CloudSat и парадокс осадков
Решил просчитать по оптимизационной модели АэроГЭС различные конкретные точки на Земле, используя данные NASA со спутника CloudSat и ретроспективного анализа MERRA-2. Для этого мне надо было в первую очередь получить статистику по водности облаков (LWC). Поиск привел к очень интересной дискуссии на форуме NASA, в которой обсуждалось как раз ( Read more... )
Напишу комментарий тут, может быть кто-то ещё прокомментирует.
Допустим если 80 Вт/м2 это энергия на испарение. И 1 тонна за год испаряется. Энергия уходит на превращение жидкости в газ. Но энергия на то, чтобы поднять эту тонну на высоту 2 км примерно в 100 раз меньше, чем энергия на испарение.
То есть энергии для того, чтобы поднять водяной пар на высоту 2 км много не нужно. Вроде она есть в избытке. При этом странность заключается в том, что большая часть воды (больше половины) находится на высоте до 250 метров. То есть почему-то природе выгодно оказывается испарить ещё воды и держать её в состоянии влажности у поверхности. При этом на высоте до 250 м. потенциальная энергия оказывается ещё на порядок меньше, то есть на 3 порядка меньше, чем уходит на испарение.
Интуитивно понятно, что испарённая вода не может просто так сконденсироваться обратно, должно быть некое равновесие тут. Странно (я тут пока рассуждаю без учёта механизмов), что при этом пар не перехватывает достаточно энергии, чтобы подняться вверх. Но допустим.
Небольшая часть пара поднимается достаточно высоко, чтобы сконденсироваться в воду. Это должно отдавать энергию, которая, возможно, нагревает облака, чтобы они не опускались, плюс ещё там происходит куча разных турбулентных процессов.
Тем не менее. По оценке, что облако 1 куб км. это 500 тонн (полграмма жидкой воды на кубометр) и что облаков 60%, получается, что на 510 млн кв. км будет 153 млрд тонн воды. Энергия в ней это примерно 833 млрд. кВт ч (переведем уже из джоулей). Если считать оборот воды 10 дней, то в год получается 30435 млрд кВт ч, что лишь чуть больше мирового потребления электроэнергии в год 22424 млрд кВт ч.
Если так, то получается, что в потенциальную энергию поднятой на большую высоту воды превращается лишь относительно небольшая часть солнечной энергии, которая испаряет воду.
Reply
"Но энергия на то, чтобы поднять эту тонну на высоту 2 км примерно в 100 раз меньше, чем энергия на испарение." Подъем воды в виде пара, грубо говоря, не требует никакой энергии. С точки зрения термодинамики это просто процесс расширения (в данном случае, всплытия более легкого влажного воздуха в область меньших давлений), при котором не тратиться энергия, а наоборот, совершается работа по подъему этой воды. Это аналогично процессу расширения нагретого пара на ТЭС или АЭС в турбине, которое заканчивается конденсацией этого пара в конденсаторе (т.е. в облаке). Завершается этот цикл Ренкина сжатием конденсата в насосе - тут выпадением дождя в область более высокого давления на поверхность земли. При этом эффективность такого цикла грубо оценивется формулой Карно, т.е. разница температур между землей и облаком делить на температуру на поверхности в Кельвинах, грубо для облака на высоте 5 км это ~ 30/300 = 10%. Это и было основой для моих исходных оптимистических оценок.
Анализ спутниковых данных показал, что далеко не вся вода конденсируется в облако на такой максимальной высоте. а реально облака размазаны довольно равномерно по всем высотам (что можно было понять и по анализу суточных графиков аэрологических диаграмм, где разница между точкой росы и температурой все время меняется в течение суток), причем коэффициент заполнения облаками (величина обратная скважности) оказался неожидано низким (всего лишь несколько процентов для каждого уровня высоты). Ранее я на основе массы источников приводил цифру 60-70%, которая, видимо, основана на грубых визуальных оценках из космоса, не учитывающих неравномерность облачности по высоте. Таким образом интегральная эффективность АэроГЭС значительно снижается.
"153 млрд тонн воды" - это примерно в 83 раза меньше, чем общий объем водяного пара в атмосфере, который оценивается в 1.27e15 (и, кстати, именно по нему рассчитывается период пребывания воды в атмосфере в 7-10 дней) - т.е. мы снова упираемся в эту же разницу на порядки между влажностью атмосферы (и соответствующие осадки 1 м в год) и водностью облаков.
Reply
Leave a comment