Водата във въздуха — урок по география

1. Водната пара във въздуха

Водната пара е невидим газ – облаците и мъглата, които виждаме, са вече капчици. Във въздуха тя е между почти 0 (над полярните пустини) и около 4% от обема (над тропическите морета). Колко пара има, казват няколко величини:

абсолютна влажност $a$ – грамове пара в един кубичен метър въздух, $\mathrm{g/m^3}$ ;
специфична влажност $q$ – грамове пара в един килограм въздух, $\mathrm{g/kg}$ ; не се мени, когато въздухът се издига и разширява;
относителна влажност $RH$ – колко процента е парата от най-голямото количество, което въздухът побира при същата температура.

Колко пара най-много побира въздухът, зависи почти само от температурата. Въздух с толкова пара е наситен; ако се опитаме да добавим още, излишъкът се кондензира. Налягането на наситената пара се смята по формулата на Магнус:

Т

Насищане и относителна влажност

e_s(T) \approx 6{,}11\ \mathrm{hPa} \cdot e^{\frac{17{,}6\,T}{243\ +\ T}}

(

T

в °C). Наситената абсолютна влажност е

a_{\max} = \dfrac{217\, e_s}{T + 273}\ \mathrm{g/m^3}

. Относителната влажност е

RH = \dfrac{a}{a_{\max}} \cdot 100\%

.

T, °C	налягане на наситената пара, hPa	най-много пара, g/m³
−10	2,9	2,4
0	6,1	4,8
10	12,3	9,4
20	23,3	17,2
30	42,3	30,3
40	73,7	51,0

При всеки градус затопляне въздухът може да побере с около 6–7% повече пара, а при 10 градуса – почти двойно. Затова тропическите порои са толкова обилни, а зимният въздух е „сух“, дори когато относителната му влажност е висока.

Пример

При 20 °C във въздуха има 8,6 g/m³ пара. Колко е относителната влажност? Колко ще стане, ако същият въздух влезе в стая с 30 °C?

$RH = \frac{8{,}6}{17{,}2} \cdot 100\% = 50\%$
При 30 °C въздухът побира $30{,}3\ \mathrm{g/m^3}$ : $RH = \frac{8{,}6}{30{,}3} \cdot 100\% \approx 28\%$ – парата е същата, но въздухът е станал „по-сух“.

2. Точка на оросяване

Ако охлаждаме въздуха, без да менем количеството пара, относителната влажност расте, докато стигне 100%. Температурата, при която това става, е точката на оросяване $T_d$ . Охладим ли въздуха още, парата започва да се кондензира – по тревата пада роса, а когато $T_d$ е под 0 °C, парата направо замръзва като скреж и слана. Колкото по-малка е разликата $T - T_d$ , толкова по-близо до насищане е въздухът.

T и RH задават въздуха; T₂ е температурата, до която той се охлажда (или затопля), без да се добавя или маха пара.

T, °C25RH, %60T₂, °C14

пара13,8 g/m³побира най-много23,0 g/m³точка на оросяване16,7 °CT − Td8,3 °Cоблак от≈ 1038 mRH при T₂100 %

При 14 °C въздухът побира само 12,0 g/m³ – излишните 1,7 g/m³ се кондензират: роса или мъгла.

При кондензацията се отделя същата скрита топлина, която е погълната при – около $2{,}5\ \mathrm{MJ}$ на килограм вода (виж урока Температура и топлина). Затова росата и мъглата забавят нощното изстиване, а скритата топлина в парата е един от главните „двигатели“ на бурите.

3. Издигане и адиабатно охлаждане

Облаците почти винаги се образуват, когато въздухът се издига. Нагоре налягането е по-ниско, въздухът се разширява, върши работа и изстива – без да отдава топлина навън. Такъв процес е (виж урока Термодинамика). Обратно, слизащият въздух се свива и затопля.

Т

Адиабатни градиенти

Сух (ненаситен) въздух изстива с

\Gamma_d = g/c_p \approx 9{,}8\ ^\circ\mathrm{C/km}

– около 1 °C на 100 m. Наситеният въздух изстива по-бавно, обикновено с 4–7 °C/km: кондензиращата пара отделя скрита топлина. В топъл въздух градиентът е около 4 °C/km, а в много студения се доближава до сухия.

Докато ненаситеният въздух се издига, точката му на оросяване също пада, но по-бавно – с около 1,8 °C/km. Разликата $T - T_d$ намалява с около 8 °C на километър и щом стане нула, започва кондензация. Това е кондензационното ниво – равната основа на купестите облаци.

