Fizika_atmosferyRGGMU_2

Контрольная работа 2 Задание 1

2. При каком состоянии устойчивости атмосферы наблюдаются ложные солнца?

Паргелий (от др.-греч. παρα- и ηλιος «солнце» — ложное солнце) — один из видов гало, выглядит как светлое радужное пятно на уровне солнца. Возникает вследствие преломления солнечного света в анизотропно ориентированных кристалликах льда, парящих в атмосфере.

В«Слове о полку Игореве» упомянуто, что перед наступлением половцев

ипленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей». Воины восприняли это как знак надвигающейся большой беды.

Феномен упомянут Шекспиром в «Генрихе VI», а также описан в одной из песен (Die Nebensonnen) цикла Франца Шуберта «Зимний путь».

Очень редкой формой паргелия является ложный восход солнца, когда ложное изображение солнца поднимается над горизонтом в то время как само солнце еще находится под ним.

Гало возникает при прохождении солнечных лучей через тонкие перистослоистые облака или конденсационные следы за самолетом, состоящие из ледяных кристаллов. Явления гало многообразны. Наиболее часто вокруг Солнца появляется круг с угловым радиусом 22°, реже концентрический с ним круг с угловым радиусом 46° и совсем редко круг с угловым радиусом 90°. Иногда виден белый горизонтальный круг, проходящий через Солнце.На пересечении этого круга с кругами гало 22 и 46° появляются яркие радужные пятна — ложные (побочные) Солнца, а также ложные (побочные) Луны. Довольно часто наблюдаются касательные дуги к кругам 22 и 46°, чаще горизонтальные дуги (верхняя и нижняя) и реже боковые. Над Солнцем и под ним в моменты, близкие к восходу или заходу, появляются световые столбы. На белом горизонтальном круге диаметрально противоположно Солнцу или Луне иногда появляются противосолнце и противолуна. Светлое пятно в солнечном вертикале, расположенное под горизонтом на глубине, равной высоте Солнца над горизонтом, называется нижним Солнцем.

Появление гало может служить местным признаком изменения погоды. Поскольку гало наблюдаются при наличии Cs, а они, обычно, входят в систему облаков теплого фронта, то появление гало говорит о приближении теплого фронта и изменении погоды» обусловленной его прохождением.

Несмотря на то что с помощью законов геометрической оптики успешно объясняется возникновение многих наблюдаемых форм гало, тем не менее далеко не все явления гало находят объяснение не только на основе законов геометрической оптики, но и на основе более общей теории распространения и преобразования электромагнитных излучений.

11

Задание 2 Определить максимальную метеорологическую дальность видимости

и коэффициент прозрачности в горизонтальном направлении в идеальной атмосфере, в которой ослабление лучистого потока обусловливается только молекулярным рассеянием. Коэффициент прозрачности всей толщи атмосферы – Р, температура воздуха - t°C, атмосферное давление нормальное. Атмосферу считать однородной. Как и почему влияет изменение температуры воздуха у земной поверхности на Sm.max? Почему нельзя увидеть достаточно высокий предмет любой яркости и цвета с расстояния, большего, чем полученное значение Sm.max?

Решение

Метеорологическую дальность видимости (МДВ) можно определить по коэффициенту ослабления α, который рассчитывается на единицу длины пути, м-1 или км-1:

Sm = -lnε/2 = 3,91/αm,

где ε - порог контрастной чувствительности глаза (для дальности потери видимости ε = 0,02).

МДВ можно вычислить и при известном коэффициенте прозрачности в горизонтальном направлении: Sm = lnε/lnP1,

Коэффициент прозрачности идеальной атмосферы (с учетом только молекулярного рассеяния) для всей вертикальной толщи атмосферы описывается выражением: Pi = e-σm·H,

где σm — объемный коэффициент молекулярного рассеяния; H - высота однородной атмосферы.

H = RT0/g = 8,314·(273+15)/9,8 = 244,3 м.

