Pilvien vesipitoisuus

Pilvien vesipitoisuus on pilviväliaineen  tilavuusyksikköön sisältyvän kiinteän ja nestefaasin kosteuden massa . Erottele absoluuttinen vesipitoisuus, joka laskee yksikköpilven tilavuudelle (g/m 3 ) ja ominaisvesipitoisuus, joka vastaa yksikköilmamassaa (g/kg) [1] [2] . Pääsääntöisesti pilvisen ympäristön vesipitoisuus riippuu monista parametreista, eikä se ole vakio edes saman pilven sisällä [3] .

Tämän käsitteen muodollinen määritelmä vastaa kolloidikemiassa käytettyä termiä " painopitoisuus " , mutta perinteinen vesipitoisuuden mittayksikkö eroaa kuusi suuruusluokkaa painopitoisuuden mittayksiköstä [4] .

Pääsääntöisesti pilvisen ympäristön vesipitoisuuden arvioimiseen käytetään antureita, joissa on lämmitetty lanka (Nevzorov-anturit) [5] [6] .

Historia

Tämän parametrin käytännön arvo oli pitkään epävarma, eikä sen mittaamiseen ollut menetelmää. Saksalainen luonnontieteilijä A. Schlagintveit teki ensimmäisen kerran kokeellisen arvion ilmakehän vesipitoisuudesta vuonna 1851 vuoristoisella alueella tiheässä sumussa. Näitä mittauksia pidettiin pitkään ainoina, kunnes vuosisadan vaihteessa ilmestyi uutta tietoa: saksalainen tutkija W. Konrad teki vuonna 1899 pienen määrän mittauksia pilvien vesipitoisuudesta Alpeilla . Toisen maailmansodan jälkeen vesipitoisuutta koskeva tieto alkoi kiinnostaa sovelluskohtaisesti lentokoneiden jäätymisongelmien, VHF -radioaaltojen etenemisen pilvisessä ympäristössä tutkimuksessa, pilviin vaikuttamismenetelmien syntymisen yhteydessä jne. [ 4]

Neuvostoliitossa pilvien vesipitoisuuden kokeellista tutkimusta suorittivat pääasiassa Keski- Aerologisen Observatorion ja Päägeofysiikan observatorion ryhmät [4] . Neuvostoliiton tiedemies V. A. Zaitsev hankki ensimmäisen kerran kokeelliset tiedot kumpupilvien vesipitoisuudesta vuosina 1946-1948 käyttämällä erityisesti suunniteltuja lentolaitteita, joihin kuului lentokoneen vesipitoisuusmittari (SIV) [7] .

Määritelmä

Sekapilven kokonaisvesipitoisuus koostuu kahdesta pääkomponentista. Ensimmäinen termi on nestefaasin vesipitoisuus, joka on nestemäisen kosteuden pitoisuus ilmatilavuusyksikköä kohti. Toinen komponentti on kiinteän faasin vesipitoisuus, eli kiteisen jään kokonaismassa tilavuusyksikkönä. Tätä parametria kutsutaan usein jääpitoisuudeksi [ 3] .

Nestepisaravesipitoisuus

Nestefaasin vesipitoisuuden tiukka määritelmä voidaan ilmaista matemaattisessa muodossa integraalina pilvisen ympäristön tilavuusyksikköä kohti [8] [3] :

missä:

 on hiukkaskokojakauma ,  - veden tiheys, on pudotuksen  säde ,  on pisaroiden kokonaismäärä.

Arvon yläraja vastaa suunnilleen adiabaattista vesipitoisuutta, joka lasketaan partikkeliteorian [9] perusteella . Adiabaattinen vesipitoisuus riippuu paineesta ja lämpötilasta pilven alarajalla ja sen korkeudella [3] .

Kiinteän faasin vesipitoisuus

Kiteisen sameuden tapauksessa vesipitoisuuden määritelmä on seuraavanlainen [3] :

jossa summaus suoritetaan tilavuuden yksikkönä ja on -: nnen jääkiteen massa .

Hyvin usein saatua arvoa kutsutaan pilvisen ympäristön jääpitoisuudeksi [3] .

