Шке верхней атмосферы, о метеорологических условиях по
 Скачать 1.82 Mb.
|
|
ионосферой. Происхождение ионосферы связано с корпускулярным и ультрафиолетовым излучениями Солнца. В ионосфере наблюдаются полярные сияния и свечение красного неба, представляющие собой свечение разреженных слоев воздуха под действием ультрафиолетовых лучей и корпускулярного излучения Солнца Под действием магнитного поля Земли корпускулы солнечного света отклоняются в сторону магнитных полюсов. Поэтому полярные сияния наблюдаются, главным образом, в высоких широтах линии: северная оконечность Скандинавского полуострова, БИБЛИОТЕКА КВ^УЛ КРАСНОДАР Южная Исландия, Гренландия, Аляска и северное побережье Сибири, Здесь полярные сияния наблюдаются около 100 раз в году. Отмечены случаи полярных сияний и в более южных широтах. Нижняя граница полярных сияний редко опускается ниже 100-110 км, верхняя граница их колеблется в пределах от 400-600 до 1100-1200 км. Изучение спектров полярных сияний позволило получить представление о составе атмосферы и температурном режиме этих слоев. Сведения о ветровом режиме в термосфере очень незначительны и противоречивы. Радиофизические наблюдения указывают на то, что в этом слое имеются воздушные течения различных направлений, достигающих иногда больших скоростей (до 100- 200 м/с). Экзосфера - слой атмосферы, расположенный выше 800 км над земной поверхностью. Этот слой также называется сферой рассеяния, так как в нем наблюдается диссипация (уход газов из земной атмосферы). Здесь плотность воздуха настолько мала, что молекулы и атомы пролетают огромные расстояния без столкновения. Зона рассеяния не имеет резкой верхней границы и постепенно переходит в межпланетное пространство. 11а основании данных искусственных спутников Земли, верхней границей атмосферы как газовой оболочки Земли можно считать высоты 2000-3000 км. Масса атмосферы 5,27*1015 т, однако 99 % всей массы сосредоточено в нижнем слое до высоты 30-35 км. 11о условиям полета ЛА атмосфера делится на два основных слоя: воздушное пространство - от 0 до 60 км; околоземное пространство - от 60 до 930000 км, которое можно подразделить еще на три слоя: от 60 до 150 км - приземное космическое пространство-, от 150 до 1000 км - ближний космос; от 1000 до 930000 км - дальний космос. Выше этою заканчивается сфера земного притяжения и начинается межпланетное космическое пространство. Состояние реальной атмосферы довольно изменчиво. Такие характеристики, как температура, давление и плотность воздуха, оказывающие влияние на полет самолета, могут значительно меняться в течение суток, года, а также отличаться между собой над различными географическими районами. Все это затрудняет использование указанных данных для расчетов аэродинамических характеристик ВС, сравнения этих характеристик, проведения градуировки пилотажно-навигационных приборов и т.д. Поэтому для расчетов и проектирования ЛА, обработки результатов геофизических и метеорологических наблюдений, приведения результатов испытаний ЛА и их бортовых приборов к одинаковым условиям, применяется стандартная атмосфера. Стандартная атмосфера (СА) - эго условная, гипотетическая, «постоянная» атмосфера, которая отражает сред-, ние значения физических характеристик атмосферы по высотам. СА одинакова для любого времени суток и года и рассматривается в предположении, что воздух представляет собой идеальный газ и основные его параметры на уровне моря имеют определенные общепринятые исходные значения. Для расчета СА используются данные многолетних метеорологических наблюдений в приземном слое, сведения, получаемые путем радиозондирования атмосферы, и результаты измерений с помощью метеорологических ракет за многолетний период. Существуют СА как международные, так и национальные, а также для отдельных географических районов (тропическая, арктическая летняя, арктическая зимняя). В настоящее время используется СА-81, которая по своей структуре и содержанию соответствует международному стандарту и стандарту Международной организации гражданской авиации. В ней физические величины выражены в единицах СИ. СА-81 устанавливает средние значения основных термодинамических параметров атмосферы (температуры, давления, плотности, ускорения свободного падения и скорости звука) в диапазоне от 2000 м ниже уровня моря до высоты 50 км для широты 45°32'33". Эти параметры соответствуют среднему уровню солнечной активности. В ней даются также рекомендации для высот 50-80 км и приводятся справочные данные для высот 80-120 км. Значения всех термодинамических параметров атмосферы даны не только для геометрической, но и для геопотенциальной высоты. Для различных высот физические характеристики при известных значениях температуры воздуха и относительной молекулярной массы рассчитаны по уравнению состояния газов и барометрическим формулам. При этом принято, что температура воздуха в тропосфере понижается с высотой по линейному закону. Ее вертикальный градиент до высоты 11 км равен 0,65 °С/100 м, в нижней стратосфере от 11 до 20 км температура остается постоянной (-56,5 °С), а выше 20 км она растет и достигает -2,5 °С на высоте 