ця стаття присвячена актуальності вивчення освіти купчасто-дощових хмар в зв'язку з тим, що дані атмосферні утворення можуть бути джерелом надзвичайної небезпеки для літальних апаратів, морських суден, нафтоі газодобувних підприємств, особливо, розміщу? нних на шельфі і ін. Вивчення законів кавітації і нуклеации при утворенні зародків ядер конденсату з водяної пари може послужити відправною точкою для подальших досліджень в моделюванні і прогнозуванні формування купчасто-дощових хмар.

Анотація наукової статті з наук про Землю і суміжних екологічних наук, автор наукової роботи - Дмитрієва Тетяна Василівна


CUMULONIMBUS CLOUDS THEIR FORMATION IN THE ATMOSPHERE WITH MATHEMATICAL ANALYSIS

this article is devoted to the relevance of studying the formation of cumulonimbus clouds due to the fact that these atmospheric formations can be a source of extreme danger for aircraft, ships, oil and gas producers, especially offshore, etc.the Study of the processes of cavita-tion and nucleation in the formation of nuclei of condensate from steam can serve as a starting point for subsequent research in modeling and forecasting the formation of cumulonimbus clouds.


Область наук:

  • Науки про Землю та суміжні екологічні науки

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал

    вектор геонаук


    Наукова стаття на тему 'купчасто-дощових хмар І ЇХ ОСВІТА В шарах атмосфери З математичного аналізу'

    Текст наукової роботи на тему «купчасто-дощових хмар І ЇХ ОСВІТА В шарах атмосфери З математичного аналізу»

    ?DOI: 10.24411 / 2619-0761-2019-10037 УДК 551.509.616

    Купчасто-дощових хмар І ЇХ ОСВІТА В шарах атмосфери З математичного аналізу

    Дмитрієва Тетяна Василівна - провідний інженер метеоролог, Душанбинський авіа метеоцентр, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Анотація: ця стаття присвячена актуальності вивчення освіти купчасто-дощових хмар в зв'язку з тим, що дані атмосферні утворення можуть бути джерелом надзвичайної небезпеки для літальних апаратів, морських суден, нафто - і газодобувних підприємств, особливо, розміщених на шельфі і ін. Вивчення законів кавітації і нуклеации при утворенні зародків ядер конденсату з водяної пари може послужити відправною точкою для подальших досліджень в моделюванні і прогнозуванні формування купчасто-дощових хмар.

    Ключові слова: купчасто-дощові хмари, кавітація, конденсація, турбулентність.

    Хмари є однією з різновидів дисперсійних систем, що представляють обой розподіл найдрібніших зважених часток водної фази в газовій дисперсійному середовищі.

    Хмари, особливо, купчасто-дощові, відносяться до числа найважливіших природних атмосферних явищ, тому що саме наявність хмарності дає уявлення про зміну погодних умов.

    Якщо розглядати купчасто-дощові хмари з позиції формування водних мас, то саме ці зважені в нижніх частинах атмосфери освіти в більшому обсязі постачають землю опадами. Хмарність в денний час доби сприяє зменшенню припливу ультрафіолетового випромінювання, а в нічний час перешкоджає надмірному охолодженню літосфери. Таким чином наявність хмарності в достатній мірі впливає на середньодобовий температурний режим, а також утворення туманів. Незважаючи на це, купчасті хмари можуть принести вагомі ускладнення.

    Вивчення термодинамічних і статистичних закономірностей формування купчасто-дощових хмар дає розуміння даного процесу з фізико-хімічної точки зору, тому що аналіз і прогнозування даного процесу, в т.ч. несприятливих метеорологічних

    умов, має важливе значення для

    авіації, мореплавання, метеорології і ін. фундаментальних і прикладних аспектів.

    Формування облікової будь-якого типу відбувається в результаті конвекційних процесів і адіабатичного охолодження піднімається вологого повітря, а також у зв'язку з турбулентним перемішуванням, в результаті якого також спостерігається зниження температури.

    Адіабатні моделі формування хмар засновані на тому, що макросистема термодинамічно не обмінюється теплотою один з одним, отже потоки повітря піднімаючись в атмосферу зберігають свою внутрішню теплову енергію.

    На рис. 1 представлені криві зміни температури повітря при розгляді адіабатичного методу на прикладі поширення частки повітря в вертикальному межі.