σm = -ln(Pi/H) = -ln(0,916/244,3) = 5,59

В горизонтальном направлении коэффициент прозрачности (на единицу длины, обычно 1км) равен:

P1 = e-σm = e-5,59 = 0,0037.

Максимальная метеорологическая дальность видимости:

Sm.max = 3,91/ln0,0037 = 3,91/5,59 = 0,700 км.

МДВ характеризуется необычайно широким диапазоном изменения. В плотных туманах, облаках МДВ может уменьшаться до нескольких десятков метров. В достаточно чистом и сухом воздухе, когда ослабление обусловливается в основном молекулярным рассеянием света, МДВ достигает 100—200 км и более. В течение года максимальные значения МДВ у земной поверхности наблюдаются летом и минимальные зимой. В зимний период года значительно возрастает повторяемость туманов, дымок, а также инверсий температуры, ограничивающих распространение аэрозоля в более высокие слои атмосферы. Суточный ход МДВ более сложный. В теплую половину года максимальные значения МДВ наблюдаются утром, а минимальные — вскоре после полудня. В холодный период минимальные значения МДВ нередко наблюдаются в конце ночи (когда возникают туманы или усиливаются дымки), а максимальные — в послеполуденные часы.

12

Задание 3 2. Каковы источники ионизации атмосферы? Как меняется степень

ионизации атмосферы с высотой?

Частицы, которые несут на себе отрицательный или положительный электрический заряд, носят общее название ионов (в переводе с греческого "ион" означает "идущий").

Для разделения нейтрального невозбужденного атома (или молекулы) на две или более заряженные частицы необходимо затратить энергию ионизации.

Основным ионизатором воздуха в тропосфере служит излучение радиоактивных веществ, содержащихся в твердой или жидкой оболочках Земли. В верхней атмосфере основная роль в ионизации газов принадлежит корпускулярному и ультрафиолетовому излучению Солнца, а также космическим лучам.

Как известно, в процессе распада радиоактивных веществ выделяется значительная энергия в виде α, β, и γ-излучений. Если эти излучения проникают в атмосферу, то их энергия расходуется в основном на ионизацию воздуха.

Излучение радиоактивных веществ, содержащихся в горных породах и воде (общая масса их оценивается в 100 Мт), практически полностью поглощаются в почве (исключение составляют γ-лучи). Ионизаторами атмосферы служат вторичные продукты радиоактивного распада. Наиболее сильным ионизатором воздуха является радон (Rn) с периодом полураспада

3,82 сут.

Испускаемые радоном и другими радиоактивными веществами а-частицы (которые представляют собой ядра атома гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов) распространяются (со скоростью, равной 0,05—0,1 скорости света) в воздухе на расстояние от 3 до 9 см; при этом одна а-частица способна образовать 190—250 тыс. пар ионов.

Поток электронов, образующихся при другом виде радиоактивного распада, носит название р-лучей. Последние распространяются (со скоростью, близкой к скорости света) в воздухе на расстояние в несколько метров. Каждая р-частица образует на своем пути около 25 тыс. пар ионов.

Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи: в воздухе они пронизывают слой толщиной в несколько десятков метров, при этом каждая γ- частица способна образовать до 30 тыс. пар ионов.

Под влиянием излучений радиоактивных веществ и их эманации ионы образуются в приземном слое атмосферы и распространяются через турбулентный обмен и вертикальные движения до высоты 4—5 км, при этом только над сушей, поскольку содержание радиоактивных веществ в морской воде ничтожно мало.

Другим мощным источником ионизации атмосферы служат космические лучи, поступающие на Землю из мирового пространства. Первичные космические лучи (представляющие собой поток протонов) вызывают ионизацию верхних слоев атмосферы и тем самым дают начало вторичным космическим лучам, которые ионизируют нижние слои атмосферы.

13

Задание 4

Радиоимпульс с частотой f Гц, направленный вертикально вверх радиоустановкой ионосферной станции, был принят назад через tc с. Определить: высоту слоя ионосферы, от которого отразился радиосигнал; концентрацию электронов в месте отражения, название этой области ионосферы; длину волны радиосигнала, отразившегося от этой области; длины воли, на которых можно осуществлять наземную радиосвязь с помощью этой области; на которых можно было бы осуществлять связь с межпланетными космическими кораблями, если в ионосфере выше области, от которой отразился радиосигнал, не имелось бы областей с более высокой концентрацией электронов.

