大气中的水汽来自何方?又到那里去?

水、水汽和冰三态及其转换

  水是一种常见的液态物质,当它受热的时候,会变成气体散逸到空气中,这种透明的无色无味的气体叫做水汽,这个由液态水变为气态水汽的过程叫做蒸发。

水、水汽、冰之间转换的物理过程

水、水汽、冰之间转换的物理过程

  当液态水遇冷且温度降到0°C以下时变成固态的冰,这个过程叫做冻结。在某些情况下,水到了0°C以下还保持液态,叫过冷却水,过冷却水在雨、露、霜、雪的形成中也有重要的作用。

  当冰遇热而温度达到O°C以上时会变成水,这个过程叫融化。在某些情况下,冰可以不经过液态而直接变为气态的水汽,这个过程叫做升华。

  当温度高于O°C时,气态的水汽遇冷而变成水,这个过程叫凝结;当温度低于0°C时,水汽遇冷而直接凝聚成冰晶,这个过程叫凝华。

  通过蒸发、冻结、融化、升华、凝结、凝华这些物理过程,可以把地球上的水从这里搬到那里,从一种状态转变到种状态。雨、露、霜、雪就是通过在大气中发生的这些物理过程而产生的。

湿度的月变化和年变化

  在日常生活中,与人们关系最密切的是水汽压和相对湿度,绝对湿度用得较少。

  水汽压的大小与蒸发的快慢有密切关系,而蒸发的快慢在水分供应一定的条件下,主要受温度控制。白天温度高,蒸发快,进入大气的水汽多,水汽压就大;夜间出现相反的情况,基本上由温度决定。每天有一个最高值出现在午后,一个最低值出现在清晨。在海洋上,或在大陆上的冬季,多属于这种情况。但是在大陆上的夏季,水汽压有两个最大值,一个出现在早晨9~10时,另一个出现在21~22时。在9~10时以后,对流发展旺盛,地面蒸发的水汽被上传给上层大气,使下层水汽减少;21~22时以后,对流虽然减弱,但温度已降低,蒸发也就减弱了。与这个最大值对应得是两个最小值,一个最小值发生在清晨日出前温度最低的时候,另一个发生在午后对流最强的时候。

  相对湿度的大小,不但取决于水汽压,还取决于温度。气温升高时,虽然地面蒸发加快,水汽压增大,但这时饱和水汽压随温度升高而增大得更多些,使相对湿度反而减小。同样的道理,在气温降低时,水汽压减小,但是饱和水汽压随温度下降得更多些,使相对湿度反而增大。所以相对湿度在一天中有一个最大值出现在清晨,一个最低值出现在午后。

  水汽压的年变化和气温的年变化相似。最高值出现在7~8月,最低值出现在1~2月。相对湿度因为与水汽压和温度都有关系,年变化情况比较复杂。一般情况下,相对湿度夏季最小,冬季最大。但是在季风气候地区,冬季风来自大陆,水汽特别少,夏季风来自海洋,高温而潮湿,所以相对湿度以冬季最小,而夏季最大。不过湿度的年、日变化,实际上比较复杂。因为除温度以外,各个地方地面干湿不同,蒸发的水分供给有很大差异。对流运动使水汽从下层向上层传输,使低层水汽减少,上层水汽增加,也会影响湿度的日变化。气流的性质也有很大影响,夏季低纬度海洋来的气流高温高湿,冬季高纬度大陆来的气流寒冷而干燥,也会影响湿度的年、日变化。

大气中的水汽来源

  围绕地球的大气层,其主要成分是氮、氢、氧和二氧化碳,另外还有少量的氩、氨、氙、氪、氖、臭氧等气体。除此以外,大气中还含有一些水汽和固体、液体的微粒杂质。

  大气里中水汽并不多,最多时也只占大气的百分之四。我们在日常生活中经常会觉得空气有时比较潮湿,有时却很干燥,就是因为空气中的水汽有时多、有时少的缘故。我们用空气湿度的大小来表示大气中所含水汽多少,该物理量可以通过仪器测量出来。

  由于地心引力的作用,地面附近空气比较稠密,越往高处,空气越稀薄。大部分空气聚集在从地面往上大约十公里的这层大气里,而大气中的水汽则几乎全部聚集在这一层次里。雨、露、霜、雪是由大气中的水汽形成的,所以它们主要产生于大气层的下部。

水循环的过程  

水循环的过程

  大气中的水汽主要来自地球表面。江河湖海中的水,潮湿的土壤,动、植物中的水分,时刻被蒸发到空气中。寒冷地区的冰雪,也在缓慢地升华。这些水汽进入大气后,成云致雨,或凝聚为霜露,然后又返回地面,渗入土壤或流入江河湖海。以后又再蒸发(升华),再凝结(凝华)下降。因此,在自然界里,水分周而复始地循环着,并在循环运动中不断改变着自身的状态。液态的水,可以凝固为固态的冰,也可以蒸发为气态的水汽;气态的水汽可以凝结为液态的云、雾、雨、露,也可以凝华为固态的冰晶、雪、霜;而固态的冰、雪、雹、霜可以融化为液态的水,也可以升华为气态的水汽因而雨、露、霜、雪就是这种水分循环过程中的产物

