Лесной насос и тепловая трубка

Наш читатель задал следующие вопросы (см. здесь):

1) Есть такое понятие «тепловая труба». Мне кажется, она вполне применима для описания процессов, происходящих над лесом, если не брать во внимание океан. Может быть можно эту трубу встроить в другую трубу большего размера, которая как раз и будет эмитировать океан. Цель всей этой конструкции – более доступно объяснить процессы, происходящие в атмосфере;
2) Как вы объясняете накопление льда в Гренландии и Антарктиде?
3) Устья больших сибирских рек находятся в тундре, то есть на практически безлесной территории. Она не мешает проникновению ветров с Северного Ледовитого океана? Или сибирские леса большую часть влаги засасывают с Тихого океана?
4) Что сейчас происходит в районе Средней Азии, Афганистана, Пакистана, Индии? Все эти районы или не имеют леса (Средняя Азия, Афганистан), или имеют изреженные леса (Индия). Исчезают ли ледники в горах той части Земли?
5) Как за последние 5-10 лет изменилась концентрация углекислого газа в атмосфере? Продолжает ли она расти?

Тепловая трубка — интересный пример, спасибо читателю. Один конец трубки, в котором находится жидкость, имеет высокую температуру, другой — низкую. Насыщенный пар в теплом конце трубки имеет большее давление, чем в холодном. Создается градиент давления, ускоряющий пар вдоль трубки. Доходя до холодного конца, пар конденсируется. Таким образом, тепло, затраченное на испарение в теплом конце трубке, транспортируется в холодный конец. Сконденсировавшийся пар возвращается затем в виде жидкости обратно в теплый конец, например, просто стекая по стенкам трубки. Высокая теплопроводность такой системы связана именно с наличием градиента давления конденсирующегося газа, который приводит к быстрому перемещению вещества внутри трубки.

Отличие лесного насоса от трубки — наличие в атмосфере неконденсирующихся газов. Важным условием эффективной работы трубки является откачка из нее неконденсирующихся газов, например, азота. Это очевидно, поскольку азот не может двигаться только в одном направлении, исчезая в холодном конце подобно пару. При наличии неконденсирующейся компоненты в трубке возникли бы вихревые движения, затрудняющие одномерный вертикальный перенос.

Таким образом, трубка помогает понять, что могло бы быть в нашей атмосфере, если бы та целиком состояла из одного водяного пара и имела бы отрицательный вертикальный градиент температуры. При условии, что этот градиент был бы достаточно велик по абсолютной величине (а именно, более 1.2 градуса Цельсия на километр), имелись бы непрерывные восходящие потоки пара, и постоянно и повсеместно шел бы дождь.

Наличие неконденсирующейся компоненты (азота, кислорода и проч.) меняет ситуацию. Воздух начинает двигаться по замкнутым траекториям, которые имеют две горизонтальные области (в нижней и верхней части атмосферного столба) плюс область подъема (акцепторная область) и область опускания (донорная). При этом происходит горизонтальный транспорт водяного пара из донорной области в акцепторную. Дождь и облачность становятся не повсеместными, а занимают примерно половину поверхности Земли (это соответствует наблюдениям).

Подобная циркуляция может осуществляться на изотермической поверхности. Поэтому вторую тепловую трубку, как предлагает читатель, пристраивать не нужно.

Важно отметить следующее: в акцепторной области (то есть, над лесом) конденсируется как свой «собственный» пар (который испарился в лесу), так и пар, принесенный с океана. Поэтому локальная конденсация всегда превышает локальное испарение. Разница между ними составляет речной сток. При условии, что донорная и акцепторная области имеют примерно одинаковый размер и примерно одинаковое испарение, нетрудно понять, что испарение над лесом примерно равно речному стоку, а осадки вдвое превышают и испарение, и речной сток. Именно такая ситуация имеет место в Амазонке.

За счет того, что водяной пар испаряется в одном месте (на поверхности океана), а конденсируется в другом (над лесом), возникает горизонтальный градиент давления между лесом и океаном. Отметим, что испарение над лесом не влияет напрямую на величину перепада давления между лесом и морем — по той простой причине, что все, что испарилось в акцепторной области, в ней же и сконденсировалось. Роль локального испарения состоит в поддержании устойчивого направления циркуляции, от моря к лесу, а не наоборот. Мы к этому еще вернемся.

