- •1 Строение и состав атмосферы
- •2 Уравнение состояния атмосферы
- •3 Статика атмосферы. Барометрическая формула.
- •4 Адиабатические процессы в атмосфере
- •5 Турбулентность в атмосфере
- •6 Прямая солнечная радиация
- •7 Рассеянная и поглощенная радиация в атмосфере
- •9 Тепловой баланс земной поверхности
- •10 Тепловой баланс Земли
- •11 Влажность воздуха
- •12 Испарение и насыщение
- •13 Облака
- •14 Осадки
- •15 Барическое поле
- •16 Циклоны и антициклоны
- •20 Атмосферные фронты
- •21 Муссоны и центры действия атмосферы
- •22 Климатообразующие процессы и факторы
- •23 Классификация климатов.
- •24 Изменения климата в геологическом прошлом
- •25 Изменения климата в историческую эпоху
1 Строение и состав атмосферы
Термин “атмосфера” происходит от греческих слов atmos – пар и sphaira – шар, т.е. газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Между основными слоями атмосферы располагаются переходные зоны, называемые паузами.
Тропосфера является самым нижним слоем атмосферы, начинающимся от поверхности Земли. В этой сфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферы. Вся деятельность человека и вся живая природа сосредоточены в пределах тропосферы. На верхней границе тропосферы, простирающейся до высоты от 10 до18 км на различных широтах, атмосферное давление составляет от 1/4 до 1/10 от давления на уровне моря.
Почти вся масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поэтому в ней образуются почти все облака. В этом же слое содержится основная масса аэрозолей, включающих в себя частицы пыли, дыма, солей и т. п., поступающих с земной поверхности. Вся деятельность человека и вся живая природа сосредоточена в тропосфере.
Стратосфера занимает высоты от 8-16 до 45-55 км. Температура воздуха в стратосфере возрастает с высотой. Состав воздуха незначительно отличается от его состава в тропосфере. В этом слое содержится повышенное содержание озона.
Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 20 км и выше. Эта прослойка защищает живую жизнь на земной поверхности от жесткого коротковолнового излучения.
Мезосфера располагается на высоте от 50-55 до 80 км. Температура в этом слое уменьшается с высотой от 0 до –900С на его верхней границе.
В термосфере иногда появляются серебристые облака, наблюдения за которыми позволяют получить сведения о скорости и направлении ветра на этих высотах.
Процентное содержание основных компонентов сухого воздуха практически не меняется в нижних 100 км атмосферы. На высоте от 100 до 310 км основными элементами являются молекулярный азот, молекулярный и атомарный кислород. Верхняя часть термосферы состоит в основном из атомарного азота и кислорода. Выше 600 км основным компонентом является гелий, а на высоте от 2 до 20 тыс км простирается водородная корона Земли.
2 Уравнение состояния атмосферы
Любой газ оказывает воздействие на ограничивающую его поверхность. Модуль силы, действующей на единичную площадку, называется давление. Если выделить некоторый объем воздуха, то снаружи на него будет оказывать давление внешняя часть атмосферы, которое будет уравновешиваться внутренним давлением.
Термодинамическое состояние атмосферы описывается уравнением Клапейрона для идеального газа.
(1.1), где
P – атмосферное давление, V–удельный объем газа, т. е. отношение объема тела к его массе, R – удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа, T – температура по шкале Кельвина.
Атмосферное давление на метеорологических станциях измеряется в гектопаскалях (гПа), 1 Па=1н/м2.Температура воздуха измеряется в градусах Цельсия (0С) и обозначается t. В термодинамических расчетах она переводится в шкалу Кельвина 0К = -273,150С.
Уравнение (1.1) можно записать в виде P = ρ R , где ρ = 1/V – плотность воздуха, ρ = P/R . (1.2). Значение газовой постоянной для сухого воздуха Rd составляет 287.05 Дж/(кг ). В массе воздуха с температурой T, давлением P и давлением водяного пара e можно вычислить его плотность ρ. Влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и водяного пара. Доля сухого воздуха равна P-e. Для сухого воздуха уравнение (1.2) примет вид , где Rd – газовая постоянная для сухого воздуха. Отношение молекулярной массы водяного пара к молекулярной массе сухого воздуха, вычисленное на основе его газового состава равно 0,622. Таким образом для определения массы водяного пара в составе воздуха можно использовать выражение (1.3). Так как общая плотность влажного воздуха равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара, то , откуда , или .(1.4).
Ввиду малости величены отношения , используя известную алгебраическую формулу , уравнение (1.4) можно записать в виде
, (1.5)
поскольку величина пренебрежимо мала по сравнению с единицей, входящей в формулу (1.5), то , обозначив ,
где Tv – виртуальная температура.
В окончательном виде получим (1.6). Выражение 1+0,378 называется виртуальным добавком. Уравнение (1.6) позволяет определить состояние влажного воздуха при помощи уравнения состояния сухого воздуха с заменой истинной температуры на ее виртуальную величину.
Виртуальная температура влажного воздуха есть такая температура, которую должен был бы иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха с температурой T, давлением P и влажностью e. Виртуальная температура всегда несколько выше истинной температуры влажного воздуха.
Из уравнения (1.6) вытекает, что влажный воздух менее плотен, чем сухой при том же давлении и температуре Плотность воздуха с высотой уменьшается.