Принцип деления атмосферы на слои.

Херсон - 2010

Метеорология

Лекция №1 Состав и строение атмосферы

УДК 656.62.052.4:551.5(075) Кузнецов Ю.М. к.т.н., доцент

кафедры «Судовождение».

План:

1. Введение. Общие положения.

2. Состав и строение атмосферы, принципы деления на слои.

3. Стандартная атмосфера.

4. Методы исследования атмосферы.

Общие положения.

Современные морские суда могут осуществлять плавание в сложных погодных условиях. Тем не менее ветер и волнение, встречные течения и ряд других гидрометеорологических (ГМ) факторов влияют на скорость и путь судов: увеличивается продолжительность перехода возрастает возможность повреждения палубных и трюмных грузов, ухудшаются условия работы и отдыха экипажа.

Поэтому своевременный учет ГМ условий повышает не только безопасность плавания судов, но и эффективность экономических показателей работы флота. Процессы и явления, происходящие в атмосфере и океанах, изучается в науках морская метеорология и океанография.

Морская метеорология – наука, исследующая особенности процессов и явлений, происходящих в атмосфере над океанами и устанавливающая причинные зависимости между ними.

Океанография– наука, изучающая физические и химические свойства воды, закономерности физических и химических процессов и явлений в Мировом океане в их взаимодействии с атмосферой и сушей.

Использование основных положений морской метеорологии и океанографии в мореплавании привело к созданию специальной науки – гидрометеорологическое обеспечение судовождения.

Метеорология - наука, изучающая атмосферные процессы и явления в их взаимодействии с земной поверхностью – сушей и водой.

Изучение человеком атмосферных процессов и явлений началось очень рано. Уже первые мореплаватели и первые земледельцы в древние времена обращали внимание на смену летнего тепла и зимнего холодана изменение ветра, облаков и осадков и на другие явления. Однако как наука метеорология начала развиваться в ХУП веке с изобретением первых приборов для наблюдения за погодой: термометра, дождемера, гигрометра, барометра. В России непрерывные наблюдения за погодой начались в 1726г. Для этого была организованна сеть станций, охватывающая как европейскую часть России, так и Сибирь.

По мере развития метеорологии как науки из нее выделились: динамическая метеорология, аэрология, климатология, а в последние десятилетия – спутниковая метеорология.

Задачей динамической метеорологии является построение на основании законов гидромеханики и термодинамики математических моделей атмосферных процессов.

Синоптической метеорологией называется наука, изучающая закономерности атмосферных процессов и изменений погоды в целях предсказания погоды, т.е. наука о погоде и ее предсказании.

Физика атмосферы изучает физические явления и процессы
. происходящие в атмосфере, такие как поглощение и излучение тепла, нагревание и охлаждение атмосферного воздуха, его движение, испарение и конденсация водяного пара в виде облаков и туманов, разнообразные оптические явления в атмосфере и т.д.

Климатология ставит своей задачей описание и объяснение системы климатов земного шара в тесной их связи с физико-географическими условиями.

Аэрология – наука о процессах, происходящих в свободной атмосфере, и о способах изучения.

Спутниковая метеорология – наука, исследующая поля облачности, осадков, грозовой деятельности, ветра, температуры влажности, газового состава атмосферы и пр. с помощью дистанционных методов зондирования атмосферы из космоса

Газообразная оболочка Земли называется атмосферой: от греческого «атмос» - воздух, «сфайра» - слой, сфера. Под влиянием взаимодействия атмосферы с земной поверхностью и внутренних процессов физическое состояние атмосферы и отдельных ее частей непрерывно изменяется.

Для количественной оценки состояния атмосферы вводится ряд величин, называемые метеорологическими элементами. Это – температура, давление, плотность, и влажность воздуха, скорость ветра, количество, высота, водность, горизонтальная и вертикальная протяженность облаков; интенсивность осадков, метеорологическая дальность видимости и т.д.

Физические процессы, сопровождающиеся резким изменением состояния атмосферы, называются атмосферными явлениями. К ним относят туман, грозу, метель, гололед, иней, пыльные песчаные бури, обледенение, осадки, облака, полярные сияния, град и др.

