ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1. Загальні відомості про атмосферу Землі

1. Склад атмосферного повітря

   1. Склад сухого повітря біля поверхні Землі

1. Зміна складу повітря з висотою

2. Рівняння стану газів

   1. Рівняння стану сухого повітря

   2. Рівняння стану водяної пари

   3. Рівняння стану вологого повітря

3. Водяна пара в атмосфері

   1. Основні характеристики вологості повітря і зв’язок між ними

   2. Зміна вологості повітря з висотою

4. Атмосферний тиск. Середній розподіл атмосферного тиску з висотою

5. Температура повітря

6. Густина повітря

7. Принципи поділу атмосфери на шари

   1. Вертикальна будова атмосфери за термічною стратифікацією

   2. Вертикальна будова атмосфери за іншими ознаками

1.8. Статика атмосфери. Сили, що діють в атмосфері в стані рівноваги

1.8.1. Основне рівняння статики атмосфери

1.8.2. Однорідна атмосфера

1.8.3. Зміна густини повітря з висотою

1.8.4. Ізотермічна атмосфера

1.8.5. Політропна атмосфера

1.9. Адіабатичні зміни стану в атмосфері

1.9.1. Сухоадіабатичні зміни температури повітря з висотою

1.9.2. Вологоадіабатичні зміни температури повітря з висотою

1.9.3. Потенційна температура

1.9.4. Вертикальний розподіл температури

Розділ 2. Нейтральна атмосфера та її вплив на поширення ГНСС- сигналів

1. Показник заломлення

2. Затримка поширення радіосигналу в нейтральній атмосфері

3. Моделювання тропосферної затримки

2.3.1. Моделі гідростатичної та сухої складової зенітної тропосферної затримки

2. Моделі вологої складової зенітної тропосферної затримки

3. Функції відображення тропосферної затримки

Розділ 3. Методи вимірювання метеорологічних величин

1. Контактні (локальні) методи вимірювання метеорологічних параметрів

3.1.1. Наземна метеорологія

3.1.2. Аерологія та радіозондування

3.1.3. Ракетне зондування

3.2. Дистанційні методи визначення метеорологічних параметрів

3.2.1. Радіометри водяної пари

3.2.2. Лідари - лазерні локаційні системи

3.2.3. Метод радіозатемнень

3.3. Комбіновані методи визначення метеорологічних параметрів

3.3.1. Числові моделі погоди

Розділ 4. Фізика ГНСС-метеорології

1. Основне рівняння ГНСС-спостережень

2. Тропосферна затримка із ГНСС-спостережень

3. Гідростатична та волога складові зенітної тропосферної затримки із ГНСС-спостережень

4. Середня температура й інтегрована та осаджувана водяна пара

5. Програма E-GVAP у рамках Європейської гідрометеорологічної мережі

Література

Вступ

Глобальні системи визначення місцеположення GPS (Global Positioning System) зайняли на сьогоднішній день домінуючу роль в геодезії та навігації. Попри оперативность та всепогодність проведення GPS-спостережень, вони забезпечують ще й досить високу точність отримуваних результатів. Ця точність регламентується цілою низкою похибок, величину яких або достатньо успішно корегують або виключають. Серед них основною похибкою, що важко піддається врахуванню для високоточних GPS-визначень є похибка, яка викликана впливом нейтральної атмосфери (тропосфери і стратосфери). Цю похибку називають тропосферною затримкою, яка має дві складових – суху і вологу. У зенітному напрямку величина загальної тропосферної затримки (суха + волога складові) коливається на рівні моря в залежності від фізико-географічних умов, приблизно, від 2,2 до 2,6 м. Проблема точного визначення тропосферної затримки полягає в тому, що волога складова, яка хоч і складає, в середньому, приблизно 10% від загальної величини, не може бути визначена із задовільно достатньою точністю, оскільки просторово-часовий розподіл водяної пари не піддається якійсь певній закономірності. Величина вологої складової може бути достатньо точно визначена лише при застосуванні надто громіздких і затратних технологій, а саме: радіозондування нейтральної атмосфери, радіометрів водяної пари, лідарних систем тощо. Правда вони, окрім дороговизни (особливо друга і третя), мають ще й недоліки внаслідок таких причин, як часові зміщення, викликані довготривалістю вимірювання, погодні обмеження (хмари, дощ) тощо. Тому, до недавнього часу вологу складову зенітної тропосферної затримки визначали за емпіричними (аналітичними) моделями, наприклад: Sastamoinen, Hopfield, Chao, Ifadis, Askne and Nordius та інших. Зазначимо, що всі існуючі моделі не можуть забезпечити достатньої точності визначення вологої складової зенітної тропосферної затримки. Можливість вирішення цієї проблеми залишалась примарною, поки не з’явилась ідея нового наукового напрямку, GPS-метеорології, породженою можливістю розв’язку зворотніх задач GPS-рефракції, яку останнім часом називають ГНСС-метеорологія (ГНСС-метеорологія базується на низці теоретичних засад радіометеорології - наукового напрямку, предметом вивчення якого, з одної сторони, є вплив атмосфери і метеорологічних умов на поширення електромагнітних хвиль, а з другої – використання електромагнітних хвиль для дослідження атмосфери).