    Аналіз процесу освіти купчасто-дожд евих хмар показує, що першим рівнем є первинна конденсація парів води, яка формується на нижній межі хмарності. У міру розподілі хмари в шарах атмосфери утворюється два наступних конденсаційних рівня, головною відмінністю яких є температурні інтервали. Межа, що розділяє переохолоджену верхню частину хмари від менш охолодженої, називається нульовою з отерм про і 20. Значення 2конв на висотної шкалою називається кордоном вільної

    © ®

    Вміст цієї роботи може використовуватися відповідно до умов ліцензії Creative Commons Attribution 4.0. Будь-яке подальше поширення цієї роботи має містити вказівку на автора (ів) та назву роботи, цитування в журналі і DOI.

    конвекції, ця точка збігається з верхньою межею формованого хмари [1].

    Мал. 1. Схема освіти купчасто-дощової хмари [1]: 1 - крива стратифікації; 2 - крива стану

    Даний малюнок можна прокоментувати таким чином. Якщо розглядати утворення хмари з позиції адиабатических процесів, то можемо уявити такий сценарій. Частинки перегрітого повітря починають переміщатися вертикально вгору за рахунок внутрішньої теплової енергії. Спочатку підйом маси ненасиченого вологою повітря відбувається за адіабаті АЛ ', яка характеризує стан повітря з вмістом пари води нижче нуклеатівной здатності. Досягаючи рівня конденсації частки повітря насичуються парами вологи, далі вище точки рух повітря здійснюється по вологій адіабатичній кривої. За умови зниження температури навколишнього середовища, що закономірно для шарів атмосфери, розташованих на великих висотах, починається процес нуклеації з утворенням конденсатів води або кристалів льоду [2].

    Для моделювання процесів формування хмар зарекомендував себе метод частки на підставі якого розраховуються критерії стійкості тривалості «життя» конкретного хмари. Допущенням даного методу є те, що окремо взята рухається частинка повітря не відчуває конвективних

    потоків з боку шарів атмосфери. Дана умова забезпечує можливість розрахувати час життєвого циклу хмари без використання складного обладнання і програмних комплексів, з іншого боку для моделювання процесів формування хмари необхідно враховувати конвективні похибки.

    Час «життя» хмар варіюється в досить-широких межах, деякі хмари існують досить нетривалий час, часом до 15 хв. Тривалість існування хмари залежить від швидкості випаровування виникає водного середовища (фази). Проте навіть при тривалому існуванні хмари, це не означає, що воно складається з одних і тих же частинок, так як конденсація і випаровування відбуваються безперервно.

    Водна дисперсна фаза може бути утворена у вигляді крапель води, кристалів льоду або тим і іншим одночасно, в залежності від умов гетерогенної конденсації і розподілу водяної пари в шарах атмосфери.

    Особливістю перебігу гетерогенної кін д Єнса ції при формуванні купчасто-дощових хмар є утворення ядер конденсації. Тому аналізуючи п р про ц есс утворення хмар і термодінам і ч е ських параметрів, то необхідно зупинитися докладніше на стадії початку конденсації пересичені пара.

    Процес конденсаційного зародку-освіти або нуклеации починається при настанні стадії нового фазового переходу, де утворюється основна кількість стійко ростуть крапель нової, стабільної фази [3, 4].

    Розрахунки нуклеации гетерогенної фази п о к аз и вают, що мимовільно даний п р про ц есс для водяної пари при звичайних температурах можливий тільки за умови пересичення? ~ 5, в табл. наведені дані залежності швидкості нуклеації водяної пари, як функції пересичення? при Т = 293К. На рис. 1 представлена ​​дана залежність графічно.

    На рис. 2 представлена ​​залежність швидкості нуклеації водяної пари в залежності від функції пересичення?, У вигляді поліноми.

    Таблиця

    Швидкість нуклеации водяної пари в залежності від функції пересичення S при Т =

    293 К

    № п / п Швидкість нуклеации водяної пари, см • с Коефіцієнт пересичення, 5

    1 0,00012 3,20

    2 1,00 3,40

    3 120,0 3,60

    4 104 3,80

    5 4105 4,0

    6 9106 4,20

    7 2108 5,00

    від теоретично розрахованих величин. Це відбувається у зв'язку з виникненням зародкоутворення центрів конденсації.

    Мал. 2. Залежність швидкості нуклеації водяної пари від величини пересичення

    Розрахунки, наведені в табл., Показують, що такі значення коефіцієнта пересичення водяної пари не дозволяють в земних атмосферних умовах забезпечити кінетику нуклеации. Проте, наявність в атмосфері постійного деякої кількості ядер конденсації дозволяє здійснюватися утворення жідкокапель-ного водного аерозолю навіть в межах відносної вологості 30% і менше. На рис. 3 показані залежності швидкості нуклеації від перенасичення 5 для парів води, при різних температурах.

