FIZYKA CHMUR. Szymon Malinowski. Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Podobne dokumenty
Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Meteorologia i Klimatologia Ćwiczenie IV. Poznań,

Powietrze opisuje się równaniem stanu gazu doskonałego, które łączy ze sobą

CHMURY Największa zagadka zmian klimatu. Szymon Malinowski Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Menu. Badania temperatury i wilgotności atmosfery

Warunki izochoryczno-izotermiczne

3. Przejścia fazowe pomiędzy trzema stanami skupienia materii:

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

EFEKT CIEPLARNIANY. Efekt cieplarniany występuje, gdy atmosfera zawiera gazy pochłaniające promieniowanie termiczne (podczerwone).

Podstawy fizyki wykład 6

GEOGRAFIA PROGRAM RAMOWY klasa I GIMNAZJUM

SPOSOBY POSZANOWANIA ENERGII INNOWACJE ENERGETYCZNE W BUDOWNICTWIE

Wydział Elektryczny, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Laboratorium Przetwarzania i Analizy Sygnałów Elektrycznych

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Ćwiczenie 5: Wymiana masy. Nawilżanie powietrza.

Temperatura powietrza. Odchyłki temperatury rzeczywistej od ISA. Temperatura punktu rosy. Widzialność. Widzialność

Wilgotność powietrza

Karta pracy nr 1 1.Rozwiąż rebusy a dowiesz się, w jakich postaciach występuje woda w przyrodzie:

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Budowa atmosfery ziemskiej. Atmosfera składa się z kilku warstw TROPOSFERA STRATOSFERA MEZOSFERA TERMOSFERA EGZOSFERA

Temat: Elementy pogody i przyrządy do ich pomiaru. Konspekt lekcji przyrody dla klasy IV. Dział programowy. Przyroda i jej elementy.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Fizyka Procesów Klimatycznych Wykład 1

Zjawiska fizyczne. Autorzy: Rafał Kowalski kl. 2A

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Przemiany energii w zjawiskach cieplnych. 1/18

Wykład 3. Diagramy fazowe P-v-T dla substancji czystych w trzech stanach. skupienia. skupienia

Gimnazjalny atlas chmur

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

OZNACZENIE WILGOTNOSCI POWIETRZA 1

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

1) Rozmiar atomu to około? Która z odpowiedzi jest nieprawidłowa? a) 0, m b) 10-8 mm c) m d) km e) m f)

ĆWICZENIE 22 WYZNACZANIE CIEPŁA PAROWANIA WODY W TEMPERETATURZE WRZENIA

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Nowoczesne narzędzia obliczeniowe do projektowania i optymalizacji kotłów

Andrzej Jaśkowiak Lotnicza pogoda

Składniki pogody i sposoby ich pomiaru

Równanie gazu doskonałego

K raków 26 ma rca 2011 r.

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

Prowadzący: dr hab. inż. Agnieszka Gubernat (tel. (0 12) ;

ZAMRAŻANIE PODSTAWY CZ.2

Globalne ocieplenie okiem fizyka

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

Opady i osady atmosferyczne. prezentacja autorstwa Małgorzaty Klimiuk

4a. Wilgotność powietrza, chmury

PIONOWA BUDOWA ATMOSFERY

Fizyka chmur i opadów

Termodynamika techniczna i chemiczna, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

Chłodnictwo i klimatyzacja / Kazimierz M. Gutkowski, Dariusz J. Butrymowicz. wyd. 2-1 dodr. (PWN). Warszawa, cop

Spis treści. Przedmowa WPROWADZENIE DO PRZEDMIOTU... 11

I piętro p. 131 A, 138

Czym jest chłodzenie ewaporacyjne?

