水的三种形态及大气中的水汽来源

水

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2023年世界气象日的主题中有“水”，可见水是多么重要。今天我们就说一说水的三种形态及大气中的水汽。
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。
当液态水遇冷且温度降到0 ℃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 ℃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 ℃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 ℃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 ℃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。
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4% 。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十千米的这层大气里，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。
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。
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 ℃，多余的水汽会析出凝结成水滴；如果温度低于0 ℃，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。
【水的三种形态及大气中的水汽来源】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。