1.3 کلیات

آب گسترده ترین و متحرک ترین عناصر است و نقش بسیار مهمی در کلیه فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی دارد. این ماده به عنوان یک ماده حیاتی برای وجود انسان و همچنین برای رشد اقتصادی و اجتماعی جامعه عمل می کند. در طبیعت آب در سه حالت جمع وجود دارد:

• جامد: برف و یخ؛
• مایع: آب خالص و محلول ها؛
• گازی: بخارهای تحت فشار و اشباع مختلف

تغییر فاز اساساً به دما و فشار و همچنین به میزان آلودگی جو بستگی دارد. آب در جو در این سه حالت تجمع وجود دارد.

2.3 مکانیسم شکل گیری و توسعه بارندگی

1.2.3 روند تراکم

آب در طبیعت در سه حالت تجمع وجود دارد: جامد، مایع و گازی. حالت های تعادل و تبدیل فاز آب به پارامترهای زیر بستگی دارد:

• دمای آب و هوا ؛
• فشار بخار e اندازه گیری شده در بالای آب یا بالای یخ (نقطه شبنم)
• حداکثر فشار بخار E داده شده توسط:  E = 1/2

که در آن: e و e₀ نشان دهنده تنش های جزئی فشارهای مربوطه P₀ و P است.

از آنجا که حداکثر فشار بخار مربوط به حالت تعادل بین بخارات و سطح تبخیری آب یا یخ است، در حالت اول E_a و در حالت دوم E₀ "فشار اشباع" نامیده می شود. کشش اشباع با افزایش دما افزایش می یابد و در همان دما، از یخ کوچکتر از سطح آب است. وابستگی فازهای آب به دما و فشار بخار در شکل 1.3 نشان داده شده است.

شکل 1.3 - مراحل تبدیل آب

می توان متوجه شد که سه فاز آب فقط در یک دما معین (در نقطه ای که نقطه سه گانه نامیده می شود) در تعادل هستند (T = 76.10^-4 °C) و یک کشش بخار خاص (e = 6,1 mb = 4,58 mmHg). در طبیعت روند معکوس تبخیر تبدیل بخار آب به حالت مایع است و "تراکم" نامیده می شود. تبدیل بخارات به طور مستقیم به حالت جامد "تصعید" نامیده می شود.

چگالش بخارات آب از جو به عوامل زیادی بستگی دارد. این عوامل شرایط مناسب فیزیکی و ترمودینامیکی را برای تبدیل فازهای آب تضمین می کنند و آنها عبارتند از:

• خنک کردن هوا تا دمای چگالش؛
• تضمین وضعیت اشباع با بخار آب هوای جوی؛
• حرکات صعودی هوای گرم (پدیده همرفت)؛
• وجود بلورهای یخ؛
• وجود هسته های تراکم.

2.2.3 اندازه طیف ذرات آئروسل

هسته های چگالش ذرات کم حجم مواد رطوبت ساز است که می تواند کریستال های ریز نمک دریا، پودرهای معدنی، صنعتی یا آتشفشانی، قطرات اسیدی باشد. ابرها سیستم های کلوئیدی هستند که از ذرات بسیار ریز (1 تا 20 میکرومتر) تشکیل شده اند و به دلیل تلاطم جوی در حالت تعلیق نگهداری می شوند.

3.2.3 روند Bergeron

طبق نظریه Bergeron، برای تراکم بخار آب و تشکیل قطرات رسوبات جوی، وجود ذرات ابر سرد و یخ در جرم ابر وجود دارد که ذرات کوچک در اطراف آنها تجمع می یابند. این محلات به طور تصادفی درون ابرها حرکت می کنند و با جذب ذرات جدید به طور مداوم حجم (وزن) آنها را افزایش می دهند. هنگامی که به وزنه هایی می رسند که نیروهای نگهدارنده را در توده ابر غلبه می کنند، تحت سرعت نیروی جاذبه با سرعتی بین 0.3 - 8 متر بر ثانیه قرار می گیرند.

در صورت وجود ابرها، اگر دمای هوا مثبت باشد، باران می بارد و اگر منفی باشد، دانه های برف دریافت می کنیم. اندازه قطرات بارش (200 - 5000 میکرومتر) به طول مسیر آنها از طریق ابرها و تلاطم جو بستگی دارد.