Тепер, суть визначення вологої складової зенітної тропосферної затримки зводиться до наступного: із ГНСС-вимірювань за певними інтервально-часовими розв’язками отримують загальну тропосферну затримку на середній зенітній відстані місцеположення ГНСС-супутника. Використовуючи функцію відображення, наприклад, Niell, отримують загальну зенітну тропосферну затримку. Далі, обчислюють за аналітичною моделлю, наприклад Sastamoinen, гідростатичну складову зенітної тропосферної затримки за виміряним (на висоті антени) значенням атмосферного тиску. За різницею між приведеною до зенітного напрямку загальною тропосферною затримкою, отриманою із ГНСС-розв’язків, і обчисленою гідростатичною складовою отримують величину вологої складової зенітної тропосферної затримки на заданий момент часу. Далі від цієї величини переходять, шляхом простих обчислень, до інтегрованої водяної пари, осаджуваної водяної пари (осаджуваної води) тощо.

Розділ 1. Загальні відомості про атмосферу Землі

1. Склад атмосферного повітря

Атмосфера складається із механічної суміші декількох газів – повітря, в якому знаходяться у завислому стані рідкі і тверді частинки, загальна маса яких є незначною порівняно зі всією масою атмосфери.

Повітря без водяної пари називають сухим повітрям.

1. 1 Склад сухого повітря біля земної поверхні

Склад сухого повітря біля земної поверхні виглядає наступним чином:

• 78% займає азот,

• 21% припадає на кисень,

• 0,93% - займає аргон,

• 0, 03% - припадає на вуглекислий газ.

Решту, приблизно, 0,04% займають в дуже малих долях інші багаточисельні гази, зокрема: криптон, ксенон, неон, гелій, водень, озон, йод, радон, аміак, перекис водню, закис азоту та ін. Процентний склад сухого повітря біля земної поверхні є дуже сталим і, практично, всюди одинаковим. Суттєво може змінюватись лише вміст вуглекислого газу (у закритих приміщеннях, промислових центрах він може досягати 0,1 – 0,2%). У зв’язку з цим зменшується, але зовсім незначно, вміст азоту і кисню.

2. Зміна складу повітря з висотою

Процентний вміст складових частин сухого повітря у нижніх ста кілометрах з висотою майже не змінюється. Повітря, що знаходиться у постійному русі, добре перемішується по вертикалі, і атмосферні гази не розшаровуються за густиною, як би це було в умовах спокійної атмосфери, де доля більш легких газів повинна була би зростати з висотою.

Однак, вище 100 км починається таке розшарування газів за густиною і постійно збільшується з висотою. Приблизно до висоти 200 км переважним газом в атмосфері залишається азот. Вище починає переважати кисень, причому в атомарному стані: під дією ультрафіолетової радіації Сонця двоатомні молекули кисню розкладаються на заряджені атоми.

Вище 1000 км атмосфера складається головним чином із гелію і водню, причому водень переважає також в атомарному стані, тобто у вигляді заряджених атомів.

Процентний вміст водяної пари в повітрі змінюється з висотою. Водяна пара безперервно поступає знизу в атосферу, поширюючись догори, конденсується, сгущується. Тому тиск і густина водяної пари спадають з висотою швидше, ніж тиск і густина інших газів повітря. Загальна густина повітря на висоті 5-6 км стає вдвічі меншою, ніж біля земної поверхні, а густина водяної пари зменшується у два рази ще на висоті 1,5-2 км. Тиск водяної пари і її вміст у повітрі на висоті 5-6 км є меншими у десять разів, ніж біля земної поверхні, а на висоті 10-12 км – у сто разів. Таким чином, вище 10-15 км вміст водяної пари у повітрі є дуже малим.

2. Рівняння стану газів

Основні три параметри – тиск, температура і густина (або питомий об’єм) характеризують стан кожного з атмосферних газів. Для будь-якого газу існує критична температура (табл.1.1).

Якщо температура газу є вищою за критичну , то ні при якому тискові газ не може бути переведений у рідкий або твердий стан, тобто при цій умові речовина може існувати лише в газоподібному стані.

Таблиця 1.1

Значення критичних температур деяких атмосферних газів

Газ	He	H2	N2	O2	CO2	H2O
Ткр °С	-268	-240	-147	-119	31	374

Як видно з табл.1.1, критичні температури всіх атмосферних газів, окрім веглекислого газу і водяної пари, є дуже низькими. Температури, що спостерігаються в атмосфері на всіх висотах, є значно вищими за критичні температури цих газів. Вуглекислий газ хоч і має критичну температуру вищу, ніж переважно спостережувані температури повітря, не досягає стану насичення, оскільки його парціальний тиск в умовах атмосфери є дуже малим.

Будь-який газ за своїми фізичними властивостями є тим ближче до ідеального, чим вища його температура порівняно з критичною, а також чим менший його тиск порівняно з тиском насичення.

При умовах, що спостерігаються в атмосфері, основні гази, які входять у склад повітря, ведуть себе практиячно як ідеальні гази. Тому рівняння стану будь-якого газу має вигляд рівняння стану ідеального газу:

, (1.1)

де - парціальний тиск, - температура, - питомий об’єм газу; - питома газова стала -го газу, - число газів, що складають механічну суміш.

Оскільки, густина газу є величиною, оберненою до питомого об’єму і рівна , то

, або . (1.2)

Рівняння стану газів з достатнім наближенням застосовують і до сухого повітря і до водяної пари і до вологого повітря. Зупинимось на вказаних основних характеристиках.

Питома газова стала пов’язана з універсальною газовою сталою наступним співвідношенням:

, (1.3)

де - відносна молекулярна маса i –го газу.

Згідно закону Дальтона, поведінка кожного газу в механічній суміші не залежить від присутності інших газів, а загальний тиск суміші рівний сумі парціальних тисків

. (1.4)