Таким образом, вертикальный перепад парциального давления водяного пара превращается в лесном насосе в перепад полного давления воздуха в горизонтальной плоскости. Это происходит в результате установления приближенного гидростатического равновесия (то есть, когда давление в каждой точке равно весу газа над этой точкой в колонне единичной площади). Чтобы компенсировать недостаток водяного пара вверху, часть сухого воздуха перемещается вверх с поверхности, в результате чего давление в акцепторной области падает у поверхности Земли.

Еще раз остановимся на величине эффекта. При 30 градусах цельсия парциальное давление насыщенного водяного пара составляет порядка 4% от атмосферного давления, т.е. около p_v \sim 4 \times 10^3 Па (1 Па = 1 Дж/м3). При условии, что большая часть водяного пара конденсируется, максимальная скорость u дается выражением \rho u^2/2 = p_v, что при плотности \rho = 1.2 кг/м3 дает максимальную скорость 80 м/c. Скорости, превышающие это значение, которые наблюдаются в ураганах и торнадо, возникают в результате концентрации потенциальной энергии p_v, накопленной в большом объеме, в узкой области.

Резюмируя, лесной насос — не тепловая трубка. Благодаря существованию неконденсирующихся газов и наличию гидростатического равновесия, возникает горизонтальный перепад атмосферного давления между лесом и морем. Эта разница давления существует на изотермической поверхности, в отличие от трубки, где давление падает вдоль той же оси, что и температура.

Мы еще обсудим эту тему и другие вопросы читателя по мере возможности.

Реклама

10 responses to “Лесной насос и тепловая трубка

  1. Спасибо за ответ! Я в общем, конечно, и не хотел сказать, что тепловая труба (пишу «труба», поскольку так в БСЭ) — это полный аналог лесного насоса. Я просто пытался связать то, что мне было известно, с тем, что мне было не известно и пока еще не уложилось в голове. Мы можем вполне предположить ТТ, в которой есть посторонние неконденсирующиеся газы. Да, они будут создавать помехи, но в принципе для понимания процессов это, мне кажется, не столь важно. Мы можем представить себе ТТ, цилиндрическая часть которой не пропускает тепло, а на верхнем торце есть центры конденсации (например иглы) с которых капли «дождя» будут срываться вниз.

    Думаю далее. Нашу первую ТТ мы помещаем в другую, большего размера, нижний торец которой нагревается меньше, чем нижний торец первой. В первой ТТ в стенках выше уровня испаряемой жидкости и выше нижних концов «дождевых» игл сделаны отверстия для соединения с внешней ТТ. Не возникнет ли при этом поток паров жидкости из внешней ТТ во внутреннюю? Результатом такого потока может быть перенос жидкости из внешней ТТ во внутреннюю до уровня самых нижних отверстий нижнего конца ТТ. Возникнет аналог речного стока. Посторонние неконденсирующиеся газы будут средой, осуществляющей перенос паров жидкости. Движущей же силой будет как раз сила испарения. Если моя мысль правильна, то появляется возможность создать физическую модель лесного насоса для демонстрации его работы в лабораторных условиях.

    • Принципиальное отличие тепловой трубки от лесного насоса состоит в следующем. В тепловой трубке градиент температуры вдоль трубки поддерживается искусственно. Необходимо отводить тепло, выделяющееся при конденсации пара. Поэтому характеристики трубки и скорость вещества в ней определяются в конечном счете техническими возможностями по поддержанию градиента температуры. Чтобы увеличить скорость движения пара по трубке, нужно увеличить скорость оттока тепла от холодного конца трубки. Если этого не сделать, то увеличение скорости потока вещества приведет к уменьшению градиента температуры вдоль трубки.

      Принципиально иная ситуация имеет место для циркуляции лесного насоса. Охлаждение газа происходит просто за счет его подъема и разрежения в гравитационном поле. Таким образом, существует положительная (а не отрицательная) обратная связь между вертикальной скоростью объема газа, скоростью его охлаждения и, следовательно, конденсации. Именно в этой положительной обратной связи состоит суть физики лесного насоса.

      Поскольку обусловленное гравитацией падение температуры газа очень мало, 4-10 градусов Цельсия на километр (в зависимости от содержания водяного пара), то лабораторные исследования циркуляции, вызываемой конденсацией, должны быть очень точными.