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Podstawowe obserwacje meteorologiczne Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

WYZNACZANIE CIEPŁA TOPNIENIA LODU METODĄ BILANSU CIEPLNEGO

Kaskadowe urządzenia do skraplania gazów

Laboratorium LAB3. Moduł pomp ciepła, kolektorów słonecznych i hybrydowych układów grzewczych

Plan zajęć. Sorpcyjne Systemy Energetyczne. Adsorpcyjne systemy chłodnicze. Klasyfikacja. Klasyfikacja adsorpcyjnych systemów chłodniczych

Burza jest rezultatem silnych procesów konwekcyjnych, które wiążą się z unoszeniem powietrza i gwałtownym uwalnianiem ciepła kondensacji na dość

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu

Fizyka wczoraj, dziś, jutro. Z naszych lekcji. Astronomia dla każdego. Olimpiady, konkursy, zadania. Czarny kot (i nie tylko) 28 Juliusz Domański

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa


Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

Wstęp do Geofizyki. Hanna Pawłowska Instytut Geofizyki, Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

SPIS TREŚCI ««*» ( # * *»»

WYKŁAD 3 TERMOCHEMIA

Techniki niskotemperaturowe w medycynie

SCENARIUSZ LEKCJI. Temat: Poznajemy składniki pogody temperatura powietrza, opady i osady atmosferyczne, zachmurzenie. Cele:

Zanieczyszczenia pyłowe i gazowe : podstawy obliczenia i sterowania. poziomem emisji / Ryszard Marian Janka. Warszawa, 2014 Spis treści

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Para wodna najczęściej jest produkowana w warunkach stałego ciśnienia.

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

Analiza Parametrów Meteorologicznych

Higrometry Proste pytania i problemy TEMPERATURA POWIETRZA Definicja temperatury powietrza energia cieplna w

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH MIERNICTWO

Badanie zależności temperatury wrzenia cieczy od ciśnienia

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

Śródroczny kurs żeglarza jachtowego 2016/2017

Budowa atmosfery ziemskiej. Atmosfera składa się z kilku warstw TROPOSFERA STRATOSFERA MEZOSFERA TERMOSFERA EGZOSFERA

POLITECHNIKA GDAŃSKA

Spis treści. PRZEDMOWA.. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ.. 13

Konkurs fizyczny - gimnazjum. 2018/2019. Etap rejonowy

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

MIEJSKIE KONKURSY PRZEDMIOTOWE PRZYRODA ROK SZKOLNY 2008/2009 EDYCJA IV. Woda w przyrodzie

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

Chmury obserwowane w atmosferze, zbiorowiska unoszących się w powietrzu cząstek w postaci kropelek wody lub kryształków lodu albo ich mieszaniny.

Spis treści. PRZEDMOWA. 11 WYKAZ WAśNIEJSZYCH OZNACZEŃ. 13 I. POJĘCIA PODSTAWOWE W TERMODYNAMICE. 19

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

2. Chmury i mgły Chmury

RÓWNOWAGA CIECZ PARA W UKŁADZIE DWUSKŁADNIKOWYM

Analiza ekonomiczna chłodzenia bezpośredniego i wyparnego

BILANS CIEPLNY CZYNNIKI ENERGETYCZNE

Transkrypt:

FIZYKA CHMUR Szymon Malinowski Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Czym jest chmura? Chmury są skupiskiem bardzo drobnych (średnica 2-100 mikrometrów) kropelek wody i/lub kryształków lodu. W zależności od składu mówimy o chmurach: ciepłych składających się wyłącznie z kropel wody (ang. warm clouds), lodowych składających się wyłącznie z kryształków lodu (ang. ice clouds) mieszanych zawierających zarówno krople jak i kryształki (ang. mixed phase clouds).

Cząstki chmurowe na różnych wysokościach zabserwowane w warunkach naturalnych przyrządem CPI (Cloud Particle Imager, SPEC Inc.)

Woda w atmosferze domieszka do tzw. powietrza suchego występuje w trzech stanach skupienia - stałym, ciekłym i gazowym. Przejścia pomiędzy tymi stanami mają swoje nazwy i tak - między stanem stałym i ciekłym topnienie i zamarzanie; między stanem ciekłym i gazowym - parowanie i kondensacja; między stanem gazowym a stałym - sublimacja i resublimacja. Chmury powstają zawsze tam, gdzie temperatura powietrza ma niższą wartość niż temperatura punktu rosy, co umożliwia przemianę fazową kondensację obecnej w powietrzu pary wodnej.