Решение

Определим высоту слоя ионосферы, от которого отразился радиосигнал.

H = c·Δtc/2,

где c = 3·108 м/с – скорость света.

H = 3·108·5,6·10-4/2 = 84000 м = 84,0 км.

Тип слоя ионосферы D;

Концентрация электронов в месте отражения N = 3·103 см-3.

Для любой схемы имеется Максимально Применимая Частота (МПЧ), которая определена состоянием ионосферы около области рефракции и длины цикла. МПЧ преломлена от области максимальной электронной плотности области. Поэтому, частоты выше чем МПЧ для специфической области проникнут через ту область. В течение дня возможно связаться, и через слои E

иF, использующие различные частоты. Самая высокая частота, поддерживаемая слоем E - Е МПЧ, в то время как поддерживаемая F слоем - F МПЧ.

МПЧ области F в особенности изменяется в течение дня, сезонно и с солнечным циклом. Данные наблюдаемых частот отражают это. Диапазон МПЧ области F можно прогнозировать, и этот диапазон простирается от более низкого уровня МПЧ (называемый Оптимальной Рабочей Частотой, ОРЧ), через медиану к верхнему уровню МПЧ. Эти МПЧ имеют 90 %, 50 % и 10 % шанс, который будет поддержан ионосферой, соответственно. Прогноз СОИ обычно охватывает период одного месяца, так что ОРЧ должена обеспечить успешное распространение волн в течении 90 % времени или 27 дней месяца. Медианная МПЧ должна обеспечить коммуникации 50 % или 15 днями месяца

иверхний уровень МПЧ 10 % или 3 днями месяца. Верхний уровень МПЧ - самая высокая частота диапазона МПЧ и наиболее вероятна, чтобы проникнуть через ионосферу, рис. 4.1.

14

Задание 5 2. Показать графически, каково направление ветра в циклоне южного

полушария в ПСА? Сделать пояснение к графику.

Рис. 5.1. Направление вращения циклонов северного и южного полушария Известно, что циклоны южного и северного полушария всегда

вращаются в разных направлениях. Циклоны представляют собой потоки гравитационных массы воздуха и воды, испарившейся с поверхности планеты. При наличии электрического потенциала окружающего пространства со стороны магнитного поля Земли на гравитационные массы действует сила подобная силе Лоренца, закручивающая быстро перемещающиеся массивные облака в спиральные вихри циклонов. В высоких широтах силовые линии магнитного поля направлены почти под прямым углом к поверхности Земли, а направление магнитного поля Земли различно в северном и южном полушарии. Области высоких широт и являются "кухней погоды". В каком бы направлении не перемещались воздушные массы, их скорость практически перпендикулярна вертикальным силовым линиям магнитного поля Земли, а горизонтальная сила Лоренца, всегда перпендикулярна скорости ветра. Сразу весь воздушный поток циклона приобретает поворотное ускорение. Спиральные вихри закручиваются в том или ином направлении, в зависимости от направления магнитного поля, в зависимости от того, в каком полушарии это происходит.

К сожалению, метеорологические службы не учитывают магнитогравитационные эффекты, что существенно снижает точность прогнозов погоды.

16

Задание 6 Вычислить скорость ветра вблизи земной поверхности на широте φ,

если при прямолинейных изобарах горизонтальная составляющая барического градиента равна G, а коэффициент внешнего трения в данной местности составляет к. Результат сравнить со скоростью геострофического ветра при тех же условиях.

Плотность воздуха у земной поверхности считать близкой к нормальной. Как влияет сила трения на скорость ветра вблизи земной поверхности?

