第一节 蒸发和凝结

第三章大气中的水分蒸发和凝结地面和大气中的凝结现象降水第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第三章大气中的水分第一节蒸发和凝结一、水相变化二、饱和水汽压三、影响蒸发的因素四、湿度随时间的变化五、大气中水汽的凝结的条件第八章第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章一、水相变化（一）水的三种基本形态（二）位相平衡与转变（三）水相变化的判据（四）水的位相平衡图（五）水相变化中的潜能（略）第三章大气中的水分（一）水的三种基本形态1、相：在自然界中常有一种或数种处于不同物态的同种物质所组成的系统，在该系统种中每一个均匀部分称为相。2、临界温度：物质由气态转为液态或固态，只有在温度低于某一温度的条件下才能发生。若气体温度高于这一温度时，即使增加很大的压力，也不能由气态转化为液态或固态。那么大气中那些临界温度比大气温度低的气体是不能进行相态转变的。3、水的临界温度：374oC。根据观测，水汽是大气中唯一一种同时以三种相态存在的气体。第三章大气中的水分（二）水的位相平衡与转换1、物理过程：水的三种形态也常称为水的三种位相。从分子运动论的角度看，水的位相变化是水的各相之间的分子交换的过程。在水层表面，运动较快而具有较大动能的水分子，就可能克服周围水分子的吸引，冲出水面成为水汽分子。同时接近水面的水汽分子，可能受到水面分子的吸引或相互碰撞，运动方向不断改变，其中有些向水面飞来，重新落回水中。第三章大气中的水分第三章大气中的水分影响因素：水——水汽：单位时间内跑出水面的水分子数与温度成正比。水汽——水：单位时间内落回水面的水汽分子数与系统中水汽浓度有关。2、动态平衡过程：起初，系统中的水汽浓度不大，单位时间内跑出水面的水分子比落回水面的多，总体来看系统中的水变成了水汽，这就是蒸发过程。蒸发使水汽浓度增大，水汽压也增大，落回的水汽分子逐渐增多，这样持续下去，到一定时间，达到两相平衡。水汽分子的继续增加，出现饱和，具备一定条件，会形成降水。（三）水相变化的判据1、分子判定：假设N为单位时间内跑出水面的水分子数，n为单位时间落回水面的水汽分子数。n<N,蒸发n=N,动态平衡n>N,凝结未饱和饱和过饱和第三章大气中的水分2、水汽压判定：e<E,蒸发e=E,动态平衡e>E,凝结未饱和饱和过饱和实际工作中，N与n无法直接测算，因而分子判定法无法直接使用。在一定温度下，由状态方程e=ρwRwT可以看出，e与ρw成正比，而又与n成正比，故e与n成正比，因而一定的e值对应一定的n。在一定温度下达到动态平衡，水汽压为E，而对应落回水面的分子数为ns,因为此时ns=N，所以可以用E代替N。故：第三章大气中的水分（四）水的位相平衡图水的三种相态分别存在于不同的温度和压强下:水只存在于0OC以上的区域。（不包括过冷水）冰只存在于0OC以下的区域。水汽存在于0OC以上或以下的区域。（压强受限制）水的位相平衡图OA线为蒸发曲线。OB线为升华曲线。OC线为融解曲线。水冰水汽图中O点为三相共存点，t0=0.0076OC，E0=6.11hpa第三章大气中的水分图中e1<E蒸发过程，e3=E动态平衡过程，e2>E凝结过程水三相变化过程中的潜热转换凝固融化凝结蒸发升华凝华吸热放热放热吸热吸热放热第三章大气中的水分二、饱和水汽压（一）饱和水汽压与温度的关系（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系（三）饱和水汽压与蒸发面形状的关系第三章大气中的水分（一）饱和水汽压与温度的关系1、从分子运动论来看：水温升高，水分子的平均动能变大，单位时间内跑出水面的水分子将增多，故只有当水面的水汽分子的密度增大时，才能使落回水面的水汽分子数与跑出的水分子数相等。同时，水汽分子的动能也在增加。故饱和水汽压随温度升高而增大。第三章大气中的水分2、从经验公式来看：以饱和水汽压（E）为纵坐标，以温度（OC）为横坐标，可得，由图可得，温度升高时饱和水汽压增大。对于饱和空气，降低同样的温度，高温饱和气体凝结的水汽比低温气体多。故降低同样的温度，在高温饱和气体中形成的云和雾要浓一些。第三章大气中的水分温度由30℃降到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思考：为什么暴雨总是发生在夏季？第三章大气中的水分（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系1、随蒸发面的性质而变化1）过冷却水面和冰面的饱和水汽压过冷却水：通常水在0OC以下就会结冰，但也有特殊情况，有时降到0OC以下也不结冰，处于这种情况的水，称为过冷却水。（曲线OB|）冰面的饱和水汽压：冰分子运动不像水分子那样自由，冰分子从冰表面跑出来困难一些。因此冰（曲线OB）与同温度的过冷却水（曲线OB|）相比，冰的饱和水汽压要小一些。当时0OC