  2. Что это за формула?
    давл пара/давл = скорость^2/2 ?

    как им образом испарение и немедленная здесь же конденсация могут вообще на что-то влиять?

    • Уточните, пожалуйста, какую формулу Вы имеете в виду. Для написания формул в wordpress можно использовать Latex. Как это делать, на английском языке описано здесь — http://en.support.wordpress.com/latex/
      Кратко, после знака $ сразу без пробела пишется слово latex, затем пробел, затем собственно формула, затем закрывающий знак $.

      каким образом испарение и немедленная здесь же конденсация могут вообще на что-то влиять?
      Градиент давления воздуха возникает именно по причине того, что влага, испарившаяся в одном месте (например, над морем), конденсируется в другом (например, над лесом). Если это не ответ на Ваш вопрос, уточните, пожалуйста, Ваш вопрос с привязкой к тексту поста.

  3. 2) Как вы объясняете накопление льда в Гренландии и Антарктиде?

    Проблема обводнения суши связана с тем, что если нет атмосферного притока влаги, вся жидкая вода очень быстро стекает в океан, подчиняясь законам гравитации. Твердый лед «стекает» на порядки медленнее, чем вода. Поэтому накопление льда, в отличие от жидкой воды, может быть обусловлено ничтожными воздушными потоками. Помимо этого, при низких температурах содержание водяного пара надо льдом очень мало, поэтому даже очень сильные ветра, направленные с суши на океан и уносящие испарившийся с ледников пар, не могут существенно изменить состояние ледников.

  4. Спасибо за интересную статью! 🙂

  5. Уважаемые читатели блога.Ниже приводится переписка между Анастасией Макарьевой, Виктором Горшковым и Сергеем. Авторы блога считают, что высказаные в переписке мысли будут интересны и всем читателям

    Уважаемый Сергей!
    Спасибо за Ваше письмо и интерес к нашей работе.
    У нас появились некоторые соображения по организации эксперимента на основе идеи тепловой трубки. В литературе имеется ряд работ , в которых показано, что в одномерном случае присутствие неконденсирующегося газа в трубке очень сильно замедляет или даже вовсе прекращает движение пара от горячего к холодному концу трубки. Это очевидно: неконденсирующийся газ скапливается в зоне пониженного давления пар и нивелирует общий градиент давления.

    В атмосфере этого не происходит, поскольку поверхность конденсации не является поверхностью, прекращающей движение. Конденсация происходит на мелких каплях, расположенных равномерно по всему объему. То есть, поверхность конденсации не совпадает с верхней плоскостью циркуляции (высшей точкой подъема). Может быть, это свойство можно было бы воспроизвести в эксперименте, расположив над горячей жидкостью холодную решетку (или другое холодное тело), не закрывающее все пространство по горизонтали.

    _____________верхняя крышка

    — — — — — — холодная решетка

    пар + воздух

    —————— горячая жидкость_
    ____________нижняя крышка

    При этом конденсация происходила бы на решетке, создавался бы градиент давления, но поток воздуха по инерции миновал бы холодное тело и тормозился бы у верхней крышки. При этом могли бы создаться конвективные ячейки, где воздух опускался бы вниз рядом с решеткой.

    Если у Вас или Ваших коллег возникнет интерес к этому (или любому другому) аспекту физики лесного насоса, пишите, мы будем рады.
    С уважением, Виктор и Анастасия

    Дорогие Виктор и Анастасия.
    В предлагаемом Вами эксперименте, насколько я понял, стоит задача обнаружить потоки воздуха, генерируемые посредством конденсации. При вертикальном градиенте температур, как на Вашем рисунке, качественно отличить эти потоки от конвективных можно было бы по более низкому порогу их возникновения — порядка 10Е-3 град/м, исходя из Ваших расчетов. Как это сделать в лабораторных условиях — серьезный вопрос. При бОльших градиентах, когда работают и конвекция и конденсация, доказательство существования конденсационного механизма генерации потоков воздуха будет связано с весьма тонким разделением влияния на потоки конвекции и конденсации. Я не специалист в этой области, но мне кажется — это не простая задача.

    Судя по Вашим соображениям по проведению эксперимента, мне кажется, Вам будут интересны опыты, проведенные мною на кухне.