Т

Кондензационно ниво

h \approx 125\ \mathrm{m} \cdot (T - T_d)

, защото

\dfrac{1000\ \mathrm{m}}{9{,}8 - 1{,}8} = 125\ \mathrm{m}

на градус разлика.

Пример

При земята е 25 °C, а точката на оросяване е 13 °C. Къде е основата на облаците и колко е температурата там?

$h \approx 125 \cdot (25 - 13) = 1500\ \mathrm{m}$
$T = 25 - 9{,}8 \cdot 1{,}5 \approx 10{,}3\ ^\circ\mathrm{C}$ – и точката на оросяване там е почти същата: $13 - 1{,}8 \cdot 1{,}5 \approx 10{,}3\ ^\circ\mathrm{C}$ .

Въздухът се издига по четири причини: нагрят от земята, той се надига сам (конвекция); вятърът го изкачва по склона на планина (орографско издигане); по-лекият топъл въздух се плъзга над студения при фронт (виж урока Времето и прогнозата); или въздушните потоци се сблъскват (конвергенция) – например в зоната около .

4. Устойчив и неустойчив въздух

Дали издигнатата въздушна частица ще продължи нагоре, зависи от това колко бързо изстива околният въздух с височината – от неговия $\Gamma$ (виж урока Атмосферата и топлинният баланс). Ако частицата е по-топла от околния въздух, тя е по-лека и се издига сама, като балон с горещ въздух. Ако е по-студена – пада обратно.

Т

Устойчивост на въздуха

\Gamma < \Gamma_s

– абсолютно устойчив: издигнатият въздух винаги е по-студен от околния.

\Gamma_s < \Gamma < \Gamma_d

– условно неустойчив: устойчив, докато е сух, неустойчив, след като се насити.

\Gamma > \Gamma_d

– абсолютно неустойчив (случва се в тънък слой над нагрятата земя). Тук

\Gamma_s

и

\Gamma_d

са влажният и сухият адиабатен градиент.

Γ е температурният градиент на околния въздух (°C/km). Частицата се издига сухоадиабатно (пунктир) до кондензационното ниво, после – влажноадиабатно. Розовото поле е там, където тя е по-топла от околния въздух и се издига сама.

T, °C30Td, °C18Γ7,5

кондензационно ниво1500 mвлажен градиент там4,4 °C/kmвъздухът еусловно неустойчивсвободна конвекция от2,7 kmвръх на облака11,8 km

Купесто-дъждовен облак (Cumulonimbus) с наковалня – гръмотевици, порой, възможна градушка.

Средният градиент в е около 6,5 °C/km – между влажния и сухия. Затова атмосферата най-често е условно неустойчива: сухият въздух трудно се издига, но щом бъде повдигнат до насищане и отвъд, облакът може да порасне до . – слой, в който температурата расте с височината, – действа като капак: под нея се задържат мъгли, и плоските купести облаци на хубавото време.

5. Облаци и мъгли

Облакът е множество капчици с размер около 0,01 mm или ледени кристалчета. За да се образуват, на парата ѝ трябват ядра на кондензация – прахови частици, морска сол, сажди. Международният атлас на облаците подрежда облаците в 10 основни рода според височината и формата им: купести (на купчини, при издигане на отделни мехури въздух), слоести (пластове, при плавно издигане на голяма площ) и перести (влакнести, от лед).

Етаж	Родове	Особености
Високи (над около 5–6 km)	перести (Ci), пересто-купести (Cc), пересто-слоести (Cs)	от ледени кристали; тънки, бели; Cs дава ореол около Слънцето
Средни (около 2–7 km)	високо-купести (Ac), високо-слоести (As)	Слънцето прозира като през матово стъкло; често предвещават фронт
Ниски (до около 2 km)	слоесто-купести (Sc), слоести (St), слоесто-дъждовни (Ns)	St е сив пласт, „вдигната мъгла“; Ns е дебел пласт с ниска основа, дава продължителен дъжд или сняг
С вертикално развитие	купести (Cu), купесто-дъждовни (Cb)	растат при неустойчив въздух; Cb стига до тропопаузата – гръмотевици, порой, градушка

Мъглата е облак, който лежи на земята. Според това как въздухът е стигнал до точката на оросяване, мъглите са:

радиационни – в ясна и тиха нощ земята изстива и охлажда приземния въздух; най-гъсти са в , където студеният въздух се стича и застоява – например в Софийското поле през зимата;
адвективни – топъл влажен въздух минава над студена повърхност: над студено течение, над морето напролет или над снежна покривка;
от изпарение – студен въздух над по-топла вода; над реките и езерата в мразовита сутрин „пушат“;
склонови – въздухът се изкачва по склона и изстива адиабатно.