水汽压的地理分布

  因为纬度、海陆分布、植被性质等等,都能够决定湿度的大小,因此地球表面湿度分布十分复杂,。我们仅仅给出了水汽压的全球分布。

  在冬季,赤道是一个水汽压特别大的地区,水汽压在30百帕以上。赤道带不但有广阔的海洋,即使在大陆上,亚马逊河和扎伊尔河流域广阔的热带雨林,都有极大的蒸发量,从赤道向两极,水汽压很快减少,亚洲东北部减少到接近于零,显然是与气温极低有很大关系。在沙漠地区,特别是撒哈拉沙漠和中亚沙漠,水汽压都很小,都在10百帕以下。

  到北半球的夏季,虽然赤道地区仍是水汽压最大的地带,但是赤道与两极之间的水汽压差别已大大减少。例如,亚洲东北部已增加到10.7百帕,比冬季增大了100倍以上。在沙漠地区也增大到15百帕以上。

大气中水汽的转化

  在一定的温度下,空气中能容纳的水汽量是有限度的。当空气中的水汽量达到这个限度时,叫做"饱和状态",超过这一限度时叫做"过饱和状态"。水汽过饱和时,如果温度高于0°C,多余的水汽会析出凝结成水滴;如果温度低于0°C,多余的水汽会直接凝华为冰晶。

  饱和状态下空气中所能容纳的最大水汽量与温度的高低有很大关系,在同样体积的空气里,温度高时所能容纳的水汽量要比温度低时要大。

  在一般情况下,大气中水汽的过饱和以及水滴和冰晶的形成大都是由空气冷却引起的。因此,空气变冷是大气中发生凝结和凝华过程的主要条件。但是仅仅具备这个条件是不够的,要形成水滴和冰晶,还需要有凝结核。因为空气中如果没有任何杂质,即使已达到过饱和状态,水汽分子也无从依附。水汽分子偶尔相互合并成微小水滴,也会因其很微少而迅速蒸发掉。而凝结核在大气中到处都存在,如盐粒、烟粒、尘埃等。因此,当大气中的水汽达到过饱和时,多余的水汽就以这些微粒为核心凝结(或凝华)成小水滴(或小冰晶),并逐渐增大。大气中的水滴和冰晶就是这样形成的。

湿度与生产活动

  湿度作为一个重要的气象要素,引起人们广泛注意,由于湿度在说明大气水分特征上是不可缺少的,因此在气象观测和气候叙述中,都少不了湿度的观测和描述。但是湿度对工农业生产的直接影响却研究得很少。一般说,相对湿度如果在30%以下,就会加速植物的蒸腾,特别是在高温和风速较大时,农作物就会枯萎甚至死亡。

  低相对湿度也会使地面蒸发加速,使干旱更趋严重,森林火灾在相对湿度小于30%时最容易发生。高相对湿度对于作物发芽,磨菇和木耳生产,发酵工业(酿酒、酱油、豆豉等生产)也十分重要,如果相对湿度低于70%~80%,生产就会受到影响。

  仓库储存需要在适宜的湿度中,一般水果蔬菜是50~70%。湿度太小会加速蒸发,而使水果、蔬菜干枯;湿度太大又会加速霉烂。粮食储存仓库相对湿度最好在50%以下,以防止霉烂。当然,这些数值还随温度而变化。

水汽压和相对湿度

  大气中水汽的含量虽然不多,却是大气中极其活跃的成分,在天气和气候中扮演着重要的角色。大气中的水汽含量有很多种测量方法,日常生活中人们最关心的是水汽压、绝对湿度和相对湿度。

  水汽压(e)是大气压力中水汽的分压力,和气压一样用百帕来度量。以前气压和水汽压常以水银柱的毫米数来测度,1百帕=0.75008毫米水银柱。在一定温度下空气中水汽达到饱和时的分压力,称为饱和水汽压(E)。饱和水汽压随着气温的升高而迅速增加。

  绝对湿度(a)指单位体积湿空气中含有的水汽质量,也就是空气中的水汽密度,单位为克/厘米3或千克/米3。绝对湿度不容易直接测量,实际使用比较少。如果水汽压的单位为百帕,绝对湿度的单位取千克/米3,则两者关系为:

其中T是温度。
相对湿度(f)指空气的水汽压e与同一温度下的饱和水汽压E之比,以百分数表示是:

相对湿度的大小表示空气接近饱和的程度。当f=100%时,表示空气已经达到饱和;未饱和时,f<100%;过饱和时f>100%。相对湿度的大小不仅与大气中水汽含量有关,而且还随气温升高而降低。