Как найти массу столба воздуха

ВМО – Всемирная
Метеорологическая Организация

• согласование
  методик наблюдения

• контроль за
  качеством данных

• организация и
  координация работы системы сбора

• обработка и
  распространение информации в масштабах
  всего мира.

Штаб-квартира –
в Женеве

С помощью
региональных и национальных центров
сбора ВМО осуществляет глобальный
мониторинг состояния атмосферы, что
позволяет учитывать все метеорологические
процессы, несмотря на их различные
пространственные масштабы и разную
продолжительность.

В соответствии
с регламентом ВМО наземные
метеорологические наблюдения
производятся 8 раз в сутки через 3 часа
по единому (универсальному) времени
проверенными меторологическими
приборами со стандартной точностью.

3. Эволюция
состава атмосферного воздуха.
Современный состав воздуха

Этапы эволюции
атмосферы

1. Бескислородный

а) Первичная
атмосфера: 4,6 – 3,8 млрд. лет

Температура
падала.

б) Вторичная
атмосфера: 3,8 – 2 млрд. лет.

Температура
росла.

Первоначально
атмосфера состояла из газов вулканического
происхождения и имела такой состав:

• водяной пар

• углекислый газ

• азот

• сероводород

По мере охлаждения
Земли водяной пар конденсировался,
выпадали осадки и образовывались
океаны, моря и озёра.

Кислород появился
только после возникновения растений.

2. Кислородная
атмосфера

а) Кислорода
менее 12% состава: 2 – 0,5 млрд. лет

б) Кислорода
достаточно для биосферы.

Современный
состав воздуха:

1. Сухой воздух –
   смесь идеальных газов

   • Азот (N₂)
     – 78%

   • Кислород (O₂)
     – 21 %

   • Аргон (Ar)
     – 0,9 %

   • Углекислый газ
     (CO₂)
     – 0,036 %

   • Неон (Ne)

   • Гелий (He)

   • Метан (СH₄)

   • Криптон (Kr)

   • Водород (Н₂)

2. Переменные
   компоненты

• Водяной пар (H₂O)

• Озон (O₃)

1. Аэрозоли –
   взвешенные в воздухе твёрдые частицы
   или капельки (дым, сажа, морская соль,
   пыльца, споры, микроорганизмы)

Размер – от 0,001 до 5 мкм.

4. Вертикальное
строение атмосферы

1
)
классификация по температуре:

а) тропосфера

0 – 10 км (в полярных
областях до 7-8 км, на экваторе – до
15-16 км)

Температура
убывает 6° на 1 км

Неустойчива.
Охвачена сильными горизонтальными и
вертикальными движениями.

Погода, климат,
облака, осадки.

аб) тропопауза

Переходный слой,
в котором наблюдается минимум
температур.

Задерживает
водяной пар и облака в тропосфере.

б) стратосфера

10-50 км

Температура
повышается 1-1,5° на 1 км. Это объясняется
поглощением солнечной УФ радиации
озоном

Ограничивает
высоту образования облаков.

Метеозонды

бв) стратопауза

Температура
достигает 0°С

в) мезосфера

50-80 км

Температура
падает до -100°С

Метеоры

вг) мезопауза

г) термосфера

80-500
км

Температура
увеличивается до 1000°С за счёт поглощения
коротковолновой части солнечной
радиации.

Полярные сияния

гд) экзобаза

Верхний предел атмосферы,
где взаимные соударения удерживают
частицы газов, и не происходит выброс
газов в космос.

д) экзосфера

500-10
000 км

Состоит из атомов
водорода, “улетучивающихся” из
верхней атмосферы.

2) классификация
по степени однородности состава
воздуха:

а
)
гомосфера

0-90 км

За счёт турбулентного
перемешивания относительный состав
газов не меняется

аб) турбопауза

б) гомосфера

Слабое турбулентное

перемешивание.
Относительный состав газов заметно
меняется с высотой.

