Практическая работа 1

Практическая работа 1.

Строение атмосферы Земли. Метеорологические наблюдения и

основные метеорологические величины.

Атмосферой называется газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли.

Воздух, в отличие от воды, сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство). Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10 км, девять десятых - в нижних 20 км. Атмосфера отчетливо расслаивается на концентрические сферы, отличающиеся друг от друга по своим характеристикам. По составу воздуха она подразделяется на гомосферу и гетеросферу. Первая характеризуется однородностью вещественного состава, связанной с постоянным перемешиванием воздуха, вторая - дифференциацией газов по удельному весу и поэтому является неоднородной по вещественному составу.

В зависимости от распределения температуры, атмосфера также подразделяется на несколько концентрических сфер: тропосферу, стратосферу, мезосферу и экзосферу и разделяющих их тропопаузу, стратопаузу и мезопаузу.

Основные метеорологические величины.

Основными величинами, характеризующими физическое состояние газа, в том числе и воздуха, являются его давление, температура и плотность.

Температура (t, T)

Воздух, как и всякое физическое тело, имеет температуру, отличную от абсолютного нуля. В большинстве стран мира температуру воздуха, а также почвы и воды в метеорологии измеряют в единицах СИ, т.е. в градусах Международной температурной шкалы, или шкалы Цельсия (⁰С)

Нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лед, а 100 ⁰С - на температуру кипения воды. Наряду со шкалой Цельсия широко распространена, особенно в теоретических расчетах, шкала Кельвина. Нуль этой шкалы соответствует полному прекращению теплового хаотического движения молекул. В формулах температура по абсолютной шкале обозначается обычно ТК, а температура по Цельсию – t С.

В США, Англии и некоторых странах бывшей Британской империи используют также шкалу Фаренгейта (⁰F). За нуль этой шкалы принята температура смеси снега и нашатыря, а за 100⁰ - нормальная температура человеческого тела. Ранее использовалась также температурная шкала Реомюра (⁰ R ).

Температуру воздуха при стандартных сетевых наблюдениях определяют с точностью до0,1 ⁰, исключение составляет измерение температуры с помощью дистанционной метеорологической станции (ДМС) и регистрация термографом, где точность измерения составляет 1⁰С.

Давление и плотность воздуха.

Атмосферное давление (р) в Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (Па). За единицу давления принимается такое равномерно распределенное давление, при котором на единицу поверхности приходится единица силы. Один паскаль - это давление силой в 1 ньютон (н), приходящееся на площадь в 1 м². В метеорологии до недавнего времени использовалась единица давления, называющаяся миллибаром (мбар), которая представляет давление силой в 10³ дин, приходящееся на 1 см² . Точность измерения давления составляет 0,1 гПа.

На практике часто применяется внесистемная единица давления - 1 мм рт. ст. Давление в 1 мм рт. ст. - это вес столба ртути высотой в 1мм, приходящийся на 1 м² на уровне моря и на широте в 45⁰ . Нормальное давление на этой широта на уровне моря составляет 760 мм рт. ст.

1 мбар = 100 Па =1 гПа, 1 мм рт.ст. = 1, 33 гПа.

Газы сжимаемы, поэтому их плотность меняется в широких пределах в зависимости от давления и температуры. Связь между давлением, температурой и плотностью для идеальных газов устанавливается уравнением состояния газов, известным из физики. Для единицы массы газов его можно записать:

pv = RT (1)

p - давление, v - удельный объем, т.е. объем единицы массы газов, R - удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа, T - температура по абсолютной шкале.

При температурах и давлениях, встречающихся в атмосфере, основные газы, составляющие воздух ведут себя как идеальные. Поэтому уравнение состояния газов с достаточным приближением применимо к сухому воздуху, к водяному пару и к влажному воздуху. В каждом случае будет свое значение удельной газовой постоянной. Так как удельная газовая постоянная смеси газов, которой является воздух, равна средневзвешенной величине удельных газовых постоянных составляющих смесь газов, удельную газовую постоянную сухого воздуха принимают равной R_d 287,05 джоуль/кг*К.

Плотность - это масса в единице объема. В метеорологии плотность воздуха не измеряется, она вычисляется с помощью уравнения состояния газов по измеренным значениям давления р и температуры Т.

Учитывая, что плотность единичной массы газа составляет  = 1/v, уравнение (1) для единицы объема можно записать как:

= p/RT

Зная удельную постоянную сухого воздуха R_d = 287,05 м²/с²*К (или джоуль/кг*К), плотность сухого воздуха определяется:

_d= p/R _dT

Уравнение состояния водяного пара можно представить в следующем виде:

еv=R_nT,

где е – парциальное давление, v –удельный объем, R_n - удельная газовая постоянная водяного пара.

Уравнение состояния газов для влажного воздуха имеет вид

 = р/R_dT_v

т.е. плотность влажного воздуха описывается уравнением состояния сухого воздуха, но только с заменой истинной температуры на виртуальную. Виртуальная температура Т_v ( температура влажного воздуха) - это температура, которую должен был бы иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности данного влажного воздуха с температурой Т, давлением р и давлением водяного пара е.