Состояние атмосферы в определенный момент или промежуток времени, характеризуемое совокупностью метеорологических элементов и атмосферных явлений, называется погодой.

Для характеристики пространственного распределения метеорологических элементов в фиксированный момент времени введено понятие об эквискалярных поверхностях, т.е. таких поверхностях, в каждой точке которых элемент сохраняет постоянную величину.

Уравнение эквискалярной поверхности имеет вид:

F(x, y , z ,t) = c, (1)

где С – постоянная для данной эквискалярной поверхности.

Эквискалярные поверхности давления называются изобарическими поверхностями, температуры – изотермическими, плотности – изопикническими и т.д.

Вектор, направленный по нормали к эквискалярной поверхности в сторону убывания данной величины, называется градиентом.

По величине (модулю) градиент равен пределу отношения приращения метеоэлемента ΔF к расстоянию между эквискалярными поверхностями ΔN, т.е.

= - (2)

Проекции grad F на горизонтальную и вертикальную ось называют горизонтальным и вертикальным градиентами (рис 1.)

Горизонтальный градиент всегда положителен, так как он направлен в сторону убывания, вертикальный может быть как положительным так и отрицательным: если метеорологический элемент убывает с высотой, то вертикальный градиент его положителен ( , если метеорологический элемент возрастает с высотой, то вертикальный градиент отрицателен ( .

grad_n F = - ,

(3)

grad_z F = -

Переходя к конкретным метеоэлементам, отметим, что горизонтальный градиент давления обозначается, например,

G_r= - (4)

вертикальный

G_B= - (5)

На синоптических картах изобары проводятся через 5мб ( ). горизонтальный градиент рассчитывается обычно в (мб/100км.).

Горизонтальный и вертикальный градиенты температуры обозначаются соответственно:

Г = - γ = - (6)

Горизонтальный градиент рассчитывается в градусах на 100км. вертикальный – градусах на 100м.

Кривая распределения температуры с высотой называется кривой стратификации атмосферы. Подробнее она будет рассматриваться при изучении аэрологической диаграммы.

2. Состав и строение атмосферы

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли. Ее вертикальная протяженность составляет около 20 км., а масса 5,27 * 10¹⁵т, т.е. менее одной миллионной массы Земли. Около 99% всей массы атмосферы сосредоточено в слое, расположенном от земной поверхности до высоты 30 – 35км.

Атмосфера состоит из механической смеси азота, кислорода, аргона, к которым постоянно примешаны в большом количестве углекислый газ, водород, гелий, неон, криптон и ксенон. Процентное содержание воздуха иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1. Состав сухого воздуха (по объему)

В атмосфере, кроме того, всегда присутствует в переменных количествах водяной пар (от 0 до 4%) и различные примеси (пыль, продукты конденсации и кристаллизации, продукты горения, частицы морской соли).

Водяной пар и примеси играют существенную роль в процессе облакообразования и теплообмена.

Принцип деления атмосферы на слои.

Атмосферу по вертикали условно разделяют на слои (Рис. 1)

В основу такого деления положены различия в составе воздуха, характер взаимодействия атмосферы с земной поверхностью и распределение температуры воздуха с высотой.

По составу воздуха атмосфера делится на гомосферу и гетеросферу.

Слой гомосферы распространяется до высоты 90 – 100км. и, в связи с турбулентным перемешиванием, отличается постоянством состава сухого воздуха и его молекулярного веса.

Рис.1 Строение атмосферы

В гетеросфере (слой выше 90-100км.) под действием диссоциации молекул ( обратное разложение молекул на атомы) и диффузного разделения

газов состав воздуха изменяется. Постепенно увеличивается содержание кислорода и уменьшается молекулярный вес воздуха. Часть атомов и молекул газов при этом получают электрический заряд.

По этому же принципу в атмосфере выделяют озоносферу ( слой максимальной концентрации озона на высоте 20-25км. ионосферу. Ионосфера состоит из нескольких слоев ( D – на высоте более 180км.) с повышенной концентрацией ионов. Именно в этих слоях происходит отражение и поглощение длинных и коротких радиоволн.

По признаку взаимодействия с земной поверхностью атмосферу делят на:

- пограничный слой (слой трения);

- свободную атмосферу.