    Теорія освіти зародків ядер конденсації (нуклеации) при гетерогенному процесі має велике значення для розуміння термодинаміки початку конденсації і кристалізації перенасиченого водяної пари в атмосфері, а значить і освіти купчасто-дощових хмар.

    Коментуючи малюнок, ми приходимо до висновку, що для початку гетерогенного або багатофазної конденсації необхідною умовою є пересичення водяної пари. Величина коефіцієнта пересичення (5) може відрізнятися в менший показник

    Мал. 3. Графіки залежності швидкості утворення зародків конденсації (нуклеации) від коефіцієнта пересичення 5 для водяної пари, при температурах 273 і 293К

    Для розрахунку процесу спонтанної кін д Єнса ції і розрахунку концентрації і швидкості утворення зародків нуклеации использ уются наступні формули при допущенні, що число зародків, визначається умовою життєздатності при температурі Т

    0,5-Л у! 2Ь г

    де

    (1)

    (2)

    - загальна концентрація зародкових крапель в пересиченому парі; г - радіус молекули води; ГВт г - розмір життєздатного зародка гв г при довільній температурі Т, F () - функція Лапласа,

    оп_в - енергія поверхносного натягу на кордоні пар-вода; у - множник, 0 < у <1.

    Беручи участь у першому наближенні N0, в що не залежать від температури, вираз (1) можна використовувати для розрахунку числа

    життєздатних водяних зародків, що утворюються в одиниці об'єму пара при зниженні температури від Т1 до Т. Перейдемо від величини до швидкості нуклеації в ^ (Т)

    (3)

    де

    (5)

    (4)

    Lп_в - теплота фазового перетворення пар-вода; Т - швидкість охолодження. Класична формула швидкості нуклеації водяних зародків в пересиченому парі має вигляд

    де в / - відносна вологість, / = е / Єв (Т), е = 6,1 гПа.

    На рис. 4 наведені графіки залежності швидкості нуклеації Jв від відносної вологості / в.

    Мал. 4. Залежності швидкості нуклеації Jв від відносної вологості / в

    На графіках наведені результати розрахунків Jв (/ в) при у = 1: криві 1 ... 3 розраховані за виразом (3) при початкових температурах 253, 273, 293К; криві 4 і 5 розраховані за формулою класичної теорії нуклеации (6) при початкових температурах 253, 273К відповідно.

    Розглянувши процес кінетики початку нуклеации можна прийти до висновку, що первинні краплі води утворюються на ядрах конденсації або нуклеации, коли Перес-

    (6)

    щення водяною парою (5) в атмосфері наближається до величин більше 3.0, тобто при відносній вологості, близької до 100%. Надалі за «принципом доміно» зростання крапель відбувається в результаті осадження водяної пари на утворилися раніше краплях води або кристалах льоду, а також при злитті раніше утворюються крапель при взаємному зіткненні під дією гідрофільних змочуючих ефектів. Опір повітряних мас сприяє розподілу частин купчасто-дощових хмар з різних шарів атмосфери і переносу на достатні відстані під дією кавітації, повітряних течій і вітрів [5, 6].

    У зв'язку з модернізацією технічної оснащеності авіації, морського транспорту, інших транспортних засобів, а також збільшенням загальної мобільності населення, вивчення процесів утворення купчасто-дощових хмар є на сьогоднішній день одним з актуальних напрямків. Це пов'язано з тим, що купчасто-дощові хмари несуть цілий комплекс найбільш небезпечних погодних явищ. До таких явищ можна віднести зливові опади, що переходять в град, сильні снігопади і хуртовини, грози, що супроводжуються утворенням блискавок.

    Смерчі на суші, шквали, шторми на морі - це все наслідок процесів конвекції атмосфери і купчасто-дощових хмар. Настільки складні метеорологічні умови часто призводять до висновку повітряної і морської техніки з ладу, часом супроводжуються великим матеріальним втратою і загибеллю людей [6, 7].

    Різниця температур в вертикальних межах розподілу купчасто-дощових хмар призводить до виникнення внутрішніх повітряних потоків, швидкість яких досягає більш 30,0 ... 35,0 м / с призводять до явища турбулентності. Дане явище надзвичайно небезпечно для літальних апаратів, тому що в результаті розбалансі-ровки обладнання може привести до висновку повітряного судна з ладу на висоті під час проведення польоту. Поділ температурних величин при поширенні купчасто-дощової хмари таке, що у верхніх його шарах при конденсації водяної пари на ядрах зародків при нуклеации утворюються кристали льоду, що призводять до обмерзання фюзеляжу літака.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Матвєєв Л.Т. Фізика. СПб. : Гідроми-Теоіздат, 2000. 778 с.