50 км. Для уровня моря в СА-81 приняты следующие значения основных физических характеристик и констант: темпера гура воздуха - 15 °С, или 288,15 °К; давление - 760 мм рт. ст. или 101325 Па (1013,25 гПа); плотность воздуха - 1,225 кг/м3; относительная влажность всей атмосферы -0 %; молярная масса Мо - 28,964 кг/моль; газовая постоянная сухого воздуха 287,039 Дж/кг-К; ускорение свободного падения - 9,8066 м/с2; скорость звука равняется 340,294 м/с. В реальной атмосфере распределение температуры, давления, плотности воздуха и других параметров в конкретный момент и в конкретном пункте земного шара всегда в гой или иной степени отличается от СА. В руководствах по летной эксплуатации самолетов и вертолетов все летно эксплуатационные характеристики соответствую! условиям СА. Поэтому при полетах в реальной атмосфере нужно учитывать изменение летно-эксплуатационных характеристик при отклонении фактических значений физических характеристик от значений СА. Это осуществляется приведением летных характеристик к условиям СА. Пример /. Два самолета выполнили полеты на максимальную высоту в различные Они Один самолет достиг высоты 18400 м, другой 17200 м Какой самолет имеет более высокий потолок? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо привести результаты полетов к одним и тем же условиям, т е перейти от реальной атмосферы к стандартной атмосфере. Пример 2 Расчетная максимальная скорость самолета 2500 км/ч. Какую максимальную скорость может развить этот самолет в различные дни (сезоны)? Для ответа на поставленный вопрос необходимо перейти от условий стандартной атмосферы, использованных при проектировании самолета, к реальным условиям, наблюдающимся в различные дни (сезоны). 1.2 Темперазура, влажность воздуха 1.2.1 Метеорологические величины, явления погоды Количественные характеристики, выражающие физическое состояние атмосферы, называют метеорологическими величинами. К основным и наиболее важным метеорологическим величинам относятся: температура, влажность, давление и плотность воздуха; количество, высота и форма облачности; видимость; скорость и направление ветра; интенсивность осадков. Указанные метеовеличины непосредственно измеряются в метеоподразделениях специальными приборами, кроме формы и количества облаков и вида осадков, которые определяются визуально. Качественные характеристики, выражающие физические процессы, происходящие в атмосфере, называются атмосферными явлениями или просто явлениями погоды. Это туман, гроза, метель, шквал, смерч, дождь, снег, гололед, пыльная и песчаная буря, болтанка и обледенение самолета. Совокупность значений метеовеличин и явлений погоды, а также их последовательное изменение за определенный промежуток времени называется погодой. Погода - это процесс, происходящий в значительной толще атмосферы. В наибольшей зависимости от погоды находится авиация. Образование облаков, выпадение осадков, ухудшение видимости, изменение направления и скорости ветра, возникновение гроз, шквалов и других явлений погоды могут так повлиять на полет самолета, что сделают его не только опасным, но даже и невозможным. Ни один полет не может быть выполнен без учета погоды. В более широком смысле под погодой следует понимать атмосферный процесс, характеризующийся совокупностью метеорологических элементов и их изменением. Все метеорологические элементы тесно связаны между собой, и по изменениям одних элементов можно судить о возможных изменениях других. 1.2.2 Температура воздуха. Определение, единицы и приборы измерения Атмосферный воздух является смесью газов. Молекулы в этой смеси находятся в непрерывном движении, называемом тепловым движением. Каждому состоянию газа соответствует определенная скорость движения молекул. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура воздуха. Следовательно, температура характеризует степень нагретости воздуха. Основным источником тепла на Земле является лучистая энергия Солнца, называемая солнечной радиацией. Энергия звезд и планет, достигающая Земли, ничтожно мала, а внутреннее тепло Земли, поступающее на ее поверхность, также мало и в состоянии повысить температуру земной поверхности лишь на 0,1 °С. Основная часть (99,9 %) солнечной радиации является коротковолновой, 14 % ее поглощается атмосферой, 42 % отражается в мировое пространство и только 44 % поглощается земной поверхностью. Нагревание атмосферного воздуха происходит в основном не прямыми солнечными лучами, а тепловой энергией, излучаемой земной поверхностью. Земная поверхность нагревается и, в свою очередь, отдает тепло прилегающим слоям воздуха, но в виде длинноволновой тепловой радиации. Эта передача тепла осуществляется путем четырех основных процессов: термической конвекции; турбулентности; излучения; молекулярной теплопроводности. При передаче тепла посредством термической конвекции более теплые объемы воздуха поднимаются вверх, а менее нагретые опускаются вниз. Происходит перемешивание воздуха и перенос тепла в вертикальном направлении. В результате турбулентности происходит перемешивание воздуха и теплообмен также в вертикальном направлении, но в более мелком