В пограничном слое толщиной 1000-1500м. хорошо выражено влияние подстилающей поверхности на суточные изменения метеорологических элементов.

В свободной атмосфере трение практически отсутствует, и влияния подстилающей поверхности почти нет.

По характеру распределения температуры воздуха по вертикали атмосфера делится на следующие основные и переходные слои:

Таблица 2. Слои атмосферы

В зависимости от географической широты, времени года и синоптических процессов границы этих слоев могут иметь значительные отклонения от приведенных средних их значений.

Рассмотрим некоторые характеристики этих слоев:

Тропосфера – нижний, наиболее плотный слой атмосферы, простирающийся до 7-10км. в полярных, 10-12км. в умеренных и 16-18км. в тропических широтах.

Физические свойства этого слоя в значительной степени зависят от свойств подстилающей поверхности. Здесь сосредоточено 90% всего количества водяного пара, находящегося в атмосфере, и различных примесей земного и производственного происхождения. Эти примеси вызывают сильное загрязнение атмосферы, которое называется аэрозольным загрязнением. Наиболее ярко оно проявляется в крупных городах и промышленных центрах и приводит к образованию смогов.

Температура воздуха в тропосфере падает с высотой в среднем на 0,65⁰С на каждые 100м. (γ = ). здесь наблюдается наибольшие изменения метеорологических элементов как по вертикали так и по горизонтали. В тропосфере возникают такие опасные явления погоды как грозы, шквалы, пыльные и песчаные бури, метели, низкая облачность и туманы и т.д.

Тропосфера получает тепло, главным образом, от поверхности Земли, нагреваемой солнечными лучами. Поэтому прилегающие к поверхности Земли слои тропосферы значительно теплее, чем более высокие. Вследствие неравномерного распределения тепла тропосфера оказывается неустойчивой – в ней происходит непрерывное движение воздуха как в горизонтальном так и в вертикальном направлениях. Более теплый воздух поднимается вверх, расширяется и охлаждается – это способствует при достаточной влажности воздуха образованию облаков, а более холодный воздух, опускается вниз, сжимается и нагревается – это приводит к размыванию облаков.

В тропосфере, особенно в нижнем слое, ночью и утром, часто наблюдаются рост температуры с высотой. Такие слои называются инверсиями и являются задерживающими, так как препятствуют развитию вертикальных движений. Под этими слоями сосредотачиваются различные атмосферные примеси, особенно в промышленных городах, которые приводят к увеличению концентрации загрязняющих веществ до значений, превышающих предельно-допустимые, ухудшают видимость, способствуют образованию смога, туманов или слоистообразных облаков.

Зимой инверсии могут сохраняться круглые сутки. Летом, днем, они с прогревом подстилающей поверхности разрушаются.

Условно тропосферу делят на 3 слоя. Нижний слой располагается от подстилающей поверхности до высоты 3км. Самая нижняя его часть называется слоем трения или возмущения. Слой трения простирающийся до высоты 1,0-1,5км. называется планетарным пограничным слоем. На него оказывает сильное тепловое и механическое влияние земная поверхность. Здесь образуются все виды туманов, облака нижнего яруса. Условия погоды наиболее сложные для движения автотранспорта и полетов летательных аппаратов.

Над слоем трения до высоты 6км. располагается средний слой, в нем наблюдаются облака верхнего яруса. Верхний слой простирается до тропопаузы. В нем располагаются облака верхнего яруса и вершины кучево-дождевых облаков.

Стратосфера – слой атмосферы, простирающийся от тропопаузы до высоты 50км. Здесь температура до высоты 20-25км. остается постоянной – минус 50-60⁰С, затем растет за счет озонового слоя и на верхней границе стратосферы приближается 0⁰С. На высотах 20-22км. образуются тонкие перламутровые облака.

Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80км. Для этого слоя характерно повышение температуры с высотой, вызванное поглощением коротковолновой части лучистой энергии Солнца при распаде молекул кислорода и азота на атомы. Во всем слое термосферы температура положительная и на ее верхней границе составляет в среднем 1000-1200⁰К.

Экзосфера – внешний слой атмосферы, расположенный выше 800км. Этот слой атмосферы называют также слой рассеяния, так как в нем наблюдается диссипация (уход) газов из земной атмосферы.