5.Физические свойства атмосферы.

5.1В чем заключается физическое состояние атмосферы?

Рассмотрим основные характеристики физического состояния атмосферы, от которых в первую очередь зависит ее строение и роль в развитии географической оболочки. К этим характеристикам относятся температура, давление и плотность воздуха и производное от них движение воздуха.

Давление, плотность и температура связаны между собой уравнением состояния газов Р= ρ Т R

где Р — давление, ρ — плотность, Т — температура по абсолютной шкале, R — газовая постоянная, зависящая от природы газа. С достаточным приближением это уравнение применимо и для атмосферы. Из уравнения следует, что плотность и температура пропорциональны давлению. Следовательно, если с высотой давление уменьшается, то должны уменьшаться плотность и температура.

Среднегодовая температура воздуха у земной поверхности 14°. Она варьирует в широких пределах: ее крайние значения от +58° (в тропических пустынях) до —88° (в Антарктиде). С высотой температура, как правило, понижается по сложному закону.

Давление, оказываемое атмосферой на земную поверхность, составляет на уровне моря в среднем 1013 мб. Самое высокое давление, приведенное к уровню моря, зарегистрировано в Азии (1080 мб), самое низкое — в Тихом океане (887 мб). С высотой давление убывает примерно в геометрической прогрессии, когда высота возрастает в арифметической прогрессии. На уровне 5 км давление почти вдвое ниже, чем на уровне моря, на уровне 10 км — в 4 раза, на уровне 20 км — в 18 раз ниже.

Плотность воздуха уменьшается с высотой меньше, чем давление. У поверхности земли плотность в среднем равна 1250 г/ж3, на высоте 5 км — 735 г/м3, 10 км — 411 г/м3,

20км — 87 г/м3.

Всвязи с изменением давления воздух постоянно перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях, что приводит к обмену тепла и влаги на земной поверхности и в нижнем слое атмосферы. Горизонтальное перемещение воздуха происходит со средней скоростью у земной поверхности 5—10 м/сек, максимальной более 50 м/сек. В высоких слоях атмосферы наблюдаются скорости 100 м/сек и более. Вертикальное перемещение воздуха происходит со скоростью от нескольких метров до 10—20 м/сек.

5.2Какое атмосферное давление в разных слоях?

Вжидкости давление зависит от плотности жидкости и от высоты столба. Так же мы знаем, что жидкость малосжимаема. Из этого следует, что на всех глубинах плотность жидкости практически одинакова и давление зависит только от высоты.

С газами всё намного сложнее, так как они сильно сжимаемы. А чем сильнее мы сожмём газ, тем больше станет его плотность, следовательно, он произведёт большее давление, так как давление газа создаётся ударами молекул о поверхность тела.

Около поверхности Земли все слои воздуха максимально сжаты слоями, которые находятся над ними. Но если мы будем подниматься, то слоёв воздуха, которые сжимают тот, где мы находимся, будет всё меньше и меньше, следовательно, плотность воздуха будет уменьшаться и давление из-за этого будет уменьшаться.

Если в небо запустили воздушный шар, то с высотой, давление воздуха на поверхность шара будет всё уменьшаться и уменьшаться. Это происходит потому, что уменьшается плотность и высота столба воздуха.

50

Наблюдения за атмосферным давлением показывают, что среднее давление столба ртути на уровне моря при 0°С равняется 760 мм рт. ст. = 1013 гПа. Это называют нормальным атмосферным давлением.

Чем больше высота, тем меньше атмосферное давление.

В среднем, при подъёме на каждые 12 м атмосферное давление уменьшается примерно на 1 мм. рт. ст.

5.3 Какими показателями характеризуется давление в различных системах измерения?

Показателем давления служит высота ртутного столба в мм, уравновешиваемого давлением воздуха. В системе СГС атмосферное давление измеряется в миллибарах (мбар), в системе СИ - в гектопаскалях (гПа).

5.4 Что такое нормальное атмосферное давление?

Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением.

5.5 Какая температура воздуха в приземном слое?

Максимальная температура +58 град.С отмечена в сентябре 1922 года в районе Триполи (Северная Африка), минимальная -89 град.С в июле 1983 года на станции "Восток" в Антарктиде.

5.6 Какая температура в атмосфере на различных высотах?

51

5.7 Какие известны температурные шкалы?

