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水汽向上运动能否带动低层大气向上运动的验证实验

已有 2677 次阅读 2017-12-29 18:27 |个人分类:归因研究|系统分类:科研笔记| 带动, 水汽向上运动, 低层大气向上运动, 验证实验

水汽向上运动能否带动低层大气向上运动的验证实验


问题的由来:上世纪60年代初期,新疆每年的降水总量约2350亿吨,现在每年的降水总量约3250亿吨,增量高达900亿吨,增幅很大。新疆降水量大幅增加的原因是什么?

据《大气所揭示近50年中国西北地区变湿原因》和《从水汽收支看近五十年中国西北地区的变湿现象》报道:“中国科学院大气物理研究所博士研究生彭冬冬与其导师周天军研究员通过对观测资料的分析,指出自1961年以来中国西北地区夏季降水呈显著增加趋势并主要集中在西北西部;进一步地,他们基于水汽收支诊断分析方法发现,热力因子(水汽变化)和动力因子(环流变化)均对西北变湿有显著正贡献,且前者贡献更大。他们进一步分析了该区域的能量收支并指出,一方面,西北地区到达地表的来自大气的向下长波辐射增加,致使地表获取的向下的净大气辐射通量增加,有利于蒸发增强,因此大气中的水汽含量升高,有利于降水增加;另一方面,近几十年来亚洲夏季副热带西风急流位置发生了显著南移,致使西北地区上空出现正涡度平流异常,引发局地上升运动增强,为降水的增多提供了有利的动力环境。

近几十年来西北上空大气环流发生以上变化、降水动力因子向有利的方面发展,这是偶然事件还是必然事件?必然中有偶然性,偶然中有必然性,近几十年来西北上空大气环流发生以上变化必有原因,只是暂时不知原因是什么?新疆等地蒸发产生的本地水汽大幅增加(由大约年2100亿吨增加到3050亿吨)是不是以上降水动力因子变化(局地上升运动增强)的原因?在撰写《西北降水客观事实归因解释的百家争鸣http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=1458267&do=blog&id=1091966过程中,本人感到水汽向上运动有带动低层大气向上运动的可能,为此想到利用实验证实或者证伪以上认识。


甲乙两个房间都保持气温30,在甲房间采用加湿机或者在乙房间采用抽湿机使甲房间相对湿度比乙房间相对湿度大10%左右。30℃时饱和水汽压为42.5hPa,那么,甲乙两个房间的水汽压差值为4.25hPa。如果两个房间密封比较好,那两个房间大气压的差值也是4.25hPa(其它气体的分气压相等)。

两个房间的水汽压不同,A房间的水汽向B房间扩散,空中水汽沿塑料管通过90度弯头以后就自下向上运动。如果两个房间密封比较好,A点和B点之间大气压的差值为4.25hPa;即使两个房间密封不太好,A点的大气压也比B点的大气压高一点。只要A点的大气压比B点的大气压高一点,空气就会沿着塑料管从A点向B点流动,这算不算水汽向上运动带动低层大气向上运动的铁证


两个房间的剖面图




水汽向上运动能否带动低层大气向上运动的验证实验


1塔中站日平均相对湿度和每日降水的分布图




2 塔中站6~7月晴天室外直径1.5米的水盆日蒸发量的估算

由上图可知,塔中站6~7月晴天相对湿度仅10%左右,再加上夏季气温很高,所以,蒸发能力很强,室外直径1.5米的水盆夏日蒸发量估计在10mm以上。


3 验证装置的设想和相关计算

在塔中站附近室外空旷的地方放一个直径1.5米的水盆,盆中放水,在水盆上面安装一个直径2.5米的园筒,园筒上部慢慢收缩变小,与一个直径0.15米的园管相接(类似于抽油烟机的罩子),如下图所示。园管直径只有水盆直径的10%,园管横截面面积只有水盆横截面面积1%,目的是把通过园管的气流速度放大100倍,以便于测量。目标任务是测量园管中有没有空气流动及其流动速度?以此验证水汽向上运动能不能带动低层大气向上运动?


