1 Строение и состав атмосферы

Термин “атмосфера” происходит от греческих слов atmos – пар и sphaira – шар, т.е. газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область во­круг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Между основными слоями атмосферы располагаются переходные зоны, назы­ваемые паузами.

Тропосфера является самым нижним слоем атмосферы, начинающимся от по­верхности Земли. В этой сфере сосредоточено более 80% всей массы атмосферы. Вся деятельность человека и вся живая природа сосредоточены в пределах тропосферы. На верхней границе тропосферы, простирающейся до высоты от 10 до18 км на различных широтах, атмосферное давление составляет от 1/4 до 1/10 от давления на уровне моря.

Почти вся масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, поэтому в ней обра­зуются почти все облака. В этом же слое содержится основная масса аэрозолей, вклю­чающих в себя частицы пыли, дыма, солей и т. п., поступающих с земной поверхности. Вся деятельность человека и вся живая природа сосредоточена в тропосфере.

Стратосфера занимает высоты от 8-16 до 45-55 км. Температура воздуха в стра­тосфере возрастает с высотой. Состав воздуха незначительно отличается от его состава в тропосфере. В этом слое содержится повышенное содержание озона.

Наибольшая концентрация озона наблюдается на высоте 20 км и выше. Эта про­слойка защищает живую жизнь на земной поверхности от жесткого коротковолнового излучения.

Мезосфера располагается на высоте от 50-55 до 80 км. Температура в этом слое уменьшается с высотой от 0 до –90⁰С на его верхней границе.

В термосфере иногда появляются серебристые облака, наблюдения за которыми позволяют получить сведения о скорости и направлении ветра на этих высотах.

Процентное содержание основных компонентов сухого воздуха практически не меняется в нижних 100 км атмосферы. На высоте от 100 до 310 км основными элемен­тами являются молекулярный азот, молекулярный и атомарный кислород. Верхняя часть термосферы состоит в основном из атомарного азота и кислорода. Выше 600 км основным компонентом является гелий, а на высоте от 2 до 20 тыс км простирается во­дородная корона Земли.

2 Уравнение состояния атмосферы

Любой газ оказывает воздействие на ограничивающую его поверхность. Модуль силы, действующей на единичную площадку, называется давление. Если выделить не­который объем воздуха, то снаружи на него будет оказывать давление внешняя часть атмосферы, которое будет уравновешиваться внутренним давлением.

Термодинамическое состояние атмосферы описывается уравнением Клапейрона для идеального газа.

(1.1), где

P – атмосферное давление, V–удельный объем газа, т. е. отношение объема тела к его массе, R – удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа, T – темпера­тура по шкале Кельвина.

Атмосферное давление на метеорологических станциях измеряется в гектопа­скалях (гПа), 1 Па=1н/м².Температура воздуха измеряется в градусах Цельсия (⁰С) и обозначается t. В термодинамических расчетах она переводится в шкалу Кельвина 0К = -273,15⁰С.

Уравнение (1.1) можно записать в виде P = ρ R , где ρ = 1/V – плотность воздуха, ρ = P/R . (1.2). Значение газовой постоянной для сухого воздуха R_d составляет 287.05 Дж/(кг ). В массе воздуха с температурой T, давлением P и давлением водяного пара e можно вычислить его плотность ρ. Влажный воздух состоит из смеси сухого воздуха и водяного пара. Доля сухого воздуха равна P-e. Для сухого воздуха уравнение (1.2) примет вид , где R_d – газовая постоянная для сухого воздуха. Отношение молекулярной массы водяного пара к молекулярной массе сухого воздуха, вычисленное на основе его газового состава равно 0,622. Таким образом для определения массы водяного пара в составе воздуха можно использовать выражение (1.3). Так как общая плотность влажного воздуха равна сумме плотностей сухого воздуха и водяного пара, то , откуда , или .(1.4).

Ввиду малости величены отношения , используя известную алгебраическую формулу , уравнение (1.4) можно записать в виде

, (1.5)

поскольку величина пренебрежимо мала по сравнению с единицей, входящей в формулу (1.5), то , обозначив ,

где T_v – виртуальная температура.

В окончательном виде получим (1.6). Выражение 1+0,378 называется виртуальным добавком. Уравнение (1.6) позволяет определить состояние влажного воздуха при помощи уравнения состояния сухого воздуха с заменой истинной температуры на ее виртуальную величину.

Виртуальная температура влажного воздуха есть такая температура, которую должен был бы иметь сухой воздух, чтобы его плотность равнялась плотности влажного воздуха с температурой T, давлением P и влажностью e. Виртуальная температура всегда несколько выше истинной температуры влажного воздуха.

Из уравнения (1.6) вытекает, что влажный воздух менее плотен, чем сухой при том же давлении и температуре Плотность воздуха с высотой уменьшается.