6. Валежи, фьон и дъждовна сянка

За една дъждовна капка с диаметър 2 mm трябват около милион облачни капчици – повечето облаци никога не дават валеж. Капките растат по два начина. В топлите облаци по-едрите капки падат по-бързо и поглъщат по-дребните при сблъсък (коалесценция). В облаците под 0 °C има и ледени кристали, и преохладени капчици; над леда наситеното налягане е по-ниско, затова кристалите растат за сметка на капчиците (процес на Бержерон). В средните ширини голяма част от дъждовете започват като сняг, който се стопява по пътя надолу.

дъжд и ръмеж (много дребни капки от слоести облаци); сняг; суграшица – сняг с дъжд;
градушка – ледени зърна, които силните възходящи течения в купесто-дъждовния облак вдигат и свалят многократно, докато нараснат слой по слой;
по произход валежите са конвективни (кратки, проливни, от Cb), фронтални (продължителни, от Ns и As) и орографски (по наветрените склонове на планините).

О

Количество на валежа

Измерва се като дебелина на водния слой, който би се образувал, ако водата не се оттича, не попива и не се изпарява:

1\ \mathrm{mm} = 1\ \mathrm{L/m^2}

. Средният годишен валеж на Земята е около 1000 mm, в България – около 650 mm.

Когато вятърът прехвърля планина, по наветрения склон въздухът се издига, образува облаци и изсипва валежи. По подветрения склон той слиза, вече без голяма част от влагата си, и се затопля по сухата адиабата – по-бързо, отколкото се е охлаждал в облака. Така се ражда топлият и сух падащ вятър фьон (в Северна Америка – чинук), а подветрените места остават в дъждовна сянка.

Нагоре: сухоадиабатно (9,8 °C/km) до основата на облака, после влажноадиабатно. Падналият валеж изнася водата, а надолу въздухът се затопля сухоадиабатно чак до подножието.

T, °C15RH, %80H, m2500

основа на облака428 mна билото-0,6 °Cотвъд23,9 °Cпо-топло с8,9 °Cвалеж3,5 g на kg въздух

Отвъд планината въздухът е с 8,9 °C по-топъл и много по-сух (27 % вместо 80 %) – това е фьон, а подветреният склон е в „дъждовна сянка“.

Берген на западния бряг на Норвегия, срещу влажните , получава над 2000 mm годишно, а Осло зад планините – под 800 mm. У нас фьон се появява най-често по северните склонове на Стара планина, когато силен южен вятър прехвърли билото – през зимата той може да стопи снега за часове. В дъждовна сянка е и долината на Струма около Сандански, със само около 500–600 mm годишно.

7. Кръговратът на водата

Слънцето изпарява вода главно от океана; растенията добавят (виж урока Пренос на вещества в растенията). Вятърът пренася парата, тя се кондензира в облаци и пада като валеж. Част от валежа над сушата се връща в океана с реките и подземните води. Ето една от оценките (числата в различните източници се различават с няколко процента):

Поток	хиляди km³ годишно
Изпарение от океана	413
Валеж над океана	373
Валеж над сушата	113
Изпарение и транспирация от сушата	73
Речен и подземен отток към океана	40
Вода в атмосферата (запас)	12,7

Пример

Колко дни средно водата остава в атмосферата? Какъв слой би дала, ако падне наведнъж върху цялата Земя (510 млн. km²)?

Годишно падат $373 + 113 = 486$ хиляди km³ валеж – $\frac{486}{365} \approx 1{,}33$ хиляди km³ на ден.
$\frac{12{,}7}{1{,}33} \approx 9{,}5$ дни.
Слой: $\frac{12\,700\ \mathrm{km^3}}{510 \cdot 10^6\ \mathrm{km^2}} \approx 2{,}5 \cdot 10^{-5}\ \mathrm{km} = 25\ \mathrm{mm}$ .