4.2.3 فیزیک چگالش و انواع بارندگی

اگر ابری کاملاً خسته باشد، مقدار کمی از بارش که به زمین می رسد را تأمین می کند. با این وجود هر ابر در طول بارندگی از طریق جریان های صعودی هوای گرم پر از بخار آب به طور مداوم احیا می شود. وقتی دمای توده های بزرگ هوا زیر نقطه تراکم کاهش می یابد، بارش رخ می دهد. این امر نمی تواند از طریق خنک سازی ساده هوا به دلیل از دست دادن گرما از طریق تابش در طول شب اتفاق بیفتد، لازم است که توده بزرگی از هوا به ارتفاعات بالاتر برود.

هوایی که از سطح زمین بالا می رود، دچار کاهش دما می شود، حتی اگر انرژی کالری را به سمت خارج از دست ندهد. کاهش دما به دلیل کاهش فشار جو در ارتفاعات است که اجازه می دهد هوای صعودی گسترش یابد.

مولکول های منفرد گاز پراکنده تر هستند و اغلب با هم برخورد نمی کنند، بنابراین گاز دارای دمای معقول کمتری است. اگر تراکم صورت نگیرد، کاهش درجه حرارت (افت آدیاباتیک خشک) برای 100 متر ارتفاع تقریباً 1 درجه سانتیگراد است و با افزایش هوا، 0/0 درجه سانتیگراد برای 100 متر دمای نقطه شبنم کاهش می یابد.

اگر بخار آب از هوا متراکم شود، به دلیل تضعیف جزئی از دست دادن دما از طریق آزاد شدن گرمای نهان در طی فرآیند چگالش، میزان آدیاباتیک کوچکتر است (تقریباً 0/6 درجه سانتیگراد برای 100 متر). به این گرادیان اصلاح شده، گذشتن مرطوب آدیاباتیک (اشباع) گفته می شود. بارش وقتی اتفاق می افتد که هوایی که بالا می رود خیلی سریع در زیر نقطه شبنم خنک می شود به طوری که نه تنها تشکیل ابر بلکه تشکیل باران، برف و تگرگ را نیز تعیین می کند.

بلند شدن توده های عظیم هوا به ارتفاعات می تواند همرفتی، اوروگرافیک، سیکلونیک یا فرونتال باشد. بارش همرفتی از یک سلول همرفت ساده حاصل می شود که فقط یک جریان صعودی هوای گرم است که با سبکتر شدن از هوای اطراف به ارتفاعات بیشتری می رسد (شکل 2.3)

شکل 3.2 - شکل گیری بارش همرفتی

جریان نزولی سردتر و متراکمتر سلول سلول را کامل می کند. محوطه های برهنه به سرعت گرم می شوند و گرمای تابشی را از هوای فوقانی منتقل می کنند. بنابراین هوای بالای یک سطح گرم گرمتر از هوای اطراف است و شروع به بالا آمدن به شکل ستون می کند، به همان روشی که هوای گرم و دود از طریق دودکش بلند می شود. با بالا رفتن هوا، از نظر آدیاباتیک خنک می شود، به طوری که در پایان دمای آن برابر با دمای هوای اطراف است و ثابت می شود.

قبل از رسیدن به این مرحله، هوا می تواند در زیر نقطه شبنم خنک شود. سپس فرآیند چگالش بلافاصله آغاز می شود و ستون هوای صعودی به ابر کومولونیمبوس تبدیل می شود. پایه صفحه آن نشان دهنده نقطه بحرانی است که در آن تراکم اتفاق می افتد. قله با شکل گل کلم قسمت بالایی ستون هوای گرم را نشان می دهد که به لایه های بالاتر جو نفوذ می کند. اگر این ستون همرفت به توسعه ادامه دهد، ابر می تواند تبدیل به توده ای کومولونیمبوس شود که طوفانی است و قادر به تولید یک باران شدید است.

گرم شدن ناهموار خاک عاملی است که باعث ایجاد جریان صعودی خود به خودی می شود و از انرژی کالری پنهان آزاد شده از طریق تراکم بخارات آب تغذیه می شود. برای هر گرم آب تشکیل شده از طریق تراکم 600 کالری آزاد می شود.

هوای ناپایدار، مطلوب برای همرفت خود به خودی که می تواند بارش را به عنوان رعد و برق تعیین کند، اغلب در مناطق گرم و مرطوب، بالاتر از اقیانوس های استوایی و گرمسیری و بالاتر از سرزمینی که آنها را احاطه کرده است، در طول کل سال یا در طول تابستان برای ارتفاعات متوسط ​​یافت می شود.

