Фундаментальные аспекты фазовых переходов
Фазовые переходы водяного пара в атмосфере включают переход вещества между тремя агрегатными состояниями: газообразным (водяной пар), жидким (вода) и твёрдым (лёд). Эти переходы сопровождаются либо поглощением, либо выделением скрытой теплоты и играют определяющую роль в термодинамике атмосферы, формировании облаков, осадков и в энергетическом балансе климатической системы.
Основные типы фазовых переходов:
Каждый из этих переходов сопровождается определённым количеством удельной скрытой теплоты, необходимой для изменения фазы без изменения температуры.
Скрытая теплота фазовых переходов:
Роль фазовых переходов в термодинамике атмосферы
Фазовые превращения воды сопровождаются существенным переносом энергии. Например, при испарении воды с поверхности Земли в атмосферу передаётся скрытая теплота, которая затем выделяется при конденсации в облаках, способствуя развитию восходящих движений, особенно в условиях конвекции. Это — один из ключевых механизмов, питающих мезомасштабные и синоптические атмосферные процессы.
Конденсация водяного пара
Процесс конденсации в атмосфере происходит при понижении температуры воздушной массы ниже точки росы. Однако наличие пересыщения (относительной влажности выше 100 %) обычно необходимо для запуска спонтанной (гомогенной) конденсации. В реальной атмосфере конденсация осуществляется на центрах конденсации — мелких аэрозольных частицах (гигроскопических или нерастворимых), таких как сульфаты, морская соль, частицы пыли.
Уравнение Кёльвина показывает зависимость давления насыщения над каплей от её радиуса, демонстрируя, что более мелкие капли труднее конденсируют водяной пар из-за повышенного давления насыщения:
$$ e_r = e_s \cdot \exp\left(\frac{2\sigma}{r \rho_l R T}\right) $$
где er — давление насыщения над каплей радиуса r, σ — поверхностное натяжение, ρl — плотность жидкости, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.
Испарение и высыхание
Испарение воды с подстилающей поверхности, как и испарение капель, требует затрат энергии и приводит к понижению температуры испаряющейся поверхности. Интенсивность испарения определяется дефицитом парциального давления водяного пара, ветром и температурой воздуха.
Процесс испарения влияет на вертикальное распределение влажности, участвует в формировании влажных слоёв в приземной атмосфере и, следовательно, в термическом и влаговом режиме пограничного слоя.
Переохлаждение и замерзание
Жидкая вода может существовать в атмосфере при температурах ниже 0 °C — такое состояние называется переохлажденной водой. Замерзание переохлаждённой капли происходит при наличии центра кристаллизации или спонтанно при значительном переохлаждении (обычно ниже –40 °C). Атмосферные ледяные кристаллы образуются либо при десублимации водяного пара, либо в результате замерзания переохлаждённых капель.
Важное значение имеет различие между точкой росы и точкой инея. Последняя соответствует температуре, при которой начинается десублимация пара в лёд.
Ледяные процессы и формирование кристаллов
Атмосферные процессы в облаках, содержащих как переохлажденные капли, так и ледяные частицы, подчиняются эффекту Вегнера–Берже–Финдеизена: давление насыщения над переохлаждённой жидкостью выше, чем над льдом при той же температуре. Это приводит к росту кристаллов за счёт водяного пара, тогда как капли уменьшаются — важный механизм формирования осадков в холодных облаках.
Десублимация — прямой переход пара в лёд — приводит к образованию снежинок и ледяных кристаллов разнообразной формы, зависящей от температуры и влажности. Наиболее интенсивный рост наблюдается при температурах от –12 до –18 °C.
Энергетические эффекты фазовых переходов
Скрытая теплота, высвобождающаяся при конденсации и замерзании, участвует в поддержании и усилении вертикальных движений в атмосфере, особенно в условиях устойчивой конвекции. Количественно вклад скрытой теплоты в энергетический баланс может быть сравним с тепловыми потоками, поступающими от подстилающей поверхности.
Например, при развитии кучево-дождевых облаков высвобождение скрытой теплоты может поддерживать подъем воздушных масс на десятки километров, способствуя образованию мощных восходящих потоков, гроз и шквалов.
Фазовые переходы в моделях атмосферной динамики
Современные численные модели атмосферы (как глобальные, так и региональные) учитывают фазовые переходы через параметризации облачных процессов, включая:
Эти процессы тесно связаны с микрофизикой облаков и существенно влияют на прогнозируемые характеристики погоды, включая осадки, распределение температуры и облачность.
Квантование фазовых переходов в диаграммах состояния
Визуально фазовые переходы удобно представлять на диаграммах T–q (температура — удельная влажность), T–p (температура — давление) и психрометрических диаграммах, отражающих изменения состояния воздушных масс при адиабатическом подъеме или спуске. Изменение наклона траектории в таких диаграммах указывает на фазовый переход и соответствующее выделение или поглощение теплоты.
Особое значение имеет псевдоадиабатический процесс — подъём насыщенного воздуха с конденсацией и удалением конденсата. При этом температура падает медленнее, чем в случае сухоадиабатического подъёма, из-за выделения скрытой теплоты конденсации.
Фазовые переходы в климатических процессах
Фазовые переходы воды играют критическую роль в глобальной циркуляции атмосферы и климате. Процессы испарения в тропиках и последующей конденсации в зонах подъёма (например, в зоне межтропической конвергенции) обеспечивают перенос энергии от экватора к полюсам. Многолетняя мерзлота, снежный покров и ледяные облака также вовлечены в сложную систему обратных связей климата.
Физика инея, росы и тумана
Образование росы связано с конденсацией водяного пара на охлажденной поверхности при снижении температуры ниже точки росы, но выше 0 °C. При более низких температурах образуется иней — результат десублимации. Туман представляет собой взвесь мельчайших капель воды в приземном слое, возникающую при насыщении воздуха водяным паром и сильном радиационном охлаждении.
Эти процессы, хоть и локальны, являются прямым следствием фазовых переходов и играют важную роль в радиационном балансе и видимости.
Итоговая физическая связь
Фазовые переходы водяного пара являются одним из краеугольных камней физики атмосферы, соединяя микрофизику облаков с крупномасштабными динамическими и климатическими процессами. Они ответственны за трансформацию энергии, образование облаков и осадков, определяют поведение водного цикла и, в конечном счёте, влияют на все уровни атмосферной организации — от турбулентного пограничного слоя до глобальной циркуляции.