Przemiany fazowe wody równowaga faz ciśnienie cząstkowe pary wodnej lód woda hpa para temperatura

Przejścia między stanami skupienia związane są z pobieraniem bądź oddawaniem energii. Przy przejściu fazowym między lodem a wodą (topnienie) pobierane jest ciepło topnienia lub wydzielane ciepło krystalizacji w ilości ok. 334 kj/kg, ciepło parowania/kondensacji wynosi ok. 2,270 kj/kg. Ciepło przemiany fazowej, jest na ogół funkcją temperatury. Jak przebiegają przemiany fazowe wody w atmosferze? Na przykład ocean parując w traci ciepło. Para wodna miesza się z powietrzem, jest unoszona z przepływem. Gdy zajdą warunki do skroplenia, para wodna kondensując do postaci chmury oddaje ciepło atmosferze. Pary nie widać, czasami mówiąc o transporcie pary wodnej w powietrzu tego powodu mówi się o transporcie ciepła utajonego...

MIARY WILGOTNOŚCI Powietrze jest mieszaniną powietrza suchego i pary wodnej, ciśnienie jakie wywiera powietrze to suma ciśnień cząstkowych powietrza suchego i pary wodnej. Masa pary wodnej w jednostce masy powietrza wilgotnego to wilgotność właściwa. Stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej obecnej w powietrzu do maksymalnego ciśnienia pary możliwego w danej temperaturze to wilgotność względna. To maksymalne możliwe ciśnienie nazywa się ciśnieniem nasycenia pary (ciśnieniem pary nasyconej). Gdy zostanie osiągnięte, dodanie więcej pary wodnej nie powoduje wzrostu jej ciśnienia a kondensację nadmiaru wody. Często wilgotność względną wyrażamy w procentach. Przy obniżaniu temperatury, ciśnienie nasycenia pary wodnej spada. Stąd inna miara wilgotności: temperatura punktu rosy, czyli temperatura, w której wystąpi nasycenie powietrza parą wodną.

Wartości prężności pary wodnej nasyconej (hpa) w funkcji temperatury powietrza ( C)

Procesy fizyczne prowadzące do kondensacji pary wodnej obecnej w powietrzu: rozprężanie adiabatyczne (np. w ruchach wstępujących); ochładzanie izobaryczne (radiacyjne, przez przewodnictwo); mieszanie izobaryczne.

Formowanie się chmur wskutek adiabatycznego spadku ciśnienia

Powstawanie chmur wskutek ochładzania izobarycznego (na ogół wskutek wypromieniowania w podczerwieni).

Powstawanie chmur wskutek mieszania izobarycznego dwóch mas powietrza o różnych temperaturach.

Aerozole na nich zachodzi kondensacja.

EFEKT ZAKRZYWIENIA POWIERZCHNI KROPLI INTEPRETACJA MOLEKULARNA

Kondensacja heterogeniczna: : -efekt zakrzywienia powierzchni utrudnia kondensację (podwyższają ciśnienie nasycenia pary) -efekty higroskopowe (sole rozpuszczalne) obniżają ciśnienie nasycenia pary.

Wpływ aerozolu na budowę chmur (rozmiar kropelek) i w konsekwencji na ich własności radiacyjne: tzw. pośrednie efekty aerozolowe - pierwszy (albedo) drugi (czas trwania).

KROPLE CHMUROWE I OPADOWE

Masa typowej kropli deszczu jest MILION razy większa od masy kropli chmurowej powstałej w wyniku kondensacji. Takie krople opadowe mogą powstać tylko w procesie zderzeń I zlewania się kropli (collision coallescence), ale żeby mógł on zajść potrzebne są na początku krople o zróżnicowanych rozmiarach (rożnych prędkościach opadania)!