Решение

Ветер, на который действует только сила барического градиента и сила Кориолиса, называется геострофическим. При условии, что силы уравновешивают друг друга, движение ветра прямолинейное равномерное. Сила Кориолиса в Северном полушарии направлена под прямым углом к скорости движения вправо, а сила градиента, равная ей, должна быть направлена под прямым углом к скорости влево. Поэтому в северном полушарии геострофический ветер будет дуть вдоль изобар, оставляя низкое давление слева. В реальных условиях геострофический ветер возникает в свободной атмосфере, на высотах больше 1 км, когда сила трения становится так мала, что ею можно пренебречь.

Из наблюдений установлено, что градиент в 1 гПа на 100 км создает ускорение в 0.1 см/с2. Тогда получим градиентное ускорение:

ag = 0,6·111·0,1·10-2/100 = 0,666 м/с2.

Исходя из размерности полагаем, что ускорение барического градиента будет:

Плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении и t = 20°:

ρ = 1,2047 кг/м3.

ag = 0,6/(1,2047·1110) = 0,651·10-3 м/с2.

Это ускорение вычисленное исходя из размерности согласуется с эмпирическим.

Поворотное ускорение или ускорение Кориолиса на Земле имеет величину:

ak = 2ω·ug·sinφ,

где: ω - угловая скорость вращения Земли, ug – геострофическая скорость ветра, φ - географическая широта.

ag = ak = 2ω·ug·sinφ, ug = ag/(2ω·sinφ).

Угловая скорость вращения Земли:

ω = 2π/(24·60·60) = 7,27·10-5 рад/с

Геострофическая скорость ветра:

ug = 0,666·10-3/(2·7,27·10-5·sin40°) = 6,965 м/с.

Результирующая сила трения R вблизи земной поверхности имеет

17

направление, почти противоположное направлению ветра.

Ускорение силы трения зависит от геострофической скорости ветра

aR = k·ug = 0,6·10-4·6,965 = 0,42·10-3 м/с2

Ускорение результирующей силы, действующей в приземном слое:

a = ag - aR = ak = 2ω·c·sinφ;

Получим скорость ветра вблизи земной поверхности: c = (ag - aR)/(2ω·sinφ)

c = (0,651·10-3-0,42·10-3)/(2·7,27·10-5·sin40°) = 2,50 м/с.

Сравниваем скорость ветра вблизи земной поверхности со скоростью геострофического ветра и делаем вывод, что сила трения очень сильно уменьшает скорость ветра:

c = 2,50 м/с << ug = 6,97 м/с.

18

Задание 7 2. Найти скорость геострофического ветра на высоте, где плотность

воздуха равна 1,0 кг/м3, для широт 90, 60, 30°, если горизонтальная составляющая градиента давления на всех трех широтах на указанной высоте составляет 2 гПа/111 км. Результат проанализировать.

Решение

Ветер, на который действует только сила барического градиента и сила Кориолиса, называется геострофическим. При условии, что силы уравновешивают друг друга, движение ветра прямолинейное равномерное.

Горизонтальная составляющая барического градиента

G = 2·100/111 = 1,80 гПа/100 км = 1,80·10-3 Н/м3.

ug30 = 1,80·10-3/(2·7,27·10-5·sin30°) = 24,8 м/с. ug60 = 1,80·10-3/(2·7,27·10-5·sin60°) = 14,3 м/с.

ug90 = 1,80·10-3/(2·7,27·10-5·sin90°) = 12,4 м/с.

С увеличением широты геострофическая скорость ветра уменьшается.

19

Литература

1. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. -

639 с.

2.Бройдо A.Г. и др. Задачник по общей метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-312 с.

3.Психрометрические таблицы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 270 с.

4.Руководство по теплобалансовым наблюдениям. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -149 с.

5.Атлас облаков. Под ред. А.Х. Хргиана, Н.И. Новожилова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

6.Метеорология верхней атмосферы Земли. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

-270 с.

7.Матвеев Л. Т. Динамика облаков.- Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 270 с.

8.Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Хворостьянов В.Ж., Козодорев В. В. Облака и климат. - Л.; Гидрометеоиздат, 1987.- 517 с.

20