Существует 5 наиболее известных температурных шкал: стоградусная, или шкала Цельсия (ºC), Фаренгейта (ºF), абсолютная, или шкала Кельвина (K), шкала Реомюра (ºR) и шкала Ранкина (ºRa).

Шкала Фаренгейта Была предложена зимой 1709 года немецким учёным Габриэлем Фаренгейтом. По

этой шкале за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре учёного. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной +32º, а точка кипения воды +212º. Шкала популярна в США и Великобритании.

Шкала Реомюра

В1731 году французский учёный Рене де Реомюр предложил температурную шкалу, основанную на использовании спирта, обладающего свойством расширяться. За нижнюю реперную точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объёма, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80º. Шкала Реомюра ныне повсеместно вышла из употребления.

Шкала Цельсия

В1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, в которой за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100º. За градус принимается сотая часть интервала между этими реперными точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке.

Шкала Кельвина Была предложена в 1848 году английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд

Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. это значение было получено путём теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15ºС. Следовательно на практике 0ºС может быть приравнен к 273К. До 1968 года единица измерения кельвин (К) именовалась как градус Кельвина (ºК).

Шкала Ранкина Была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль её

совпадает с нулём термодинамической температуры, а по размеру 1ºRa равен 5/9 К. Т. е. принцип тот же, что и в шкале Кельвина, только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. Данная система измерения температуры распространения не получила.

5.8Какие термометры используются в метеорологии?

Существует несколько видов термометров: жидкостные механические электрические оптические газовые инфракрасные

52

5.9 Как характеризуется вертикальный градиент температуры?

Вертикальный градиент температуры – скорость, с которой температура меняется с высотой. Обычно температура падает на 0,6°С на каждые 100 метров. При определенных условиях может сформироваться инверсия температуры, когда с высотой она будет расти, а не падать. Такую инверсию могут провоцировать загрязняющие вещества, концентрирующиеся в приземном слое атмосферы.

5.10 Как измеряется температура на метеостанциях?

Измерение температуры и влажности (на улице и в помещении) — осуществляется следующим образом: встроенный цифровой термогигросенсор метеостанции измеряет температуру и влажность внутри помещения, а беспроводной датчик с выносным термогигросенсором — температуру и влажность на улице. Полученные значения и тенденция их изменения (растет/падает) выводятся на экран метеостанции, а уличная температура/влажность к тому же отображается на дисплее беспроводного датчика. Максимальные и минимальные показатели температуры и влажности сохраняются в памяти метеостанции автоматически. Единицы измерения температуры можно менять (доступны два варианта: градусы Цельсия °С или Фаренгейта °F).

5.11 Какие закономерности изменения температуры по времени суток и года?

Днем солнечные лучи освещают земную поверхность и прогревают ее, от нее нагревается и воздух. Ночью поступление солнечной энергии прекращается, и поверхность вместе с воздухом постепенно остывает.

Солнце наиболее высоко стоит над горизонтом в полдень. В это время поступает больше всего солнечной энергии. Однако самая высокая температура наблюдается через 2-3 ч после полудня, так как на передачу тепла от поверхности Земли к тропосфере требуется время. Самая низкая температура бывает перед восходом солнца.

Температура воздуха изменяется и по сезонам года. Вы уже знаете, что Земля движется вокруг Солнца по орбите и земная ось постоянно наклонена к плоскости орбиты. Из-за этого в течение года на одной и той же территории солнечные лучи падают на поверхность по-разному.

5.12 Где и как учитывается температура воздуха при проектирование дорог?

При строительстве и эксплуатации автомобильных дорог необходимо учитывать влияние погодно-климатических факторов. Ни один другой вид работ не находится в такой зависимости от температуры окружающего воздуха, выпадающих осадков, солнечной радиации, воздействия химических реагентов в зимний период, как дорожное строительство. Поэтому при проектировании и создании автомобильных дорог необходимо учитывать среднемесячную температуру окружающего воздуха, количество выпадающих осадков, направление и скорость ветровых потоков, снегозаносимость и характер местности, глубину залегания грунтовых вод, наступление периода с отрицательными температурами, началом оттаивания грунта (что вызывает весеннюю распутицу) и другие факторы.

Технология проведения дорожно-строительных работ разрабатывается с учетом климатических условий местности.

53