    Я полагал, существенно прояснить ситуацию в эксперименте могло бы изменение направления градиента температур с вертикального на горизонтальный, что привело бы к исключению из рассмотрения конвективных потоков, и к возможности приложения температурных градиентов в тысячи раз больших. Ниже приведу описание одного из опытов.
    Металлический тонкостенный сосуд объемом 1 литр, на половину заполнен горячей, почти кипящей водой, закрыт крышкой. Чуть выше уровня воды в боковых стенках сосуда два отверстия напротив друг друга, в них герметично вставлены железные трубки, внутренним диаметром 2,5см, длиной 15см, между торцами трубок около 10см, . Одна из трубок, положим левая, охлаждается смесью воды и снега, другая при температуре воздуха. Наблюдения за потоками воздуха велись по струйкам дыма от сигареты около внешних торцов трубок, а также по пропеллерам из фольги, начинающие вращаться при скорости потока порядка 1см/c.

    Предполагалось, что конденсация пара на холодной трубке приведет к понижению давления воздуха и возникноению потока воздуха справа налево. Этого не произошло. Не помогало и начальное принудительное вдувание воздуха в этом направлении.
    Никакого направленного движения воздуха выявлено не было. Опыт натолкнул на такие размышления:

    Во-первых, можно попробовать избавится от конвективных потоков в невесомости (открытую воду можно заменить на пропитанную водой губку) и там провести Ваш эксперимент. В качестве первого шага, выполнить такой простой опыт: в невесомости к шарику с теплой водой поднести на некотором расстоянии холодный предмет с температурой ниже точки росы, не будет ли шарик к нему притягиваться?

    Во-вторых, в гипотезе бионасоса Вы исходите из общеизвестного уравнения где, давление воздуха на любой высоте равно весу столба воздуха выше. Как только водный газ конденсируется вследствие температурного градиента, он выпадает из газового состава воздуха и веса его столба , то есть вес уменьшается, упругость пара превышает давление столба – насос заработал. Однако мельчайшие капельки воды, или туман, или облака продолжают висеть в воздухе сутками. Полный вес столба воздуха не изменился после конденсации, «ро же аш» осталось прежним, а значит нет и понижения давления вследствие конденсации, нет и насоса. Противоречие. Как Вы его можете объяснить?

    В-третьих, если конденсация не меняет веса столба воздуха, а лишь перераспределяет его по компонентам, то не меняется соответственно атмосферное давление до появления первых крупных капель дождя, который разгружает воздушный столб. Тогда может быть дождь – причина понижения атмосферного давления в циклонах, а не наоборот, как пишут в учебниках?
    С уважением Сергей.

    Здравствуйте, Сергей! Спасибо за Ваше письмо.

    1. По поводу эксперимента.

    Конденсационная циркуляция включает две области: область, где происходит конденсация, и область, где конденсации не происходит. Конденсационный градиент давления служит мотором этой циркуляции: его мощности должно хватать на обеспечение перемещения сухого воздуха в области, где конденсации нет. В атмосфере эта область расположена на высоте нескольких километров, где воздух движется по инерции за счет кинетической энергии, накопленной в области конденсации.

    Вообще если мы рассматриваем движение по замкнутой траектории, в определенной области воздух должен двигаться, замедляясь, из области низкого в область высокого давления. Эта область непосредственно примыкает к области действия мотора (насоса). У пылесоса, например, эта малая по протяженности область расположена между мотором и тем местом, откуда воздух выходит из аппарата, пройдя сквозь фильтр.

    Для обеспечения циркуляции в примере с кастрюлей кинетической энергии воздуха на выходе из холодной левой трубки должно было бы хватать для того, чтобы «протолкнуть» воздух внутрь теплой правой трубки, преодолев сопротивление всего воздуха, расположенного между концами и внутри двух трубок. Если этого не происходит (а этого в описанном опыте происходить не может), то конденсационная циркуляция включиться не может.

    В недавней работе по ураганам (и в новой работе по торнадо (Makarieva, Gorshkov, Nefiodov), которая скоро будет опубликована) мы рассматриваем критическое значение горизонтальной скорости, которое соответствует началу конденсации.

    2. По поводу веса столба.