3) классификация
по ЭМ характеристикам

Ионосфера
– часть
верхней атмосферы
Земли, сильно ионизирующаяся вследствие
облучения космическими
лучами, идущими, в первую очередь,
от Солнца.

а) слой D

60-90 км

Область слабой
ионизации

б) слой E

90-120 км

Рост концентрации
электронов в дневное время, т.к. основной
источник ионизации – солнечное КВ
излучение

в) слой F1

150-200 км

Максимум
ионообразования.

г) слой F2

Выше 200 км.

5. Горизонтальная
неоднородность тропосферы (воздушные
массы и климатические фронты).

Непериодические
изменения погоды вызываются перемещением
и взаимодействием воздушных масс и
разделяющих их фронтов, являющихся
носителями определенных условий
погоды.

Воздух
тропосферы постоянно расчленяется
на большие объемы — воздушные массы.
По высоте воздушные массы простираются
до

10 км. Воздушные
массы обладают однородностью свойств
и прежде всего температуры и перемещаются
как одно целое в системе обшей циркуляции
атмосферы. Они формируются в определенном
очаге — над однородной подстилающей
поверхностью.

Перемещаясь,
воздушные массы меняют свои свойства,
или трансформируются. Свойства
воздушных масс определяют режим
погоды, особенно изменчивый при
переходе из одной воздушной массы в
другую.

Воздушные
массы квалифицируются по тепловым
характеристикам или географическому
положению их очагов.

Формирование,
трансформация и разрушение воздушных
масс неизбежны в постоянном круговороте
атмосферы.

6.
Основные
метеорологические величины, их
определение, единицы измерения и
характерные значения.

• атмосферное
  давление, измеряемое в гектопаскалях
  (1 гПа=100 Па=100 н/м²)

• температура
  воздуха, измеряемая в ⁰С

массовая доля
(концентрация) водяного пара, измеряемая
в ‰ (метеорологи эту единицу часто
обозначают г/кг)

• скорость ветра,
  измеряемая в м/с

• направление
  ветра, измеряемое в угловых градусах;

• количество
  выпавших осадков, измеряемое в
  миллиметрах слоя воды.

7. С
помощью уравнения состояния объяснить,
почему теплый и влажный воздух легче
сухого и холодного.

В
метеорологии принято сохранять для
влажного воздуха значение универсальной
газовой постоянной
R,
а эффект переменной влажности относить
к температуре.

Для этого вводится
величина, называемая виртуальной
температурой по формуле:

Виртуальную
температуру нельзя измерить, ее можно
только вычислить. Она полезна для
расчета плотности влажного воздуха
по формуле:

Формула показывает,
что поскольку виртуальная температура
T_B
всегда больше реальной температуры
воздуха T,
плотность
влажного воздуха всегда меньше, чем
плотность сухого
при прочих одинаковых условиях.

8. Как определить
массу атмосферы с помощью уравнения
статики? Что такое барометрическая
ступень?

Ясно,
что можно определить массу

воздушного столба
(M_a)
с сечением 1 м²
(он называется единичным столбом
атмосферы) по формуле:

.

Зная массу
единичного атмосферного столба и
умножив ее на площадь поверхности
земного шара 4πR²
= 5,1∙10¹⁴
м²,
можно приближенно оценить массу
атмосферы Земли M
= 5,1∙10¹⁸
кг.

уравнение
состояния:

.

Множитель в
круглых скобках имеет полезное
приложение. Его смысл легко установить,
если принять Δp=1
гПа. Значение величины Δz
в этом случае называется барической
ступенью (h)

Оно определяется
по формуле:

.

Давление следует
подставлять в гектопаскалях, а значения
h
получаются в метрах. Например, если
на уровне моря давление 1000 гПа, а
температура 10 ⁰С,
то h
= 287∙(273+10)/9,8/1000 ≈ 8 м . Таким образом,
барическая ступень показывает, что
при подъеме
на 8 м давление упадет, примерно на 1
гПа.