，它们的饱和水汽压相等。第三章大气中的水分2）冰晶效应：在云中经常发现冰晶和过冷却水滴共同相存的情况。当实际水汽压介于两者饱和水汽压之间，就会产生水和冰之间的水汽转移现象。结果过冷水不断减少，冰晶不断增大。P如右图，E冰<EP<E过冷水对于过冷水来说，处于蒸发过程而对于冰面来说属于凝华过程，这样过冷水不断蒸发而减少，冰晶不断由水汽凝华而增大。第三章大气中的水分2、溶液面的饱和水汽压1）溶液使液面的饱和水汽压减小在自然界中不少物质都溶于水，形成溶液。溶质物质对水分子的吸引力大于水分子之间吸引力，因而溶液面的饱和水汽压比纯水面要小。溶液浓度愈大，饱和水汽压愈小，水汽愈容易凝结。这种作用对可溶性凝结核上形成云雾的最初胚滴有相当作用。在水滴增大的同时浓度在减小，饱和水汽压在增大，溶液的影响愈不明显。2）水滴上的电荷也使水滴饱的饱和水汽压减小。第三章大气中的水分（三）饱和水汽压与蒸发面形状的关系图中A位于凸面上，受到的吸引力最小。图中C位于凹面上，受到的吸引力最大。图中B位于平面上，受到的吸引力居中。蒸发面的饱和水汽压最大。蒸发面的饱和水汽压最小。蒸发面的饱和水汽压居中。分析：结论：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。第三章大气中的水分应用——凝结增长效应在云雾中水滴大小不一，往往出现大水滴不断增大，小水滴逐渐减小的现象。我们将云雾中的水滴液面看成是凸面。那么，大水滴曲率小，饱和水汽压小；小水滴曲率大，饱和水汽压大。当云雾中实际水汽压介于二者之间，对于小水滴来说处于未饱和状态，不断蒸发；对于大水滴处于过饱和状态不断凝结。这样就使得小水滴因蒸发逐渐减小，大水滴因不断凝结而逐渐增大。第三章大气中的水分三、影响蒸发的因素描述方程——道尔顿定律影响因素水源热源饱和差风速与湍流速度W——蒸发速度A——分子扩散系数E-e——饱和差P——气压第三章大气中的水分四、湿度随时间的变化（一）绝对湿度的日变化、年变化（二）相对湿度的日变化、年变化第三章大气中的水分（一）绝对湿度的日变化、年变化1、日变化1）决定因素：温度的高低湍流交换的强弱2）类型：单峰型一天中绝对湿度有一个最高值（午后）和一个最低值（清晨）主要出现在海洋、沿海地区和岛屿上，以及秋冬季节的大陆上主要是海洋、沿海地区和岛屿上有充足的水源供蒸发。大陆上湍流不强的秋冬季节里，地面湍流受到高空高压气层的作用使其作用减弱。第三章大气中的水分双峰型一天中绝对湿度有两个最高值和最低值主要出现在大陆湍流扩散作用强烈的季节分析：日出后，地面温度上升，蒸发增强，绝对湿度逐渐上升；到了9-10时，湍流混合作用大于地面水汽蒸发，因此绝对湿度逐渐减小；（随着温度升高，低层趋于不稳定，湍流混合作用增强，水汽迅速向上输送）午后，虽然地面温度最高，蒸发强盛，但湍流活动强烈，大于蒸发作用，绝对湿度继续减小；日落后，湍流减弱，向上扩散的水汽相对减少，地温尚未完全降到低值，蒸发作用大于湍流混合作用，故绝对湿度开始增大；到了21-22时，地面辐射冷却，蒸发愈来愈弱，当地面温度降到露点以下，凝结作用使绝对湿度减小，到日出之前达到最小值。第三章大气中的水分出现在沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节，水汽压与温度的日变化一致。为什么？为什么在大陆上湍流混合较强的夏季水汽压一天中有两个最值和两个低值？第三章大气中的水分2、年变化绝对湿度的年变化和温度的年变化大体一致。由于夏季下垫面蒸发水汽比冬季多，因此，极大值出现在7-8月份，极小值出现在蒸发较弱的1-2月份。第三章大气中的水分决定因素：（二）相对湿度的日变化、年变化1、日变化相对湿度的日变化取决于温度的变化。特点：相对湿度的日变化的极大（小）值出现时间与温度变化相反。相对湿度f=e/E，随着温度升高，蒸发加强即e增大，但同时E也增大，且幅度超过e，故温度升高这个比值反而减小。2、年变化——大致冬季最大，夏季最小内陆干燥地区：年变化与温度相反。（全年绝对湿度变化不大）季风盛行地区：夏季最大（盛行海风绝对湿度大），冬季最小（盛行陆风绝对湿度小）。第三章大气中的水分五、大气中水汽的凝结条件（一）凝结核（二）空气中的水汽饱和或过饱和第三章大气中的水分（一）凝结核1、作用实践证明，在纯净的空气里，即使达到过饱和也不能凝结出水滴。2、类型一种溶解于水（NaCl、Mgcl2、

SO3等）一种不溶解于水，但能被水湿润第三章大气中的水分（二）空气中的水汽饱和或过饱和使空气达到过饱和的途径：一是通过蒸发增加空气中的水汽；二是冷却作用。1、暖水面蒸发当冷空气流经暖水面时，由于暖水面的水汽含量