    Этот вопрос и связанные с ним ошибки в моделях подробно обсуждается в дискуссии нашей последней работы в ACPD, см. ответ Гари Лакманну, стр. С13264-С13266.
    Атмосферный воздух подчиняется закону идеального газа, жидкость — не подчиняется. Поэтому независимо от того,
    продолжает жидкость находиться в атмосферном столбе или нет, давление воздуха на поверхности Земли уменьшается практически сразу же после конденсации (характерное время уменьшения давления воздуха на поверхности равно отношению высоты области конденсации к скорости звука). Характерное время выпадения капель на несколько порядков больше.
    В стационарных и квазистационарных системах типа циклонов скорость конденсации и осадков совпадают, т.е., все, что конденсируется, выпадает в виде дождя. Конденсация является причиной понижения давления в циклонах, ураганах и смерчах.

    Мы согласны с тем, что эксперимент по исследованию конденсационной динамики в лабораторных условиях — нетривиальный.

    Мы думаем, что эти размышления и опыт могут быть интересны многим читателям. Можно было бы рассказать о них в нашем блоге в посте про тепловую трубку.
    С уважением, Виктор и Анастасия.

    Здравствуйте Виктор и Анастасия.
    1. По поводу эксперимента.
    Цитирую:
    «Конденсационная циркуляция включает две области: область, где происходит конденсация, и область, где конденсации не происходит. Конденсационный градиент давления служит мотором этой циркуляции: его мощности должно хватать на обеспечение перемещения сухого воздуха в области, где конденсации нет. В атмосфере эта область расположена на высоте нескольких километров, где воздух движется по инерции за счет кинетической энергии, накопленной в области конденсации.»
    Если по Вашим расчетам средняя скорость потоков порядка 3мм/сек (хотя в некоторых случаях она достигает десятков метров), то не ставит ли под сомнение такая скорость само существование инерционной области, за исключением частных случаев?

    2.По поводу веса столба (спасибо за ссылки на Лакмана ).

    Вы пишите в письме ко мне:
    «Атмосферный воздух подчиняется закону идеального газа, жидкость — не подчиняется»
    В Вашей гипотезе бионасоса одна из компонент (водный газ-пар) атмосферного воздуха постоянно находится вблизи точки росы, где уже не действуют законы идеального газа. Рассмотрение сконденсировавшейся влаги как жидкости, а не как аэрозоли, свободно плавающей в воздухе, приводит к ее игнорированию в расчете Вами плотности воздуха. Мелкие капли тумана находятся в броуновском движении, не падают, а значит, опираются о воздух, то есть оказывают на него давление, которое передается на поверхность Земли. Давление, оказываемое столбом на поверхность Земли, определяется его весом, независимо из чего он сделан- дерева,воздуха, воды или их смеси, если все находится в равновесии. Облака висят сутками, что, как Вы справедливо замечаете, значительно больше характерных времен изменения давления. Поэтому можно говорить об их, а точнее аэрозоли, равновесном состоянии в столбе и конечно нужно учитывать ее в плотности воздуха. Извините за несколько саркастический каламбур, но название дискуссии «почему дует ветер» в нашем случае приводит к дискуссии «почему не падают облака».
    Или такой умозрительный эксперимент, пусть влага конденсируется на некоей высоте не в виде капель, а в виде сплошной пленки, толщина которой соответствует количеству сконденсированой воды. В этом случае давление такого мини столба придется ведь учитывать в полном давлении на поверхности Земли.
    Ааэрозоль в нашем случае нельзя механически (по-дальтоновски) разделить на две составляющие- идеальный газ и воду, они ведь активно взаимодейстуют и это должно отражаться неким третьим членом в основном уравнении между давлением и плотностью.
    С другой стороны при конденсации, как Вы пишите Лакману, уменьшается число частиц и давление должно падать. Но это если температура остается постоянной. Выделение скрытой теплоты при конденсации влияет на энергетический баланс в этой области и, так или иначе, повлияет на температуру. На сколько изменится при этом давление сказать сложно.. Вообще при масштабах областей конденсации порядка десятков и сотен километров , с которыми Вы оперируете, процессы в них уже можно рассматривать адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой, поскольку адиабатический подход к конвективным пузырям применим при характерных размерах порядка десятков метров. У Вас же многокилометровый восходящий поток постоянно отслеживает падающую температуру «за бортом», для чего ему необходимо будет успевать сбрасывать тепловую энергию. Куда? Или в повышение температуры окружающей среды -тогда пропадет отрицательный градиент, или в кинетическую энергию потока- тогда он не успеет отслеживать заданный температурный градиент . В любом случае теплопроводности воздуха явно не хватает.
    Итог подобных размышлений – четыре тезиса , которые, мне кажется, ставят под сомнение жизнеспособность красивой гипотезы существования бионасоса:
    а) Не обосновано применение законов идеального газа для атмосферного воздуха вблизи точки росы
    б) Пренебрегается плотностью водной составляющей аэрозоли, поэтому и «возникают» перепад давления и потоки воздуха вследствии конденсации .
    в)Задание извне температурного градиента как внешнего параметра автоматически ограничивает размеры предполагаемых потоков на уровне не более десятков, сотен метров, не сравнимыми с лесными пространствами на континентах .
    г)На мой взгляд гипотеза существования бионасоса верна в случае незамедлительного выпадения осадков из конденсируемой влаги, то есть в отсутствии аэрозольной фазы. Правда, не знаю бывает ли это в природе.