масштабе. В результате лучеиспускания почвой длинноволновой радиации это тепло поглощается нижними слоями атмосферы, которые, в свою очередь, нагревают более высокие слои. Воздух имеет очень низкую теплопроводность, поэтому таким образом может нагреваться или охлаждаться только слой толщиной всего в несколько сантиметров. Конвекция и турбулентность создают обмен, вследствие которого тепло переносится от более нагретых слоев воздуха к менее нагретым. Подсчеты показывают, что перенос тепла, обусловленный конвекцией и турбулентностью, играет основную роль в атмосфере. Он в 125 раз больше потока лучеиспускания (излучения) и в 500 тысяч раз больше потока, обусловленного молекулярной теплопроводностью. Характер подстилающей поверхности оказывает большое влияние на температуру воздуха. Подстилающая поверхность суши больше нагревается и больше отдает тепла воздуху, чем водная. Поэтому в теплое время года воздух над сушей оказывается намного теплее, чем над водной поверхностью. Зимой и в ночное время, наоборот, подстилающая поверхность суши выхолаживается больше, чем водная, и воздух над ней холоднее. Сама поверхность материков также неоднородна, на ней чередуются различные типы почв, пустыни и леса, болота и горы, что, естественно, сказывается на прогреве и охлаждении воздуха. Особенно сильно сказывается влияние подстилающей поверхности до высоты 1-1,5 км. Суточный ход температуры воздуха зависит от хода температуры подстилающей поверхности. С восходом Солнца суша нагреваезся до тех пор, пока не установится равновесие между притоком тепла и теплоотдачей, что наблюдается примерно в 15 ч по местному времени. Максимум температуры воздуха несколько запаздывает по сравнению с максимумом температуры подстилающей поверхности. Это объясняется тем, что процесс передачи тепла требует некоторого времени. Минимум температуры воздуха наблюдается одновременно с минимумом на поверхности, перед восходом Солнца. Таким образом, суточный ход температуры воздуха зависит от эффективного излучения, теплообмена в почве и подстилающей поверхности с атмосферой, от испарения. Облака оказывают значительное влияние на суточную амплитуду температуры воздуха. Они сглаживают суточный ход температуры. Для наглядного представления распределения температуры составляют карты. Линии на таких картах, соединяющие пункты с одинаковой температурой называются, изотермами. Среднегодовая температура воздуха в северном полушарии равна 15,3 °С, а в южном - 13,3 °С. Разница объясняется тем, что в северном полушарии суша занимает 39 %, а в южном только 19 % всей площади. В северном полушарии наиболее низкие температуры наблюдаются в районе Верхоянск-Оймякон -- абсолютный минимум достигал -71 °С. Этому способствует орография местности, впадина между хребтами, куда стекает и застаивается холодный воздух. Вторым полюсом холода является Гренландия -55 °С. Самая низкая температура воздуха на земном шаре - 88,3 °С наблюдалась в Антарктиде на научно- исследовательской станции «.Восток», расположенной на высоте 3500 м над уровнем моря. Самые высокие температуры наблюдаются в пустынях жаркого тропического пояса (Сахара, побережье Красного моря, юг Средней Азии, Индостан и т. д.). Так, в Сахаре температура воздуха достигает +58 °С, в Долине смерти (Калифорния) +58 °С, в Средней Азии (Термез) +50 °С. Для количественной характеристики температуры приняты следующие шкалы: стоградусная Цельсия и абсолютная Кельвина. СС = Т°К - 273° ; Т°К = 1°С + 273°. В РФ и большинстве других стран мира принята стоградусная шкала. За основные (реперные) точки в этой шкале приняты: О °С - точка плавления льда и 100 °С - точка кипения воды при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Промежуток между этими точками разбит на 100 равных частей. 1/100 этого промежутка носит название «.один градус Цельсия» - 1°С. Измерение температуры воздуха производится с помощью термометров. Жидкостные термометры - (рабочее тело - ртуть или спирт). При изменении температуры меняется и объем жидкостей, что приводит к понижению или повышению ее в трубке, снабженной шкалой, разбитой на градусы. Точность отсчета до 0,1 °С. Биметаллические термометры - работают на принципе различия коэффициента расширения разнообразных металлов. Точность отсчета до 0,5 °С. Электрические термометры - принцип работы основан на свойствах металлов менять электрическое сопротивление с изменением температуры. Точность отсчета до 0,5 °С. Па метеорологических станциях наблюдения за температурой производятся с помощью жидкостных и электрических термометров. Последние позволяют измерять температуру дистанционно. На метеорологических площадках для устранения влияния прямых солнечных лучей термометры помещают в специальные будки психрометрические, имеющие жаллюз- ные стенки (рисунок 1.2). Температуру приземного слоя воздуха принято измерять на высоте 2 м над поверхностью почвы. Температура воздуха также меняется как по горизонтали (вдоль земной поверхности), так и по вертикали (с подъемом вверх). В первом случае величину изменения температуры характеризует горизонтальный, во втором вертикальный градиент температуры. |