Vattenhalten i molnen

Vattenhalten i moln  är massan av fukt i fast och flytande fas som finns i en volymenhet av molnmediet . Skilj mellan absolut vattenhalt, som faller på en enhet molnvolym (g/m 3 ) och specifik vattenhalt, som motsvarar en enhet luftmassa (g/kg) [1] [2] . Vattenhalten i en grumlig miljö beror i regel på många parametrar och är inte konstant ens inom samma moln [3] .

Den formella definitionen av detta begrepp är likvärdig med termen " viktkoncentration " som används inom kolloidkemi , men den traditionella måttenheten för vatteninnehåll skiljer sig med sex storleksordningar från måttenheten för viktkoncentrationen [4] .

Som regel används sensorer med uppvärmd tråd (Nevzorov-sensorer) [5] [6] för att uppskatta vatteninnehållet i den grumliga miljön .

Historik

Det praktiska värdet av denna parameter förblev osäkert under lång tid, och det fanns ingen metod för att mäta den. För första gången gjordes en experimentell bedömning av atmosfärens vatteninnehåll 1851 av den tyske naturforskaren A. Schlagintveit i ett bergsområde i tät dimma. Dessa mätningar ansågs vara de enda under lång tid, tills nya data dök upp vid sekelskiftet: 1899 gjorde den tyske forskaren W. Konrad ett litet antal mätningar av vattenhalten i moln i Alperna . Efter andra världskriget började information om vattenhalt vara av tillämpat intresse i samband med problemen med isbildning av flygplan, studiet av utbredningen av VHF -radiovågor i en molnig miljö, uppkomsten av metoder för att påverka moln, etc. [ 4]

I Sovjetunionen utfördes den experimentella studien av vatteninnehållet i moln huvudsakligen av teamen från Central Aerological Observatory och Main Geophysical Observatory [4] . Experimentella data om vatteninnehållet i cumulusmoln erhölls först 1946-1948 av den sovjetiske forskaren V. A. Zaitsev med hjälp av specialdesignad flygutrustning, som inkluderade en vattenhaltsmätare för flygplan (SIV) [7] .

Definition

Den totala vattenhalten i ett blandat moln består av två huvudkomponenter. Den första termen är vattenhalten i vätskefasen, vilket är halten flytande fukt per volymenhet luft. Den andra komponenten är vattenhalten i den fasta fasen, det vill säga den totala massan av kristallin is i en volymenhet. Denna parameter kallas ofta för isinnehåll [3] .

Vattenhalt i vätskedroppar

En rigorös definition av vattenhalten i vätskefasen kan uttryckas i matematisk form som en integral över en volymenhet av den grumliga miljön [8] [3] :

var:

 är partikelstorleksfördelningen ,  - densitet av vatten,  är radien för den e droppen,  är det totala antalet droppar.

Den övre gränsen för värdet motsvarar ungefär den adiabatiska vattenhalten, som beräknas utifrån partikelteorin [9] . Adiabatiskt vatteninnehåll beror på tryck och temperatur vid molnets nedre gräns och dess höjd [3] .

Vattenhalten i den fasta fasen

När det gäller kristallin grumlighet har definitionen av vatteninnehåll följande form [3] :

där summeringen utförs över en volymenhet och är massan av den -e iskristallen.

Mycket ofta kallas det erhållna värdet för ishalten i den grumliga miljön [3] .

Allmän information

Vatteninnehållets beroende av höjd och tidsdynamik bestäms av atmosfäriska processer för värmeenergi och fuktöverföring. Ändå är det känt att vattenhalten i molnmediet är mest känslig för förändringar i lufttemperaturen och i genomsnitt ökar med temperaturen. Det påverkas också avsevärt av hastigheten för vertikala rörelser av luftmassor och intensiteten av turbulent utbyte [10] .

Som regel varierar intervallet för förändringar av vattenhalten i den grumliga miljön från tusendelar av g/m 3 vid låga negativa temperaturer till flera tiondelar av g/m 3 vid positiva temperaturer. Vid höga omgivningstemperaturer och höga värden på vertikal hastighet kan vattenhalten nå flera g/m 3 , vilket är typiskt för cumulonimbusmoln [11] . I vattenmoln per kubikmeter luft finns det från 0,1 till 0,3 gram fukt, i cumulusmoln är vattenhalten något högre och kan variera från 0,7 g/m 3 i botten till 1,8 g/m 3 på toppen, och i vissa fall närmar sig 5,0 g/m 3 [12] .

Medelvärdena för vattenhalt för moln av olika typer, beroende på årstid, sammanfattas i följande tabell (g/m3 ) [ 13] :

Säsong molnform
Stratocumulus skiktad Nimbostratus Altocumulus Altostratus
Vinter 0,21 0,30 0,23 0,16 0,21
Vår 0,22 0,28 0,33 0,19 0,20
Sommar 0,26 0,35 0,32 0,24 0,42
Höst 0,28 0,36 0,38 0,24 0,34

Vattenhalten bestämmer dämpningen av elektromagnetisk strålning (radiovågor och ljus), samt sikten i en grumlig miljö. Det finns inget entydigt samband mellan synlighet och vatteninnehåll, men ett ungefärligt empiriskt mönster kan representeras enligt följande [14] :

Förhållandet mellan vattenhalt och synlighet
Vattenhalt, g/m 3 2.3 0,85 0,48 0,23 0,13 0,085
Sikt, m trettio 60 90 150 225 300

Anteckningar

  1. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Vatteninnehåll i moln, sid. 85.
  2. ↑ Khromov, Petrosyants, 2001 , Mikrostruktur och vatteninnehåll i moln, sid. 271.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Mazin, Khrgian, 1989 , Vatteninnehåll i moln, sid. 328.
  4. ↑ 1 2 3 Khrgian, 1961 , Molnens vatteninnehåll, sid. 103.
  5. ↑ RD 52.04.674-2006, 2006 , Direkta mätningar, sid. 12-13.
  6. ↑ Korolev, Strapp, 1998 , sid. 1495.
  7. ↑ Matveev, 1984 , Statistiska data om stratus och böljande moln, sid. 474.
  8. ↑ Rogers, 1979 , Mikrofysiska egenskaper hos molnen, sid. 91, 92.
  9. ↑ Rogers, 1979 , Mikrofysiska egenskaper hos molnen, sid. 92.
  10. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Vatteninnehåll i moln, sid. 85, 86.
  11. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Vatteninnehåll i moln, sid. 86.
  12. ↑ Khromov, Petrosyants, 2001 , Mikrostruktur och vatteninnehåll i moln, sid. 272.
  13. ↑ Matveev, 1984 , Statistiska data om stratus och böljande moln, sid. 475.
  14. ↑ Stepanenko, 1966 , Dämpning av mikroradiovågor i atmosfären, sid. 99.

Litteratur