Powstawanie opadu w chmurze ewolucja rozmiarów kropel w wyniku koalescencji/koagulacji (zderzeń i zlewania się kropli) After Shaw, 2003.

Inny mechanizm powstawania opadu: proces Bergerona (Wegenera, Findeisena)

Wzrost kryształków przez resublimację kosztem parowania przechłodzonych kropelek Wzrost kryształków wskutek zderzeń/wyłapywania przechłodzonych kropelek

Jeszcze inny mechanizm: gigantyczne jądra kondensacji.

Jeszcze inne mechanizmy powstawania opadu związane z turbulencją: preferential concentration, mieszanie jednorodne i niejednorodne.

Mechanizmy opadowe

I co z tego wynika :)

CHMURY I BŁĘKITNA PLANETA http://earthobservatory.nasa.gov/features/bluemarble/

BILANS ENERGII UKŁADU ZIEMIA ATMOSFERA PRZESTRZEŃ KOSMICZNA w okresie 03/2000-05/2004: NIERÓWNOWAGA!!!! chmury i aerozole największa niewiadoma KOSMOS ATMOSFERA POWIERZ -CHNIA ZIEMI Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, and J. Kiehl, 2009: Earth's Global Energy Budget. Bull. Amer. Meteor. Soc., 90, 311 323.

Wymuszanie radiacyjne będące skutkiem zmiany składu atmosfery oraz zmian innych czynników fizycznych od 1750r (www.ipcc.ch)

Jak badamy chmury? Meteo-France Merlin w czasie kampanii BBC-2

NCAR C-130 w czasie kampanii DYCOMS-II

Pomiary na NCAR C-130

Stevens et al., 2005

Kampania pomiarowa badanie mieszania chmur z otoczeniem aerozole POST Physics of Stratocumulus Top, California, 2008 mikrofizyka temperatura, wilgotność, zawartość wody, turbulencja, (jądra kondensacji) krople

CIRPAS Twin-Otter gotowy do startu kampania POST

Termometr UFT-M Uniwersytetu Warszawskiego na Twin-Otter

Przyrządy do pomiarów kropelek i kryształków lodu.

1000Hz data Wlot w warstwę chmur Stratocumulus more blow-up 11m

Komora chmurowa: Tak badamy kropelki i procesy chmurowe w laboratorium. Schemat układu pomiarowego. 1 generator chmury; 2-komora; 3 płaszczyzna światła; 4 laser impulsowy, 5 chmura, 6 - kamera.

Fotografie układu laboratoryjnego.

PIV Particle Imaging Velocimetry Zasada: wykonujemy dwie fotografie w znanym odstępie czau.. Badając przesunięcie wzorów możemy określić prędkość przepływu.

SYMULACJE NUMERYCZNE CHMUR

Równania mechaniki płynów, termodynamiki: prawa zachowania (pędu, energii, masy poszczególnych substancji brak reakcji chemicznych...

SYMULACJE mieszania w małych skalach które obserwujemy z pokładu samolotu i badamy w komorze chmurowej

Symulacja zachmurzenia nad południową polską obliczona na komputerze BlueGene.

PODSUMOWANIE: Chmura to nie obiekt, rzecz a proces fizyczny: zawiesina kropelek i kryształków lodu powiązana skomplikowanymi oddziaływaniami z przepływem wokół, promieniowaniem w atmosferze. Procesy chmurowe obejmują ogromny zakres skal, nie da się zrozumieć chmur patrząc tylko na wybrane skale i oddziaływania. Dopiero dziś, łącząc techniki badań w atmosferze, badań laboratoryjnych, symulacji numerycznych jesteśmy na skraju zrozumienia tego jak działają chmury. Bodenschatz, Malinowski, Shaw, Stratmann., Can we understand clouds without turbulence? Science, 2010.

Dziękuję za uwagę. Patrzmy w niebo w drodze do domu. Tam są chmury...