    За год знакомства с Вашим сайтом я ощутил и свежесть новых идей и некий, надеюсь здоровый скепсис, выраженный выше. Однако баланс положительный, тем более есть надежда, что своим ответом Вы развеете мои сомнения по поводу бионасоса. Поэтому позвольте высказать еще раз Вам благодарность за Ваш сайт, о многом предлагающем задуматься.
    С уважением Сергей.

    • Здравствуйте, Сергей!

      Спасибо за Ваш комментарий и интерес к физике лесного насоса. Будем надеяться, что наше обсуждение заставит задуматься и других читателей.

      Если по Вашим расчетам средняя скорость потоков порядка 3мм/сек (хотя в некоторых случаях она достигает десятков метров), то не ставит ли под сомнение такая скорость само существование инерционной области, за исключением частных случаев?

      3 мм/сек — скорость вертикальной составляющей ветра, которая намного меньше горизонтальной.

      Мелкие капли тумана находятся в броуновском движении, не падают, а значит, опираются о воздух, то есть оказывают на него давление, которое передается на поверхность Земли. Давление, оказываемое столбом на поверхность Земли, определяется его весом, независимо из чего он сделан- дерева,воздуха, воды или их смеси, если все находится в равновесии. Облака висят сутками, что, как Вы справедливо замечаете, значительно больше характерных времен изменения давления. Поэтому можно говорить об их, а точнее аэрозоли, равновесном состоянии в столбе.

      Это неверно. Не существует равновесного состояния капель, взвешенных в неподвижной атмосфере. Под действием гравитации капли и другие макрочастицы падают вниз со скоростью, зависящей от размера капли. (Эта скорость определяется законом Стокса. Мелкие капли падают медленно, крупные — быстро.). Стационарно поддерживаться в атмосфере облачность может только за счет восходящих потоков воздуха.

      но название дискуссии «почему дует ветер» в нашем случае приводит к дискуссии «почему не падают облака».

      Это верно. Облака не падают потому, что существуют восходящие потоки воздуха. Они поддерживают капли в воздухе подобно тому, как струя, бьющая вверх из фонтана, может удерживать мячик. Восходящие потоки вызваны конденсацией водяного пара и связанным с ней падением давления воздуха.

      С другой стороны при конденсации, как Вы пишите Лакману, уменьшается число частиц и давление должно падать. Но это если температура остается постоянной. Выделение скрытой теплоты при конденсации влияет на энергетический баланс в этой области и, так или иначе, повлияет на температуру. На сколько изменится при этом давление сказать сложно..

      При рассмотрении стационарной циркуляции типа циркуляции лесного насоса или пассатной циркуляции или циркуляции урагана в системе отсчета, связанной с вихрем, температура в любой точке остается постоянной. При этом потоки скрытого и явного тепла переходят в тепловое излучение, которое в конечном счете испускается в космос.

      Вообще при масштабах областей конденсации порядка десятков и сотен километров , с которыми Вы оперируете, процессы в них уже можно рассматривать адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой.

      Это неверно. При адиабатическом подъеме влажного воздуха температура падает примерно на 5 К/км, при адиабатическом опускании сухого воздуха — повышается на 9.8 К/км, т.е. изменяетя быстрее, чем при подъеме влажного воздуха. Если бы подъем и опускание происходили адиабатически, при каждом циркуляционном витке (влажный подьем — сухой спуск) воздух бы нагревался, и стационарности бы быть не могло. В реальности, усредненные по большим пространствам потоки явного и скрытого тепла имеют тот же порядок величины, что и чистый восходящий поток теплового излучения у поверхности Земли.

