7. Плотность сухого, влажного воздуха и водяного пара. Виртуальная температура.

Плотность – масса в единице объема. В метеорологии плотность не измеряется, а вычисляется с помощью уравнению состояния по измеренным значениям р и Т (универсальная газовая постоянная сухого воздуха R_d равна 287,05 м²/с²К). Плотность сухого воздуха

.

Плотность влажного воздуха с температурой Т, давлением р и давлением водяного пара е вычисляется следующим образом. Плотность влажного воздуха равна плотности сухого плюс плотность водяного пара, т.е.  = _d + _w. Если общее давление воздуха р, а давление водяного пара е, то давление сухого воздуха есть р – е. Следовательно (по уравнению состояния) плотность сухого воздуха

.

Плотность водяного пара

.

Универсальная газовая постоянная водяного пара равна R_d/0,622. Отсюда:

.

Таким образом, плотность влажного воздуха

Последнее уравнение и есть выражение для плотности влажного воздуха. Поскольку величина e/p очень мала (максимум – 0,04), можно записать

.

Тогда уравнение состояния для плотности влажного воздуха примет вид

.

Величину Т(1 + 0,378 е/р) обычно называют виртуальной температурой. Таким образом плотность влажного воздуха

,

т.е. плотность влажного воздуха описывается уравнением состояния сухого воздуха, но только с замененной истинной температурой на виртуальную.

Плотность воздуха в каждом месте непрерывно меняется во времени так же, как давление и температура. Плотность так же меняется с высотой, потому что с высотой меняются атмосферное давление и температура. Давление с высотой всгда понижается, а вместе с ним уменьшается плотность. Температура тоже как правило уменьшается. Но падение температуры ведет к повышению плотности. В результате совместного влияния, плотность с высотой в общем уменьшается, но не так быстро как давление.

Виртуальная температура – температура, которую должен был бы иметь сухой воздух, если бы его плотность равнялась плотности данного влажного воздуха с температурой Т, давлением р и давлением водяного пара е. Виртуальная температура всегда несколько выше истинной температуры.

8. Строение атмосферы: основные слои и их характеристики.

Атмосфера четко расслаивается на концентрические сферы, отличающиеся друг от друга по своим характеристикам. Обычно выделяют слои, связанные с распределением температуры воздуха.

Тропосфера. Высота: в тропиках – 15-17 км, над полюсами – 8-9 км. Температура в среднем убывает с высотой, хотя часто наблюдается изотермия и инверсия. В среднем величина падения температуры с высотой равна 0,60С/100 м. В тропосфере сосредоточено 80% массы атмосферы, почти весь водяной пар. Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 3-10 раз меньше, чем у земной поверхности. Развиваются сильная вертикальная неустойчивость, перемешивания. Тропосфера испытывает сильное влияние подстилающей поверхности, при этом в тропосфере возникают течения теплого и холодного воздуха.

Сильнее всего влияние земной поверхности выражено в приземном слое (50-100 м). Здесь особенно резко выражен суточный ход температуры, сильно растет с высотой скорость ветра. Слой от земной поверхности до 1000-1500 м называется планетарным пограничным слоем или слоем трения. В нем на ветер заметно влияет трение о земную поверхность. Верхняя граница тропосферы – тонкий переходный слой толщиной 1-2 км называется тропопауза. Здесь падение температуры с высотой сменяется изотермией. Высота тропопаузы постоянно меняется. Температура в районе тропопаузы достигает –80С (в среднем –50 - -60С).

Стратосфера. Верхняя граница стратосферы проходит на высоте 50-55 км. В среднем температура растет с высотой, особенно сильно – с высот 34-36 км (ниже она растет медленно, иногда даже падает). У верхней границы -стратопаузы температура достигает 0С. Возрастание температуры с высотой есть причина очень большой устойчивости стратосферы. Здесь нет активного перемешивания. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения (медленное оседание или подъем) иногда охватывают слои стратосферы, занимающие огромные пространства. Водяного пара очень мало. На высотах 22-24 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонкие перламутровые облака, состоящие из переохлажденных капель. Состав воздуха в стратосфере отличается от тропосферного примесью озона. С озоном связан рост температуры (поглощает солнечную радиацию).

Мезосфера. Верхняя граница мезосферы проходит на высоте 80-82 км. Температура понижается с высотой до -110С. Поэтому в мезосфере сильно развита турбулентность. В верхней части мезосферы образуются кристаллические серебристые облака, форма кристаллов которых говорит о существовании в мезосфере волн и вихрей. Верхняя граница мезосферы называется мезопаузой. Давление воздуха на ней в 1000 раз меньше, чем у земной поверхности.

Термосфера. Верхняя граница проходит на высоте 800-1000 км. В термосфере температура очень резко возрастает с высотой и достигает 1500С га высоте 200-250 км. Выше рост температуры не наблюдается. Высокие температуры связаны с большими скоростями движения частиц. Теплосодержание газов очень мало из-за очень небольшой плотности. Воздух в термосфере сильно ионизирован: распространен атомарный кислород, нет аргона и СО₂.

Экзосфера. Экзосфера – самая верхняя часть атмосферы. Скорости частиц здесь чрезвычайно велики. Частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам. Некоторые покидают атмосферу и улетают в мировое пространство. Такому ускользанию в наибольшей степени подвержены наиболее легкие преобладающие здесь атомы водорода и гелия.

Ускользающие атомы водорода образуют вокруг Земли до высоты 20 000 км так называемую земную корону. Плотность газов в ней ничтожно мала, однако на порядок больше чем в межпланетном пространстве, сказывается влияние магнитного поля Земли. Эта область называется также магнитосферой. Также говорят о существовании радиационного пояса в верхней части атмосферы и околоземном космическом пространстве. Он состоит из протонов и электронов, движущихся с огромными скоростями и захваченных магнитным полем Земли.