以下是相关计算:

水盆盛夏晴天日蒸发的水量约150*150*3.1416÷4*1=17671.5克 (按日蒸发量10mm估算)

以上液态水变成标准状态下气态水的体积17671.5÷18*22.4=17.6715*1244.4=21991.2升(1mol液态水变成标准状态下气态水的体积为22.4升,液态水变气态水体积增加1244.4倍)

30℃时饱和水汽压为42.5hPa塔中站6~7月晴天相对湿度仅10%左右,假设罩子下面的水分蒸发致使罩子内部相对湿度由10%增加到20%,那么罩子内部水汽压就由4.25 hPa增加到8.5 hPa,增量为4.25 hPa。设以上标准状态下的气态水变成30℃气态水并使水汽压增量为4.25 hPa的体积为V2,由理想气体方程可知,

V2=P1V1T2/(P2T1)=1013.25*21991.2*303.15/(4.25*273.15)=5818794

以上30℃气态水向上运动的平均流量为5818794÷86400=67.347升/秒

以上气态水通过直径0.15米园管流速67.347÷1000÷(0.15*0.15*3.1416÷4)=3.81米/秒

以上气态水通过直径1.5米园截面的流速为3.81厘米/秒=137米/时=3292米/日

由以上计算可知,液态水变成标准状态的气态水(0℃并且水汽压为1013.25hPa),体积膨胀1244.4倍;标准状态气态水变成30℃气态水并使水汽压增量为4.25 hPa时,体积再次膨胀264.6倍。所以,由液态水变成30气态水并使水汽压增量为4.25 hPa时,体积共膨胀329268倍,近似33万倍。

30℃时,以上水汽的密度增量为17671.5÷(5818794÷1000)=3.037克/ 立方米,以上计算表明,3克液态水蒸发变成水蒸气可使1立方米空气的地面水汽压增加4.25 hPa

如果罩子内部水汽压的增量<4.25 hPa,那水汽的体积更大,流速更大。



4 可能出现的实验结果与分析讨论

水盆上沿C处,液态水蒸发变成气态水,体积增加大约33万倍,致使C处大气压增加,水汽向上运动。很明显,罩子内部的水汽与低层大气混合在一起,园管出口B处流出的气体是水汽含量比自然状况高一些的混合气体。如果园管出口B处的风速在3.81米/秒左右、罩子内部并在水盆上方的气流向上运动的速度在3.81厘米/秒左右,罩子内部各处气体的流向如上图流线所示那样(罩子下沿A点气体流入罩子内部),那说明水汽向上运动确实能带动低层大气向上运动。以上分析讨论有待科学实验的验证。

本文的计算有没有明显不合理或者明显错误的地方?以上验证实验的设想可行吗?您有改进验证实验的建议吗?




水汽向上运动能否带动低层大气向上运动的简易实验(3)

受以上验证实验的启发,拟先做以下简易实验,如果简易实验效果理想,再做以上验证实验

1971~2000年的统计,乌鲁木齐一月室外平均地面水汽压1.9hPa(请参阅《冬湿夏干的乌鲁木齐》http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-899222.html)。没有加湿机工作的室内水汽压(卫生间除外)可能比室外水汽压高一点,但差值估计不会太大,暂按2.0hPa估算。采暖房间室内气温20℃的话,饱和水汽压23.4hPa,按此估算没有加湿机工作的室内相对湿度只有10%左右。在采暖房间,乌鲁木齐一月直径250px左右的水杯每天蒸发的水分深度能不能达到10mm?

1971~2000年的统计,我国北方采暖区其它城市一月室外平均地面水汽压分别为:哈尔滨1.2hPa,长春1.4hPa,沈阳1.7hPa北京2.0hPa太原2.0hPa兰州2.2hPa石家庄2.7hPa天津2.7hPa济南3.2hPa郑州3.6hPa西安3.9hPa,所以,我国北方采暖区其它城市采暖房间的室内相对湿度可能也只有10%左右,这些城市采暖房间一月直径250px左右的水杯每天蒸发的水分深度能不能达到10mm?

把一个大的空的可口可乐瓶或者大的空的雪碧瓶,剪掉瓶底,再在瓶子底部开一些小的三角缺口,就变成了实验的罩子。在罩子内部放水杯(直径小于可口可乐瓶的直径),就满足了实验的装置要求。如果水分蒸发致使可口可乐瓶瓶口有明显的气体流出、瓶底有气体流入,那水汽向上运动带动低层大气向上运动的可能性就很大;反之,可能性就很小。

北方采暖区的各位老师,您能做这个简易的实验吗?

水汽向上运动能否带动低层大气向上运动的验证实验.doc

(本文Word版的下载网址http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c928282510e4d730160f3f0eb231b72




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