Т_v = Т(1 + 0,378 е/р)

Виртуальная температура всегда несколько выше истинной температуры, а плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого. Последнее может служить дополнительным фактором, способствующим развитию свободной конвекции в атмосфере.

Метеорологическими величинами, определяемыми на метеостанциях, являются влажность воздуха, скорость ветра, направление ветра, осадки, количество облаков, метеорологическую дальность видимости и продолжительность солнечного сияния. Они характеризуют состояние воздуха, атмосферных процессов и радиационного режима. Точность их измерений определяется наименьшим значением, которое можно определить с уверенностью в правильности получаемых значений (т.е. на основе оценки погрешностей)

Влажность воздуха характеризуемая парциальным давлением водяного пара (е), и выражаемая в тех же единицах, что и атмосферное с точностью до 0,1 гПа.

Относительная влажность воздуха (f) – отношение фактической влажности к влажности насыщения при той же температуре. Вычисляется до целых процентов

Абсолютная влажность воздуха (а) - определяется с точностью до 01г/м³.

Скорость ветра (u) – измеряется с помощью анемометра или анеморумбометра с точностью до 1 м/с и до 0,1 м/с с помощью ручных анемометров.

Направление ветра определяется по анеморубометру в углах геодезического азимута с точностью до 5^0., по флюгеру – с точностью до румба.

Осадки измеряются с точностью до 0,1 мм слоя воды.

Количество облаков определяется в баллах с точностью 1 балла, а в долях единицы – до 0,1.

Метеорологическая дальность видимости оценивается в баллах или километрах (до 0,1 км).

Продолжительность солнечного сияния по гелиографу или иным самописцам определяется с точностью до целых минут.

Солнечная радиация распространяется по всем направлениям в виде электромагнитных волн, характеризующихся длиной волны () и частотой колебаний. Приходящая к земной поверхности солнечная радиация, которую изучает метеорология, имеет длины волн в интервале от сотен микрометров до тысячных долей микрометра (1 мкм = 10^-6 м). Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность или плотность потока радиации, т.е. количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Энергетическая освещенность измеряется в Вт/м² . Это означает, что на 1м² в секунду поступает 1 дж лучистой энергии.

Контрольные вопросы:

1. Какие науки изучают физико-химические процессы в атмосфере?

2. Основные методы исследования в метеорологии.

3. Метеорологические наблюдения. Точность определения метеорологических величин при стационарных наблюдениях.

4. Метеорологические станции, их виды, режим наблюдений и требования, предъявляемые к работе метеостанций. Мониторинг атмосферных процессов.

5. Что такое климат и что такое погода? Что понимается под локальным и глобальным климатом.

6. История исследований атмосферы. Создание первых метеостанций. Метеослужба в России.

7. Всемирная Метеорологическая Организация. Ее роль в изучении климата.

8. Международные программы исследования атмосферы.

Выполните следующие задания:

1. На основе литературных данных построить вертикальный разрез атмосферы Земли. На этом разрезе указать:

• высоты границ всех слоев атмосферы: тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, термосферы, экзосферы и разделяющих их слоев,

• изменения температуры воздуха в различных слоях атмосферы.

В пояснении дать подробное описание вещественного (химического) состава атмосферного воздуха и процессов, происходящих в различных слоях атмосферы.

2. Пользуясь приведенными ниже характеристиками температурных шкал (таблица 1.1), вывести формулы для перевода температуры из ⁰С в ⁰К, а также для перевода температуры в градусы Реомюра и Фаренгейта.

• Найти температуру воздуха в ⁰К и ⁰С, если старинный уличный термометр показывает температуру -32, 0 ⁰R.

• Выразить в ⁰К и ⁰С температуру 0,0; 14,00, 77,0; 122,0 ⁰ F.

3. Выразить нормальное давление в гПа. Вычислить при этом давлении вес и массу столба воздуха с поперечным сечением 1 м², простирающегося от уровня моря до верхней границы атмосферы.

4. Максимальное давление на уровне моря (812,9 мм рт. ст.) наблюдалось 31 декабря 1968 года на ст. Агата (Красноярский край), а минимальное – (641,1 мм рт. ст.) в сентябре 1961 года в тайфуне Нэнси над Тихим океаном. Выразить эти значения в гПа и найти их относительные отклонения от нормального давления.

5. Найти объем 1 г сухого воздуха при температуре 15,4⁰С и давлении 1010,4 гПа.

6. Вычислить массу сухого воздуха, заполняющего помещение объемом 150м³ при температуре 21,7⁰С и давлении 1030,0 гПа. Используя значения массовой доли отдельных газов, найти массы азота, кислорода, аргона и углекислого газа в этом помещении.

(Массовые доли: азота 75,507%, кислорода - 23,145%, аргона - 1,288%, углекислого газа - 0,048%).

7. Вычислить виртуальную температуру (в ⁰С), а также плотность влажного воздуха, если его температура равна 17,5 ⁰С, давление 1000,0гПа и давление водяного пара 9,95 гПа.

Таблица 1.1.

	0К	0С	0R	0F
Температура плавления чистого льда	273,15	0,0	0,0	32,0
Температура кипения воды при нормальном давлении	373,15	100,0	80,0	212,0

3