Баланс: над океана се изпаряват 40 хиляди km³ повече, отколкото падат – точно толкова вятърът пренася над сушата и реките връщат обратно. Валежите над сушата идват наполовина от „чужда“ вода от океана. Повече за водите на сушата ще има в уроците „Реки и езера“ и „Подземни води и “.

8. Тренажор

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\text{облак } 2 \times 2 \times 2\ \mathrm{km},\ 0{,}5\ \mathrm{g/m^3}\ \text{капчици}

Колко тона вода има в облака?

9. Влагата около нас

0 / 6

🪂 Пилотът на планер

Следобед температурата при земята е 28 °C, а точката на оросяване – 12 °C. На каква височина са основите на купестите облаци, под които пилотът на планер търси възходящи течения?

🏠 Водата от покрива

При порой паднаха 18 mm дъжд. Колко литра вода събира улукът от покрив с хоризонтална площ 85 m²?

🪟 Запотеният прозорец

В стаята е 22 °C при относителна влажност 50%, а точката на оросяване е около 11 °C. Стъклото на прозореца отвътре е 8 °C. Ще се запоти ли? Колко най-малко трябва да е температурата на стъклото, за да не се запотява?

🌬️ Фьон над планината

Влажен въздух с температура 12 °C в подножието (0 m) се издига по склона. Облакът започва на 800 m, а билото е на 2400 m. Над основата на облака въздухът изстива с 0,6 °C на 100 m, а под нея – с 1 °C на 100 m. Колко е температурата на билото и в подножието отвъд планината на 400 m височина?

☁️ Колко тежи облакът?

Купест облак е горе-долу куб със страна 1 km. Във всеки кубичен метър има около 0,5 g водни капчици. Колко тона вода има в облака? Защо той не пада?

🏔️ От Самоков до Мусала

Сух въздух с температура 20 °C в Самоков (около 950 m) се издига до връх Мусала (2925 m), без да образува облак. Колко градуса ще стане (9,8 °C на km)?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

10. ⚠️ Чести грешки

Пара и облак

✗ Облаците са от водна пара.

✓ Парата е невидим газ; облаците са от капчици вода и кристалчета лед.

Относителна влажност

✗ 100% влажност значи, че въздухът е вода.

✓ Значи само, че въздухът е наситен – пара има едва няколко процента от обема.

Студеният въздух

✗ Зимата е влажна, защото RH е 90%.

✓ При 0 °C въздухът побира само 4,8 g/m³ – парата е много по-малко, отколкото в лятото.

Защо изстива

✗ Нагоре е студено, защото е по-далеч от земята.

✓ Издигащият се въздух изстива, защото се разширява (адиабатно); слизащият се затопля.

Влажният градиент

✗ Наситеният въздух изстива по-бързо, защото е мокър.

✓ Изстива по-бавно – кондензацията отделя скрита топлина.

Фьонът

✗ Фьонът е топъл, защото идва от юг.

✓ Топъл е, защото е оставил влагата си на наветрения склон и слиза по сухата адиабата.

11. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Какво показва относителната влажност?

Избери отговор (или натисни 1–4)

12. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

13. Обобщение

✓ Абсолютна (g/m³), специфична (g/kg) и относителна влажност $RH = a / a_{\max} \cdot 100\%$
✓ Колко пара побира въздухът, зависи от температурата – почти двойно на всеки 10 °C
✓ Точката на оросяване е температурата на насищане; под нея – роса, слана, мъгла
✓ Издигащият се въздух изстива адиабатно: сух – 9,8 °C/km, наситен – обикновено 4–7 °C/km
✓ Основата на купестите облаци е на $h \approx 125\ \mathrm{m} \cdot (T - T_d)$
✓ Устойчивостта зависи от градиента на околния въздух спрямо сухия и влажния адиабатен
✓ 10 рода облаци на три етажа и с вертикално развитие; мъглите са радиационни, адвективни, от изпарение и склонови
✓ Валежите са , фронтални и орографски; фьонът е топъл и сух, а зад планините има дъждовна сянка
✓ Водата остава в атмосферата средно около 9–10 дни

💡 Интересен факт

Едни от най-дъждовните места на Земята са Черапунджи и Маусинрам в Индия, на южния склон на хълмовете Каси. Летният гони влажния въздух от Бенгалския залив право срещу склона и орографските валежи надхвърлят средно 11 000 mm годишно. Между август 1860 г. и юли 1861 г. в Черапунджи са измерени над 26 000 mm – около 40 пъти повече от годишния валеж в България.