缚比水分子脱出水面更困难。当冰面上水汽密度较小时，其落回的分子就足以与脱出的分子平衡，达到饱和。与同温度下的过冷却水相比，冰面的饱和水汽压小。 只有温度刚好为0时，冰和水处于过渡状态，其饱和水汽压才相等。 在图32中，E代表同温度下冰面饱和水汽压和过冷却水面饱和水汽压之差。其变化趋势如图中实线所示：自0开始，随着温度降低，差值迅速增大，至一12时达最大值（E=0.269hPa)。温度继续降低时，差值减小。 f表示冰面饱和水汽压占过冷却水面饱和水汽压的相对百分数。它随温度的变化如图中虚线所示。f线随温度降低近似于线性递减温度愈低，冰面饱和水汽压占水面饱和水汽压的比重愈小。 在这种情况下，当水面饱和时，冰面已是过饱和了。或者当冰面上饱和时，水面相对湿度小于100%。所以在冰成云和冰成雾中，常常观测到相对湿度小于100%的事实。 在云中，冰晶和过冷却水共存的情况是很普遍的。如果当时的实际水汽压介于两者饱和水汽压之间，就会产生冰水之间的水汽转移现象。 水滴会因不断蒸发而缩小，冰晶会因不断凝华而增大。这就是“冰晶效应”，该效应对降水的形成具有重要意义。2.溶液面的饱和水汽压 不少物质都可融解于水中，所以天然水通常是含有溶质的溶液。 溶液中溶质的存在使溶液内分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力，使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难。 因此，同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小，且溶液浓度愈高，饱和水汽压愈小。 这种作用对在可溶性凝结核上形成云或雾的最初胚滴相当重要，且以溶液滴刚形成时显著，随着溶液滴的增大，浓度减小，溶液的影响就不明显了。 此外，水滴上的电荷对水滴表面上的饱和水汽压也有一定的影响，是使饱和水汽压减小的一个因素。(三)饱和水汽压与蒸发面形状的关系 不同形状的蒸发面上，水分子受周围分子的吸引力不同。如图33所示，三个圆圈分别表示凸水面、平水面和凹水面对A、B、C三点的引力作用范围。 由图可知，A分子受到的引力最小，最易脱出水面；C分子受到的引力最大，最难脱出水面；B分子介于二者之间。 因此，温度相同时，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小。 凸面的曲率愈大，饱和水汽压愈大；凹面的曲率愈大，饱和水汽压愈小。 云雾中的水滴有大有小，大水滴曲率小，小水滴曲率大。如实际水汽压介于大小水滴的饱和水汽压之间，会产生水汽的蒸发。 小水滴因蒸发而渐小，大水滴因凝结而增大，即凝结增长。这在云雾刚形成的时候作用明显。四、空气湿度的时间变化规律 水汽压是大气中水汽绝对含量的表示方法之一，其日变化有两种。 一是双峰型：在大陆上湍流混合较强的夏季。水汽压在一日内有两最高值和两最低值。 最低值出现在清晨温度最低时和午后湍流最强时，最高值出现在9一10时和21一22时（图35中实线）。 峰值原因蒸发增加的水汽多于湍流扩散减少的水汽。 二是单波型，海洋、沿海和陆地湍流不强的秋冬季多见。水汽压与温度日变化一致，最高值在午后温度最高、蒸发最强之时，最低值在温度最低、蒸发最弱的清晨（图35中虚线所示)。 水汽压的年变化与温度的年变化相似，有一最高值和一最低值。 最高值出现在温度高、蒸发强的7一8月份， 最低值出现在温度低、蒸发弱的1一2月份。 相对湿度的日变化主要决定于气温。气温增高，蒸发加快，水汽压增大，但饱和水汽压增大得更多，反使相对湿度减小。 温度降低，相对湿度增大。相对湿度的日变化与温度日变化相反，其最高值出现在清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时。 相对湿度的年变化一般以冬季最大，夏季最小。某些季风盛行地区，由于夏季盛行风来自于海洋，冬季盛行风来自内陆，相对湿度反而夏季大，冬季小。 湿度这种有规律的年、日变化的特征有时会因天气变化等因素而遭破坏，其中起主要作用的是湿度平流。 由于各地空气中水汽含量不一样，当空气从湿区流到干区时（称为湿平流），引起所经地区湿度的增加。 当空气从干区流到湿区时（称为干平流），引起所经之处的湿度减小。五、大气中水汽凝结的条件 一、有凝结核存在。二、大气中水汽要达到饱和或过饱和。(一)凝结核 大气中水汽压只要达到或超过饱和，水汽就会凝结，但实验室里却发现纯净空气中，水汽过饱和到相对湿度的400%也不会凝结。这是因为作不规则运动的水汽分子间引力很小，通过相互碰撞不易结合为液态或固态水。只有巨大过饱和时，纯净的空气才能凝结。然而巨大过饱和在自然界不存在。 大气中存在大量吸湿性微粒，它们比水汽分子大得多，对水分子吸引力也大，有利于水汽分子在其表面集聚，成为水汽凝结核心。这种促使水汽凝结的微粒叫凝结核。其半径越大，吸湿性越好，周围水汽越易凝结。(二)空气中水汽的饱和或过饱和 大气中凝结核总是存在的。能否凝结取决于空气是否达到过饱和。使空气达到过饱和的途径有两种：一是蒸发，增加空气中水汽，使水汽压大于饱和水汽压。二是冷却，降低饱和水汽压，使其少于实际水汽压。也可是二者共同作用。 促使水汽达到过饱和状态的过程有：1.暖水面蒸发 水面蒸发可增大空气湿度，但不能使空气中的水汽凝结。因为靠近水面的空气接近饱和时，蒸发即停止。而当冷空气流经暖水面时，水面温度比气温高，暖水面上的饱和水汽压比空气的饱和水汽压大得多，继续蒸发可使空气达到过饱和并凝结。秋冬季的早晨，水面上腾起的蒸发雾就是这样形成。2.空气的冷却 减小饱和水汽压主要靠空气冷却。大气的冷却方式主要有如下三种：(1)绝热冷却：空气上升过程中，体积膨胀对外做功，导致本身冷却。随高度升高，温度降低，饱和水汽压减小，至一定高度就会出现过饱和状态。这一方式对云的形成有重要作用。(2)辐射冷却：晴朗无风的夜间，地面辐射冷却导致近地面空气降温，降低到露点以下时，水汽压会超过饱和水汽压产生凝结。辐射雾就是水汽以这种方式凝结形成。(3)平流冷却：暖湿空气流经冷的下垫面，将热量传递给冷地表，造成空气本身温度降低。如果暖空气与冷地面温度相差较大，暖空气降温较多，也可能产生凝结。(4)混合冷却：温差较大且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝结。 饱和水汽压随温度的改变呈指数曲线形式（如图37中的曲线)。混合后气团的平均水汽压可能比混合前气团平均温度下的饱和水汽压大。 图中A和B分别代表两个未饱和气团的温度、水汽压和饱和水汽压。 混合后，空气的温度即为原来两团空气的平均温度（即横坐标上温度中点）。由于混合是水平方向进行的。混合后饱和水汽压为两者的平均值（即纵坐标中点)。 从图上可以看出两团空气混合后，水汽压大于饱和水汽压，可以凝结。 我国新疆有不同气团混合产生的雾。但若两气团原来湿度都较小，混合后也难以凝结。冷却是凝结最重要的条件。近地面的雾的形成以辐射冷却、平流冷却为主；空中的云则以绝热冷却为主生成。