Образование и трансформация туманов

Определение и характеристики туманов

Туманом принято называть скопление капелек воды или микрокристаллов льда в приземном слое воздуха толщиной от единиц до нескольких сотен метров, при котором по направлению вдоль земной поверхности дальность видимости не превышает 1 км.

Важнейший параметр тумана - его интенсивность.Для оценки интенсивности тумана используют два подхода.

Первый исходит из того, что содержащиеся в воздухе капли и кристаллы воды существенно влияют на прозрачность атмосферы. Поэтому изменение дальности видимостив тумане может служить для оценки его интенсивности.

С учетом этого принято считать, что туман может быть сильным, умеренным и слабым.

В сильном тумане видимость не превышает 50м.

В умеренном тумане видимость составляет от 50 до 500м

В слабом тумане видимость от 500 до 1000м.

Если видимость на уровне земной поверхности составляет от 1 до 2 км, данное состояние атмосферы принято называть умеренно и дымкой.

При видимости от 2 до 10 км имеет место слабая дымка.

Дальность видимости наблюдатель определяет "на глаз". Чем он опытнее, тем в равных условиях оценка этой характеристики точнее.

Изменение условий наблюдения также может стать причиной погрешности оценки дальности видимости одним и тем же даже самым опытным оператором. Одной из причин погрешностей является наличие неучтенных местных источников увлажнения воздушной массы (выпадение теплого дождя вечером, поступление в атмосферу продуктов сгорания топлива).

Как видим, достоинством рассмотренного подхода является простота, а недостатком - его относительность и неточность. Подход не требует для своей реализации специального оборудования.

Другой подход в этом смысле является диаметрально противоположным. Он основан на определении таких характеристик тумана как его водность и лёдность, связывающих интенсивность тумана с количеством жидкой или твердой атмосферной воды, содержащейся в единице его объема.

Водность- характеристика интенсивности тумана, состоящего из капель воды (т.н. водяного пли смешанного). Водностью называется суммарная масса воды в жилкой фазе (в виде капель), содержащаяся в 1 куб. м. тумана.

Лёдность- аналогичная характеристика тумана, содержащего кристаллики льда. Лёдностью называется суммарная масса воды в твердой фазе (в виде кристаллов льда), содержащегося в 1 куб. м. тумана.

Нетрудно видеть, что и водность, и лёдность тумана являются абсолютными и объективными характеристиками, однако простых технологий их прямого измерения в настоящее время неизвестно. Обе характеристики тумана, как правило, рассчитывают по результатам измерения других его тепло физических характеристик.

В тумане капли имеют разные диаметры. Поэтому еще одной их характеристикой является распределение капель по диаметрам.Под этим распределением понимается зависимость от диаметра капель их концентрации.

Наиболее часто применяемыми параметрами распределения капель по диаметрам являются:

-мода (наиболее вероятное значение диаметра капель в тумане);

-среднее (среднее арифметическое диаметров всех капель, в 1 м³ воздуха, содержащего туман);

-дисперсия (среднее арифметическое квадратов отклонений от среднего величин диаметров капель, содержащихся в 1 м³ воздуха, содержащего туман).

Образование и трансформация туманов

Процесс перехода водяного пара в жидкое или твердое агрегатное состояние, происходящий в приземном слое воздуха, называется образованием тумана.

Трансформациейтумана называется изменение его характеристик в результате взаимодействия с окружающей средой.

Туманы образуются водой в атмосфере, находящейся в жидком или твердом агрегатном состоянии. Эта вода образуются из водяного пара в результате процессов конденсации, сублимации, коагуляции и кристаллизации (замерзания),рассмотренных в лекции 8.

При трансформации туманов происходит также явление укрупнения капель или снежинок в результате их столкновения, которое называется коагуляцией (слипанием). Коагуляция происходит лишь при столкновении капель. Мелкие капли (диаметрами менее 1-2 микрона) участвуют в броуновском движении, что вызывает их столкновения и коагуляцию.

Коагуляция есть результат неравенства нулю относительных скоростей движения различных капель. Относительное перемещение капель приводит к уменьшению расстояний и столкновениям между ними.

Чем выше температура воздуха, тем этот процесс интенсивнее. Этот вид коагуляции называют - молекулярно- кинетическим.

Крупные капли (диаметрами более 15 микрон) осаждаются под действием силы тяжести быстрее, чем мелкие. Поэтому в процессе своего осаждения крупные капли догоняют и перегоняют мелкие. При этом возможны столкновения между ними и т. н. гравитационная коагуляция.

При наличии ветра в приземном слое атмосферы причиной столкновения капель может быть их увлечение атмосферной турбулентностью. Это т. н. турбулентная коагуляция.

При некоторой упругости водяного пара в тумане могут встретиться капли, над поверхностью которых эта упругость больше насыщающей, а также капли, над поверхностью которых она меньше насыщающей. Очевидно, что первые будут укрупняться за счет конденсации, а вторые – испаряться. Так как насыщающая упругость водяного пара над каплями тем меньше, чем больше их радиус, то конденсация происходит лишь на крупных каплях; мелкие испаряются.

Как видим, одним из результатов трансформации тумана, вызванной его тепломассообменом с окружающей средой, является уменьшение дисперсии распределения его капель по их диаметрам. Среднее значение распределения купель по их диаметрам может при этом как увеличиваться, так и уменьшаться. Мода в ходе указанного процесса, как правило, приближается к среднему значению. Рост капель тумана в результате описанного процесса называется конденсационным.

Рост капель в результате коагуляции, как правило, происходит медленнее, чем при конденсационном механизме.

В процессе трансформации туманов при отрицательных температурах воздуха происходит также кристаллизация.

Кристаллизацияможет происходить как непосредственно, путем замерзания жидких капель, так и путем т. н. переконденсации.

Переконденсация- это процесс роста кристалликов льда при одновременном испарении капель воды в тумане, содержашем как капепьки воды, так и кристаллики льда Переконденсация может происходить при постоянной температуре и без тепломассообмена с окружающей средой.

Рассматриваемый процесс возникает потому, что насыщающая упругость водяного пара надо льдом меньше, чем над водой. В результате этого, по отношению к поверхности льда водяной пар может быть насыщенным и даже пересыщенным, а по отношению к поверхностям капель воды – ненасыщенным. Процесс идет до тех пор, пока все капли в тумане (облаке) не испарятся, а ледяные кристаллы достигнут максимальных размеров.

Увеличению водности тумана способствует поступление в него дополнительных количеств водяного пара, либо понижение его температуры. Того же результата можно достичь, внося в него микроскопические твердые либо жидкие частицы – упомянутые выше атмосферные ядра конденсации.

Уменьшению водности тумана способствуют выпадение из него атмосферных осадков, повышение температуры воздуха и рассмотренный выше процесс переконденсации.