Строение, состав, свойства атмосферы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Первой специальной дисциплиной, изучаемой студентами ме­теорологической специальности является "Физика атмосферы океа­на и вод суши" Эта дисциплина имеет фундаментальный характер, так как рассматривает основы научных знаний о наиболее общих закономерностях процессов и явлений, наблюдаемых в атмосфере и гидросфере Земли.

Главной задачей дисциплины "Физика атмосферы, океана и вод суши " является построение достаточно полной физической модели процессов и явлений, имеющих погодообразующее значение. В ней сочетается теоретическое изучение процессов в атмосфере и гидро­сфере с описательным, географическим подходом к их познанию. Для описания физических процессов широко используются законы физики (механики, термодинамики и т.д.), приводится большое число статистически установленных соотношений.

В результате изучения дисциплины студент овладевает зна­ниями о наиболее общих свойствах атмосферы и гидросферы, о за­кономерностях, наблюдаемых в них явлений и процессов, их физи­ко-географической сущности. Это позволяет создать необходимую основу для изучения всех последующих дисциплин. Студент также должен уметь анализировать метеорологические и гидрологические наблюдения, выполнять инженерные расчеты по основным разде­лам дисциплины с использованием современной вычислительной техники.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

По дисциплине "Физика атмосферы, океана и вод суши" на втором курсе предусматривается изучение разделов: Введение. Строение, состав, свойства атмосферы. Статика и термодинамика атмосферы. Лучистая энергия в атмосфере. Тепловой режим по­верхности Земли и атмосферы.

Студент должен выполнить две контрольных работы. Дисцип­лина завершается экзаменом.

Литера тура

1. Матвеев JT.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-750 с.

2. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. - СПб: Гидрометеоиздат, 2000. - 778 с.

 

 

УКАЗАНИЯ ПО РАЗДЕЛАМ

ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ

Введение

Предмет и метод дисциплины, ее место среди других дисциплин, в которых изучается природная среда. Пути решения проблемы взаимодействия человека с окружающей природной средой.

Введение в дисциплину "Физика атмосферы, океана и вод суши" позволит получить общие сведения об историческом пути, прой­денном метеорологией со времен Аристотеля до наших дней. Выяс­ните основные задачи, решаемые этой наукой, и связь ее с другими областями знаний. Определите роль знаний физики атмосферы, океана и вод суши в решении проблем "Человек и окружающая сре­да" и задач народного хозяйства. Знание истории становления и развития метеорологии позволит понять основные тенденции и пер­спективы развития метеорологии, гидрометеорологической службы, охраны атмосферы. Познакомьтесь также с понятием метеорологи­ческих величин и описанием их пространственного изменения.

Литература

[1, 2] -Введение

Вопросы для самопроверки

1. Какие основные задачи решает метеорология?

2. В чем состоит важность метеорологической информации и метеорологических прогнозов для народного хозяйства нашей страны?

3. Каковы пути международного сотрудничества в области метеорологии?

4. Что входит в понятие метеорологическая величина?

5. Что такое поле метеорологических величин, и каковы его характеристики?

6. Какие вы знаете эквискалярные поверхности?

7. Какие барические системы вам известны?

 

 

СТРОЕНИЕ, СОСТАВ, СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ

Общие сведения об атмосфере. Изучите газовый состав атмо­сферного воздуха у земли и на высотах. Важно обратить внимание на то, что только водяной пар при условиях, наблюдаемых в атмо­сфере, может испытывать фазовые переходы, т. е. находиться в ат­мосфере в газообразном, жидком и в твердом состояниях одновре­менно. Рассмотрите, как изменяется состав атмосферы под влияни­ем антропогенных воздействий.

Следует обратить внимание на вводимые понятия основных метеорологических величин, их единицы и размерности. К таким величинам, прежде всего, относятся температура воздуха, имеющая две шкалы измерения: теоретическую Т (в ° Кельвина) и практиче­скую t = Т- 273,15 (в "Цельсия); давление воздуха, измеряемое как в гектопаскалях (гПа), так и в мм ртутного столба (мм рт. ст.). Ука­жем, что давление воздуха имеет размерность силы, отнесенной к единице поверхности (ньютон/м² = 1 Па). Численная связь между всеми используемыми единицами измерения указана в сборнике задач по общей метеорологии [2].

Влажность воздуха имеет несколько гигрометрических харак­теристик. Рассмотрим их.

1) парциальное давление водяного пара е (гПа);

2) давление насыщенного водяного пара Е (гПа) - максимально возможное при данной температуре воздуха С парциальное давле­ние водяного пара, при котором наступает состояние динамическо­го равновесия между фазовыми переходами воды в атмосфере. При е>Е начинается конденсация водяного пара;

3) относительная влажность воздуха f(%):

f = •100%

4) точка росы t_d, т.е. температура, до которой, при неизменном давлении воздуха, нужно понизить температуру воздуха, чтобы со­держащийся в нем пар стал насыщенным, (e = Е); f при этом равно

100%;

5) дефицит насыщения d, т. е. разность Е - е (при f= 100%, оче­видно, d=o,)

6) массовая доля пара S, характеризующая содержание водяно­го пара в единице влажного воздуха, выражается в г/г или в г/ кг, т.е. в промилях (%о),

S= 622 , г/кг; (°/₀о),

7) абсолютная влажность а - количество водяного пара в еди­нице объема воздуха г/м:

а = 2Пе/Т.

