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 воздухаимеет 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 td, 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 величиныхарактеризуют 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 облакахсведены 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 атмосферырассматривается 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 состояниясухого воздуха запишем: Рс = pcRT, где Рс =Р-е - парциальное давление сухого воздуха, рс - 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 Tv = 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 рв< рс) и ис-
пользовать Tv для расчета плотности влажного воздуха, удельную газовую постоянную сухого воздуха, т.е.
Р = pTv 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 = tcvx - iai = 2,4 °С:
=0,33 гПа. Тогда
е = 2,16 + 0,33 = 2,49 гПа.
Используя табл. 2 психрометрических таблиц, по tcyx = -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 = pTv 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 Tv1
9. Как связана плотность влажного воздуха ры с температурой t, если водяной
пар насыщен?
10. Каковы основные свойства тропосферы?
11. Каковы основные свойства стратосферы?
Дата добавления: 2017-09-19; просмотров: 141;