    2. Семенченко Б.А. Фізична метеорологія. М .: Изд-во МГУ, 2002. 416 с.

    3. Бекряев В.І., Крюкова С.В. До питання про гомогенної нуклеації при фазових перетвореннях води в атмосфері // Сучасні проблеми науки, освіти і виробництва. Мат-ли Міжнар. наук.-практ. конф. студентів, аспірантів, фахівців, викладачів і молодих вчених. Н Новгород: НФ УРАО, 2009. Т.2. С. 418-419.

    4. Береснев С.А., Грязін В.І. Фізика атмосферних аерозолів: Курс лекцій. Єкатеринбург: Изд-во Урал. ун-ту, 2008.

    5. Mokshin A.V., Galimzyanov B.N., Barrat J.-L. Extension of Classical Nucleation Theory for Uniformly Sheared Systems // Phys. Rev. E. 2013. V.87. P.062307 (1) -062307 (5).

    6. Lothe J., Pound G.M. Reconsiderations of the nucleation theory // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. P.2080-2085

    7. Анісімов М.П., ​​Вершинін С.Н., Аксьонов А.А., зганяючи А. М., Сьомін Г.Л. Експериментальне визначення швидкості

    спонтанної нуклеации, розміру і складу критичного зародка в пересиченому багатокомпонентному парі // Колоїдний журнал. 1987. С. 842-846.

    REFERENCES

    1. Matveev L.T. Fizika. SPb. : GidromeTe-oizdat, 2000. 778 s.

    2. Semenchenko B.A. Fizicheskaya meteor-ologiya. M .: Izd-vo MGU, 2002. 416 s.

    3. Bekryaev V.I., Kryukova S.V. K voprosu o gomogennoj nukleacii pri fazovyh prev-rashcheniyah vody v atmosfere // Sovremennye probl emy nauki, obrazovaniya i proizvodstva. Mat-ly Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. studen-tov, aspirantov, specialistov, prepodavatelej i mol odyh uchenyh. N Novgorod: NF URAO, 2009. T.2. S. 418-419.

    4. Beresnev S.A., Gryazin V.I. Fizika at-mosfernyh aerozolej: Kurs lekcij. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, 2008.

    5. Mokshin A.V., Galimzyanov B.N., Barrat J.-L. Extension of Classical Nucleation Theory for Uniformly Sheared Systems // Phys. Rev. E. 2013. V.87. P.062307 (1) -062307 (5).

    6. Lothe J., Pound G.M. Reconsiderations of the nucleation theory // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. P. 2080-2085

    7. Anisimov M.P., Vershinin S.N., Aksenov A.A., Sgonnov A. M., Semin G.L. Eksperi-mental'noe opredelenie skorosti spontannoj nukleacii, razmera i sostava kriticheskogo zarodysha v peresyshchennom mnogokompo-nentnom pare // Kolloidnyj zhurnal. 1987. S. 842-846.

    CUMULONIMBUS CLOUDS THEIR FORMATION IN THE ATMOSPHERE

    WITH MATHEMATICAL ANAL YSIS

    Dmitrieva T. V.

    Annotation: this article is devoted to the relevance of studying the formation of cumulonimbus clouds due to the fact that these atmospheric formations can be a source of extreme danger for aircraft, ships, oil and gas producers, especially offshore, etc.the Study of the processes of cavitation and nucleation in the formation of nuclei of condensate from steam can serve as a starting point for subsequent research in modeling and forecasting the formation of cumulonimbus clouds.

    Key words: cumulonimbus clouds, cavitation, condensation, turbulence.

    © Дмитрієва Т.В., 2019

    Дмитрієва Т.В. Купчасто-дощові хмари і їх утворення в шарах атмосфери з математичним аналізом // Вектор геонаук. 2019. Т.2. №3. С. 78-83.

    Dmitrieva T.V., 2019. Cumulonimbus clouds their formation in the atmosphere with mathematical analysis. Vector of Geosciences. 2 (3): 78-83.


    Ключові слова: купчасто-дощові хмари /кавітація /конденсація /турбулентність /cumulonimbus clouds /cavitation /condensation /turbulence

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити