10. Адиабатические изменения состояния воздуха, сухоадиабатическиеизменения температуры, в том числе при вертикальных движениях.

Закон, по которому происходят адиабатические (без теплообмена с окружающей средой) изменения состояния в идеальном газе, с достаточной точностью применим к сухому и к ненасыщенному влажному воздуху. Это сухоадиабатический закон. Он выражается уравнением сухоадиабатического процесса или уравнением Пуассона:

,

где с_р – удельная теплоемкость при постоянном давлении. Смысл уравнения Пуассона состоит в следующем: если процесс адиабатический и давление меняется от р₀ до р, то, зная начальную температуру воздуха Т₀, можно вычислить температуру Т в конце процесса.

Расширение воздуха и связанное с ним падения давления и температуры происходит чаще всего при восходящем движении воздуха (при дневной конвекции, в теплом фронте, при подъеме воздуха по горному склону). В соответствии с первым законом термодинамики при адиабатическом расширении температура данного объема воздуха уменьшается. Сжатие воздуха, сопровождающееся повышением температуры, происходит при опускании, при нисходящем движении воздуха.

Такие вертикальные движения происходят за короткое время практически без теплообмена с окружающей средой, т.е. адиабатически. Таким образом, поднимающийся воздух адиабатически охлаждается, опускающийся воздух адиабатически нагревается. Если подставить в уравнение первого начала термодинамики для идеального газа (в приближении им является сухой или ненасыщенный воздух) выражение для dp/p из уравнения статики, получим выражения для _а – сухоадиабатического градиента температуры:

,

где Т_i – температура данной индивидуальной вертикально движущейся массы воздуха, Т_а – температура в окружающей атмосфере. Правая часть уравнения всегда отрицательна. При адиабатическом подъеме воздуха (dz > 0) температура падает, при опускании растет. Отношение T_i/T_a обычно близко к единице, отношение g/c_p составляет 0,98С/100 м. Таким образом, сухоадиабатический градиент равен приблизительно 1С/100 м.

11. Влажноадиабатические изменения температуры. Уровень конденсации.

Между адиабатическим подъемом сухого и влажного ненасыщенного воздуха имеется принципиальное различие. Адиабатический подъем сухого воздуха ведет только к падении температуры в нем. Если же поднимается влажный ненасыщенный воздух, то вместе с адиабатическим понижением температуры содержащийся в воздухе водяной пар постепенно приближается к состоянию насыщения. Наконец температура понизится на столько что ВП достигнет насыщения.

Высота, на которой достигается насыщение, называется уровнем конденсации.

При дальнейшем подъеме влажный насыщенный воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный, т.е. уже не по сухоадиабатическому закону. В нем происходит конденсация избыточного количества ВП, вследствие чего выделяется в значительных количествах теплота парообразования, или теплота конденсации.

(2,501*10⁶ Дж/кг). Выделение этой теплоты идет на совершение части работы расширения поднимающегося воздуха. Тем самым оно замедляет понижение температуры при подъеме. Поэтому в поднимающемся насыщенном воздухе температура падает уже не сухоадиабатически а по влажноадиабатическому закону.

Она падает тем медленнее, чем больше влагосодержание воздуха в состоянии насыщения.

На каждые 100м подъема насыщенный воздух при давлении 1000гПа и температуре 0°С охлаждается на 0,66°С, при температуре 20°С – на 0,44 и при температуре -20°С – на 0,88°С.

Падение температуры в насыщенном воздухе при подъеме его на единицу высоты (100м) называют влажноадиабатическим градиентом.

При очень низких температурах,воздух, поднимающийся в высоких слоях атмосферы, ВП в нем мало и выделение теплоты конденсации незначительно. Падение температуры при адиабатическом подъеме в таком воздухе приближается к падению в сухом.

Влажноадиабатический градиент при низких температурах приближается по величине к сухоадиабатическому.

При опускании насыщенного воздуха процесс изменения температуры происходит по-разному в зависимости от того остались ли в воздухе продукты конденсации или нет.

Если в воздухе нет продуктов конденсации, то, как только он начнет опускаться и начнет расти температура, воздух становится ненасыщенным, Следовательно, изменение температуры пойдет по сухоадиабатическому закону, т.е. воздух, опускаясь, будет нагреваться на 1°С/100м.

Если в воздухе остались продукты конденсации они будут постепенно испаряться. При этом часть тепла воздушной массы переходит в скрытую теплоту парообразования, поэтому температура повышается меньше, чем при сухоадиабатическом опускании. В результате воздух остается насыщенным до тех пор, пока все продукты конденсации не перейдут в газообразное состояние.

Линия, графически представляющая изменение температуры, называется адиабатой.

12. Прямая солнечная радиация, ее зависимость от высоты Солнца. Рассеянная солнечная радиация в атмосфере, закон Рэлея. Явления, связанные с рассеянием радиации. Дневной ход прямой и рассеянной солнечной радиации при ясном небе и при средних условиях облачности летом (июль) и зимой (январь).

Радиацию, приходящую на Земную поверхность от непосредственно с самого диска Солнца, называют прямой. Распространяется о всем направлениям, и, поскольку параллельных лучей. Мах кол-во радиации поступает на единицу пощади, перпендикулярной потоку лучей, а мин на горизонтальную площадку: S’=Ssin(h), где h высота Солнца. Величина S называется инсоляцией. Энергетическую освещенность (величина потока) для определенной длины волны  называют спектральной плотностью энергетической освещенности S_.

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу не только поглощается, но и рассевается. Рассеяние- фундаментальное физическое явление взаимодействия света с веществом. При рассеянии частица, находящаяся на пути распространения электромагнитной волны, «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает её по всем направлениям. Т.е. рассеяние- преобразование части прямой солнечной радиации, которая до рассеяния распространяется в виде параллельных лучей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Около 26% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию, из которой 2/3 достигают Земной поверхности. Особенности: 1) р.р. приходит от всей пов-сти небосвода, а не от солнечного диска 2) отлична от прямой по спектральному составу, т.к. лучи разных длин волн рассеиваются в разной степени.

В соответствии с законом Рэлея, рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны:

,

где D_ - спектральная плотность энергетической освещенности прямой радиации с длиной волны . Закон Рэлея справедлив для рассеяния на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны. Для более крупных частиц (аэрозоли, капли, кристаллы) длина волны должна стоять в меньшей степени.

С рассеянием радиации в атмосфере связаны следующие явления:

1. голубой цвет неба – из-за того, что в спектре рассеянного света, посылаемого небесным сводом, по закону Рэлея, максимум энергии смещен на голубой цвет. Если в воздухе много крупных частиц (например, при тумане, в облаке), цвет становится более близким к белому.

2. солнечный диск кажется желтым, поскольку лучи остальной части спектра в большей степени подверглись рассеянию.

3. с рассеянием связан наличие дневного света в местах, куда не попадают прямые солнечные лучи или лучи, отраженные земной поверхностью и предметами, находящимися на ней.

4. после захода или до восхода Солнца небо посылает к земной поверхности рассеянную радиацию (полученную более высокими слоями атмосферы от Солнца, находящегося за горизонтом), это явление называется сумерками. Если Солнце за горизонтом менее, чем на 18, наблюдаются астрономические сумерки, 8 - гражданские. Если Солнце не опускается за горизонт более чем на 18 всю ночь, наблюдается явление белой ночи.

5. заря объясняется рассеянием света мельчайшими частицами атмосферных аэрозолей и дифракцией света на более крупных частицах; на противоположной части небосвода при этом наблюдается противозаря.

6. зодиакальный свет, наблюдаемый после конца или до начала астрономических сумерек, объясняется рассеянием солнечного света космической (метеорной) пылью.

7. рассеяние света в атмосфере также определяет видимость, которая обычно характеризуется дальностью видимости – расстоянием, на котором перестают различаться очертания предметов.