      а) Не обосновано применение законов идеального газа для атмосферного воздуха вблизи точки росы

      Вблизи точки росы находится водяной пар. Для вычисления парциального давления насыщенного водяного пара используется фундаментальный закон Клапейрона-Клаузиуса. Суммарное давление влажного воздуха определяется суммой парциального давления сухого воздуха и парциального давления водяного пара. Обосновывать эти хорошо известные положения не нужно.

      б) Пренебрегается плотностью водной составляющей аэрозоли, поэтому и «возникают» перепад давления и потоки воздуха вследствии конденсации .

      Плотность и давление — разные физические величины. Для давления частиц идеального газа p = NRT = (\rho/M) RT, где M — молярная масса частиц. Как мы объясняем в ответе Лакманну и ранее в ответе Брайану, молярная масса макрочастиц (аэрозолей) эффективно бесконечна, поэтому никакого вклада в давление газа они не дают.

      Давление газа или жидкости является скаляром. Вес капли, отнесенный к единице площади, является вектором, хотя имеет ту же размерность. Складывать эти величины нельзя.

      в)Задание извне температурного градиента как внешнего параметра автоматически ограничивает размеры предполагаемых потоков на уровне не более десятков, сотен метров, не сравнимыми с лесными пространствами на континентах .

      Для этого утверждения нет оснований.

      г)На мой взгляд гипотеза существования бионасоса верна в случае незамедлительного выпадения осадков из конденсируемой влаги, то есть в отсутствии аэрозольной фазы. Правда, не знаю бывает ли это в природе.

      Как мы обсудили выше, присутствие капель не влияет на формирование конденсационного градиента давления влажного воздуха. Капли, как и любые другие макроскопические объекты, присутствующие в воздушном потоке (например, деревья или волны), лишь оказывают сопротивление потоку, который вызывается этим градиентом, т.е., уменьшают скорость ветра при заданном градиенте давления.

  6. Большое спасибо за обстоятельные и убедительные объяснения на мои вопросы. Позвольте задать еще .. Как я понимаю необходимым условием переноса влаги посредством бионасоса является 100% влажность воздуха во всем столбе воздуха от земли до километровых высот, поскольку сила испарения появляется лишь при конденсации влаги,. Визуально это должно выглядеть как туман или низкие цепляющие за деревья облака на тысячекилометровых площадях . Явление не частое у нас в средней полосе.Да и пролетая дважды над тайгой -землю было видно. Отсюда вопрос -может ли принцип бионасоса претендовать на глобальный характер переноса влаги внутрь континентов при столь редко встречающейся 100% влажности воздуха на больших территориях.
    Похоже «сила испарения» эффективно работает внутри облаков где 100% влажность — именно поэтому они так долго живут и не «падают». Под облаком влажность ниже 100% по определению и силы испарения нет, . Таким образом , под облаками (если они не цепляют землю) бионасос не работает?

    • Одна из ключевых физических особенностей лесного насоса состоит в том, что конденсация и испарение происходят с разными скоростями. Конденсация происходит в объеме, ее скорость пропорциональна скорости подъема воздуха, которая может быть сколь угодно высокой. Испарение происходит с поверхности, наполнение атмосферы водяным паром происходит медленно и лимитируется процессами турбулентной диффузии.

      Принципиально невозможно синхронизировать эти различные процессы и сделать функционирование лесного насоса непрерывным (т.е., постоянно висящие облака, из которых идет дождь; ветер, дующий с постоянной скоростью). Можно лишь существенно сгладить флуктуации, вызванные различием в скоростях конденсации и испарения и чередованием процессов быстрой конденсации и медленного испарения. Усредненная по времени работа лесного насоса приводит к появлению стационарного потока влаги с океана на сушу.

      Сведение лесов приводит сначала к возрастанию этих флуктуаций (наводнения/засухи), затем — к опустыниванию. Над ненарушенным лесом флуктуации минимальны.

      . Под облаком влажность ниже 100% по определению и силы испарения нет

      Силы испарения там нет, но подъем воздуха, вызванный конденсационным падением давления, есть. Конденсационный градиент давления приводит к появлению циркуляции воздуха, т.к. воздух — сплошная среда.

Комментировать

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s