Yleistä tietoa

Vesipitoisuuden riippuvuus korkeudesta ja ajallinen dynamiikka määräytyvät ilmakehän lämpöenergian ja kosteuden siirtymisprosessien perusteella. Siitä huolimatta tiedetään, että pilviväliaineen vesipitoisuus on herkin ilman lämpötilan muutoksille ja keskimäärin kasvaa lämpötilan mukana. Lisäksi siihen vaikuttavat merkittävästi ilmamassojen pystysuuntaisen liikkeen nopeus ja turbulenttisen vaihdon intensiteetti [10] .

Pääsääntöisesti pilvisen ympäristön vesipitoisuuden muutosalue vaihtelee matalissa negatiivisissa lämpötiloissa g/m 3 :n tuhannesosista positiivisissa lämpötiloissa useisiin kymmenyksiin g/ m3 . Korkeiden ympäristön lämpötilojen ja korkeiden pystynopeusarvojen tapauksessa vesipitoisuus voi nousta useisiin g/m 3 , mikä on tyypillistä cumulonimbus-pilville [11] . Vesipilvissä ilmakuutiometriä kohden on 0,1 - 0,3 grammaa kosteutta, kumpupilvissä vesipitoisuus on hieman korkeampi ja voi vaihdella 0,7 g / m 3 alareunassa 1,8 g / m 3 yläosassa, ja joissakin tapauksissa lähelle 5,0 g/m 3 [12] .

Eri tyyppisten pilvien vesipitoisuuden keskiarvot vuodenajasta riippuen on koottu seuraavaan taulukkoon (g/m3 ) [ 13] :

Kausi pilven muoto
Stratocumulus kerroksittain Nimbostratus Altocumulus Altostratus
Talvi 0.21 0,30 0,23 0.16 0.21
kevät 0.22 0,28 0,33 0.19 0,20
Kesä 0,26 0,35 0,32 0.24 0,42
Syksy 0,28 0,36 0,38 0.24 0,34

Vesipitoisuus määrää sähkömagneettisen säteilyn (radioaaltojen ja valon) vaimennuksen sekä näkyvyyden pilvisessä ympäristössä. Näkyvyyden ja vesipitoisuuden välillä ei ole yksiselitteistä yhteyttä, mutta likimääräinen empiirinen kuvio voidaan esittää seuraavasti [14] :

Vesipitoisuuden ja näkyvyyden suhde
Vesipitoisuus, g/ m3 2.3 0,85 0,48 0,23 0.13 0,085
Näkyvyys, m kolmekymmentä 60 90 150 225 300

Muistiinpanot

  1. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Pilvien vesipitoisuus, s. 85.
  2. ↑ Khromov, Petrosyants, 2001 , Pilvien mikrorakenne ja vesipitoisuus, s. 271.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Mazin, Khrgian, 1989 , Pilvien vesipitoisuus, s. 328.
  4. ↑ 1 2 3 Khrgian, 1961 , Pilvien vesipitoisuus, s. 103.
  5. ↑ RD 52.04.674-2006, 2006 , Suorat mittaukset, s. 12-13.
  6. ↑ Korolev, Strapp, 1998 , s. 1495.
  7. ↑ Matveev, 1984 , Tilastotietoja kerros- ja aaltoilevista pilvistä, s. 474.
  8. ↑ Rogers, 1979 , Pilvien mikrofysikaaliset ominaisuudet, s. 91, 92.
  9. ↑ Rogers, 1979 , Pilvien mikrofysikaaliset ominaisuudet, s. 92.
  10. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Pilvien vesipitoisuus, s. 85, 86.
  11. ↑ Khromov, Mamontova, 1974 , Pilvien vesipitoisuus, s. 86.
  12. ↑ Khromov, Petrosyants, 2001 , Pilvien mikrorakenne ja vesipitoisuus, s. 272.
  13. ↑ Matveev, 1984 , Tilastotietoja kerros- ja aaltoilevista pilvistä, s. 475.
  14. ↑ Stepanenko, 1966 , Mikroradioaaltojen vaimennus ilmakehässä, s. 99.

Kirjallisuus