Метеорологические величины характеризуют состояние ат­мосферы, они непрерывны и лишь изменяют свое значение. Между тем измерения их проводят в точках наблюдения, на метеорологи­ческих станциях, т.е. получают дискретные значения метеовеличин. В атмосфере можно проследить поля метеовеличин, характеристи­ками которых являются эквискалярные поверхности (поверхности равных значений метеорологических величин). Например, изобари­ческая поверхность - поверхность равных значений давления воз­духа (Р), изотермическая - равных значений температуры (Г) и т.д.).

В любой точке к изоповерхности может быть проведена (в сто­рону убывания исследуемой величины) нормаль п. Градиент вели­чины М есть:

Общие сведения об облаках сведены в таблицу их классов [5]. Следует обратить внимание на принадлежность разных классов обла­ков к различным высотным ярусам и постараться запомнить как рус­ское, так и латинское название облаков и их сокращенную запись.

Строение атмосферы рассматривается чаще по принципу вер­тикального распределения в ней температуры. Необходимо позна­комиться и с другими принципами деления атмосферы на слои (сферы) и с наиболее общими характеристиками этих сфер (измене­ние с высотой плотности воздуха, знака вертикального градиента температуры, концентрации атмосферных ионов и др.).

Важно понять, что в вертикальном направлении атмосфера бо­лее изменчива, чем в горизонтальном.

Рассмотрите вопрос формирования геомагнитного и радиаци­онного поясов Земли.

Уравнение состояния сухого воздуха запишем: Р_с = p_cRT, где Р_с =Р-е - парциальное давление сухого воздуха, р_с - плотность, а R - удельная газовая постоянная сухого воздуха. Обозначим через р„ плотность влажного воздуха. При выводе уравнения состояния для влажного воздуха введено понятие виртуальной температуры T_v = Г(1 +0,608-S) = 7"(l + 0,378e/P). Важно понять формальный смысл введения этой величины, позволяющей приравнивать при Г„ > Т плотность влажного воздуха к плотности сухого (ибо р_в< р_с) и ис-

пользовать T_v для расчета плотности влажного воздуха, удельную газовую постоянную сухого воздуха, т.е.

Р = pT_v R.

К этой же теме относится вопрос о некоторых общих свойст­вах, присущих атмосфере как газовой среде. К ним отнесем ее огра­ниченную сжимаемость, идеальность свойств составляющих ее га­зов, сплошной характер атмосферы как среды, позволяющий широ­ко использовать математический аппарат дифференцирования и интегрирования при ее описании и, наконец, характерный для атмо­сферы турбулентный характер движения воздуха.

По материалам этой темы полезно решить ряд задач по опреде­лению состояния атмосферы.

Задача 1. Найти плотность сухого воздуха при стандартном давлении Р = 1000,0 гПа и температуре 20,0 °С.

Решение. Используем уравнение состояния сухого воздуха: P=pRT, где Р - атмосферное давление (Па); R - удельная газовая постоянная сухого воздуха (Дж/кг • К); Т- температура воздуха (К).

 

Задача 2. Температура воздуха -3,1 °С, показания смоченного тер­мометра аспирационного психрометра -5,5 °С. Давление 1000,0 гПа. Найти по таблицам [3] парциальное давление водяного пара, отно­сительную влажность, дефицит насыщения; вычислить абсолютную влажность и массовую долю водяного пара.

Решение. Используя психрометрические таблицы, определим парциальное давление водяного пара без учета аспирации и при ат­мосферном давлении 1000 гПа:

е,= 2,16гПа.

Найдем по психрометрическим таблицам поправку к е/ для ас­пирационного психрометра при

Р = 1000,0 гПа и t = t_cvx - i_ai = 2,4 °С:

 

=0,33 гПа. Тогда

е = 2,16 + 0,33 = 2,49 гПа.

Используя табл. 2 психрометрических таблиц, по t_cyx = -3,1 °С и е =2,49 гПа находим остальные характеристики влажности:

=51 ,d=2,37гПа;

Задача 3. Найти плотность влажного воздуха при стандартном атмосферном давлении, температуре сухого термометра t = 30,0 °С и температуре смоченного термометра станционного психрометра f = 28,0°С.

Решение. Используя психрометрические таблицы, определим парциальное давление водяного пара е = 36,2 гПа.

Из уравнения состояния влажного воздуха Р = pT_v R получим:

Следует обратить внимание на то, что плотность сухого воз­духа при одинаковых с влажным атмосферном давлении и темпера­туре, равнялась бы:

𝝆=

т.е. при одинаковом атмосферном давлении и температуре плот­ность сухого воздуха всегда немного больше плотности влажного воздуха.

Литература

[1]-Гл. 1,§ 1-5; гл. 23, § 1,2,7.

Вопросы для самопроверки

1. Давление воздуха 1000 гПа. Как перевести эту величину в мм рт. ст.?

2. Дайте определение всех характеристик влажного воздуха.

3. Как пользоваться психрометрической таблицей?

4. Постройте эквискалярную поверхность давления, полный градиент Р и его составляющие по осям х, у, z.

5. Каков газовый состав воздуха у земли?

6. Каков газовый состав воздуха на высотах, больших 100 км?

7. Каков физический смысл величин универсальной и удельной газовой постоянной?

8. Каков физический смысл виртуальной температуры T_v1

9. Как связана плотность влажного воздуха р_ы с температурой t, если водяной

пар насыщен?

10. Каковы основные свойства тропосферы?

11. Каковы основные свойства стратосферы?