|
|
Лекция 3. Деление атмосферы на слои
Курс «Физика и химия атмосферы»
Лекция №3.
Деление атмосферы на слои
СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АТМОСФЕРЫ
Для количественной характеристики термодинамического состояния атмосферы Земли используют набор различных параметров такой сложной системы как «атмосфера -земная поверхность»: температура, давление, плотность воздуха, содержание различных газов (например водяного пара); скорость и направление ветра; характеристика облаков – балльность (количество), высота и толщина облаков; интенсивность осадков; метерологическая дальность видимости; водность туманов и облаков и т.д. Для климатологов важны также характеристики подстилающей поверхности – температура суши и поверхности океана, влажность почв и др.
К структурным параметрам атмосферы относят, как правило, давление, температуру и плотность воздуха. Эти физические величины связаны двумя соотношениями.
1. Уравнение состояния идеального газа:
 (1)
где р– давление; Т – температура; m – масса;  - молекулярная масса воздуха.
R– универсальная газовая постоянная. Если разделить обе части уравнения (1) на объем V, получим первое соотношение связи структурных параметров
 (2)
где  - плотность воздуха.
2. Уравнение гидростатики:
 (3)
Где  - ускорение свободного падения; z – высота. Из уравнения гидростатики (3) плотность воздуха определяется соотношением:
 (4)
Уравнение состояния для идеального газа можно записать в виде
 (5)
Где n– число молекул в единице объема; k – постоянная Больцмана.
Параметры, определяющие деление атмосферы на слои
Деление атмосферы на слои осуществляется по разным признакам:
Распределение температуры с высотой.
Газовый состав и наличие заряженных частиц.
Характер взаимодействия с земной поверхностью.
Влияние атмосферы на летательные аппараты.
Влияние магнитного поля на состояние атмосферы.
ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Слой Высота Переходный слой
Слой перемешивания 300-500 м
Тропосфера 0 – 11 км Тропопауза
Стратосфера 11 – 50 км Стратопауза
Мезосфера 50 – 90 км Мезопауза
Термосфера Выше 90 км Термопауза
Экзосфера Выше 450 км
ДЕЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ НА СЛОИ ПО ДРУГИМ ПРИЗНАКАМ
По составу воздуха атмосферу подразделяют на гомосферу и гетеросферу. В гомосфере (0-95 км) относительное содержание основных атмосферных газов (азот, кислород, аргон) и молекулярная масса воздуха ( г/моль) очень мало меняется с высотой.
В гетеросфере, выше 95 км, наряду с N2 и O2 появляется в заметных количествах атомарный кислород О за счет процессов диссоциации молекул О2 коротковолновым солнечным излучением. В связи с этим молекулярная масса воздуха в гетеросфере уменьшается с высотой.
По признаку газового состава атмосферы принято также выделять отдельно выделять озоносферу (15 – 55 км), в которой сосредоточена основная масса такого важного атмосферного газа, как озон.
Начиная с 60 км в атмосфере значительно возрастает содержание заряженных частиц (ионов и электронов). Поэтому слои атмосферы выше 60 км называют ионосферой.
БАРОМЕТРИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ
Подставляя плотность в уравнение гидростатики, получим:
Интегрирование этого дифференциального уравнения дает барометрическую формулу.
 }
где p(0) – давление при z=0.
В более простом виде эту формулу можно переписать как
Обозначив  , получим барометрическую формулу.
Для усредненной атмосферы Земли H 8 км. Однако, из-за зависимости величины Нот температуры, она различна для разных широт и сезонов года.
Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты.
Термодинамический процесс называется адиабатическим, если он протекает без теплообмена с окружающей средой. Примером адиабатического процесса в атмосфере может служить расширение газа при его поднятии. При адиабатическом процессе работа против внешних сил давления совершается только за счет внутренней энергии. Для идеальных газов (как сухая, так и влажная атмосфера вдали от насыщения хорошо описывается уравнениями состояния идеального газа) адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением Пуассона:
Где  - давление газа,  - его объем,  - показатель адиабаты. Для идеального газа  . Где  - число степеней свободы молекулы.
 , - теплоемкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объеме.
С учетом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду:
Где  - абсолютная температура газа.
Для двух разных высот тропосферы с давлениями  >  получается:
С учетом того, что давления в атмосфере с высотой падает в соответствии с барометрической формулой, адиабатическое расширение газа при подъеме в атмосфере приводит к падению его температуры с высотой. Это один из механизмов, дающий вклад в наблюдаемое в тропосфере уменьшение температуры с высотой. |
|
|
Скачать 81.5 Kb.