مکانیسم دوم تولید باران، نوع اوروگرافیک است. بادهای غالب و سایر توده های هوای متحرک را می توان مجبور به گردش در بالای رشته کوه ها کرد. وقتی هوا در امتداد شیب بالا می رود با سرعت آدیاباتیک خنک می شود. اگر خنک کننده کافی باشد، بارش شروع می شود. هوا پس از عبور از خط الراس کوه در شیب مخالف پایین می آید. پس از آن هوا تحت فرآیند گرمایش آدیاباتیک قرار می گیرد و بدون داشتن رطوبت، منبع بسیار خشک می شود. این مناطق می توانند خشک شوند و "در برابر بارندگی محافظت شوند".

Foehn-ul، باد خشک و گرم از اروپا، می تواند تبخیر ناگهانی برف یا رطوبت خاک را تعیین کند. این بادها از ترکیب آشفته لایه های فرومایه و برتر هوا در حاشیه کوه کوه به وجود می آیند. لایه های بالایی که در ابتدا رطوبت کمی دارند، در مسیر رسیدن به لایه های پایین تر، خشک و خشک می شوند و گرم می شوند.

سومین نوع بارش نوع سیکلونیک است. در عرض های جغرافیایی متوسط ​​و زیاد بیشترین میزان بارندگی توسط طوفان های طوفانی یا در مراکز کم فشار در یک حرکت به سمت شرق تولید می شود، جایی که هوا جمع می شود و مجبور به افزایش می شود. بارش سیکلونیک در منطقه تماس بین توده های گرم و سرد هوا وجود دارد. هوای گرم و مرطوب با انرژی بالا می رود و سپس به طور ناگهانی خنک می شود و بنابراین بخارات آب متراکم می شوند و بارش حاصل از آن دارای ویژگی ریزش است.

5.2.3 انواع بارش: شبنم، باران، یخ، برف، تگرگ، مه

هنگامی که تراکم سریع درون ابر وجود داشته باشد، بارش رخ می دهد. باران از تجمع تعداد زیادی قطره کوچک به قطرات بزرگ می آید، بسیار سنگین برای معلق شدن در هوا. این قطره ها می توانند متعاقباً در اثر برخورد با یکدیگر، به قطر 7 میلی متر برسند. بزرگترها ناپایدار هستند و به کوچکترها جدا می شوند. قطره هایی با قطر کوچکتر از 0.5 میلی متر قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره قطره شده (قطره قطره قطره قطره قطره قطره) می کنند.

گراوپل از کره های یخی کوچک حاصل از یخ زدگی باران تشکیل می شود. قطرات باران در لایه های برتر گرم تشکیل شده و سپس در لایه های زیرین سرد قرار می گیرند.

Sleet مخلوطی از باران و برف است.

برف از توده های کریستال یخ تشکیل می شود که مستقیماً از بخار آب موجود در جو در مناطقی که دمای هوا زیر نقطه انجماد است، حاصل می شود. بلورهای یخ، که می توانند بر روی یک سطح سیاه گرفته شده و تحت یک ذره بین قوی بررسی شوند، دارای یک شکل شش ضلعی یا منشوری، با یک دامنه نامحدود از تغییرات متقارن هستند.

تگرگ بارش به شکل گلوله های کوچک یا توده هایی است که معمولاً از لایه های متحدالمرکز یخ پاک و برف جمع و جور تشکیل شده است. این نوع یخ ها معمولاً مات هستند، شفاف نیستند. قطر تگرگ از 0.5 تا 5 سانتی متر متغیر است و می تواند به محصولات و ساختمانهای کوچک آسیب برساند. تگرگ فقط از ابرهای کومولونیمبوس می بارد، به دلیل انفجار شدید در داخل ابرها. قطرات باران در جاهایی که منجمد می شوند در ارتفاعات بالا می روند، سپس دانه های یخ تشکیل می دهند و سپس با عبور از ابر به سمت زمین می افتند. به دلیل انباشت قطرات جدیدی که یخ می زند، گلوله های تگرگ به حالت تعلیق درآمده اند. سرانجام تگرگ از جریان هوا آزاد می شود و به زمین می افتد.

هنگامی که بر روی یک سطح سرد و دمای زیر انجماد باران می بارد، آب به یک لایه یخ نازک و شفاف تبدیل می شود. به این لایه یخ، یخ زدگی لعاب داده شده و پدیده تشکیل را باران با یخ زدگی می گویند. این می تواند به درختان و به ویژه تیرهای تلفن و برق آسیب برساند. جاده ها خطرناک می شوند و رانندگی بسیار دشوار است.

دسترسی به عناوین دیگر محتوای مرتبط با این بخش

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح