Основные характеристики атмосферы

Рассматривая атмосферу как составную часть биосферы, Владимир Иванович Вернадский выделил в ней две части: тропосферу (нижний слой атмосферы, который имеет мощность от 6-10 км на полюсах до 14-18 км в тропических широтах) и нижний слой стратосферы (останниии расположенный над тропосферой на высотах от 16-18 до 40-50 км).

Основной составной частью атмосферы является воздух, состоящее из азота N, (78%), кислорода О, (21%), аргона Аг (1%). Средняя молекулярная масса воздуха 28,8 г / моль. Как и все газы, воздух может сильно сжиматься, удельный объем воздуха прямо пропорционален абсолютной температуре и обратно пропорционален давлению.

Удельная теплоемкость воздуха зависит от вида изопроцессам неодинакова при постоянном давлении и постоянного объема.

Плотность воздуха прямо пропорциональна давлению ии обратно пропорциональна абсолютной температуре. Давление в изотермическом атмосфере с увеличением высоты уменьшается по показательному закону (в среднем 10% на 1 километр). Давление продолжает снижаться с увеличением высоты, но никогда не равна нулю, таким образом, атмосфера постепенно переходит в вакуум внешнего пространства. На высоте 34 км давление составляет 1% приземного давления.

До сих пор мы рассматривали свойства сухого воздуха, однако воздух содержит водяной пар. Водяной пар значительно изменяет прозрачность атмосферы для инфракрасной радиации, а присутствие облаков, капель сконденсированной воды изменяет тепловой баланс Земли.

При данной температуре и определенном давлении водяной пар находится в равновесии с жидкой водой или льдом. Воздух, находясь в равновесии с жидкой водой, является насыщенным и имеет относительную влажность 100%. При 100 ° С давление водяного пара равно 1 атм при каждом понижении температуры на 10 С он уменьшается вдвое.

Наличие водяного пара в воздухе существенно влияет на поднятие и опускание воздушных масс. Вблизи океана воздуха будет почти насыщенным водяным паром. Как только такой воздух начинает подниматься, оно расширяется и, таким образом "охлаждается. Однако охлажденный воздух содержит такое же количество водяного пара на единицу масс и воздуха, поэтому в результате оно становится перенасыщенным водяным паром. Перенасыщение приводит к фазового превращения водяного пара на капли жидкой воды. Одновременно фазовое превращение пары в жидкость освобождает тепло испарения, нагревая таким образом воздух. Это нагрева вследствие конденсации будет противодействовать охлаждению, вызванном расширением воздуха, который поднимается вверх. Этим объясняется меньшее падение температуры с высотой, чем этого можно было 6 ожидать при подъеме сухого воздуха.

Водяной пар меняет также удельный объем воздуха. Средняя молекулярная масса воздуха равна 28,8, в то время как молекулярная масса воды - только 18. Таким образом, влажный воздух при тех же самых значениях давления и температуры будет иметь несколько меньшую плотность, поскольку более легкие молекулы воды заменят молекулы воздуха. Поэтому при тех же значениях температуры и давления влажный воздух поднимается над сухим. Если бы влажный воздух и сухой воздух поднимались вместе, то влажный воздух охлаждалось бы медленнее и его плотность была бы меньше по сравнению с сухим воздухом.

Движение воздуха, с которым мы все хорошо знакомы, - ветер - имеет в основном горизонтальное направление перемещения. Ветры зависят от распределения давлений ее вращения Земли. Но распределение давлений является следствием поступления солнечной радиации и излучения. Земли в космос. Ветер, собственно говоря, является следствием неодинакового нагрева и охлаждения атмосферы. Простую теорию, объясняющую возникновение ветров, выдвинул Хэдли в 1735 Он считал, что поскольку Земля получает больше тепла вблизи экватора, чем у полюсов, то воздух, нагретый в тропиках, поднимается, затем направляется к полюсам и, охлаждаясь там, опускается и возвращается снова к экватору вдоль поверхности. Если бы Земля не вращалась, это вызывало бы ветры, дующие от полюсов к экватору вдоль поверхности Земли. Вследствие вращения Земли воздуха движется к экватору, отклоняется так, что в результате возникают ветры, которые дуют с востока на запад. Они называются пассатами. Пассаты, постоянные ветры, имеющих скорость 5-7,5 м / с, занимают пояса между широтами 25 и 5 в каждом полушарии. В северном полушарии они дуют с северо-востока, в южном полушарии - с юго-востока. Хотя теория Хэдли объясняет возникновение пассатов, однако, рассуждая так и дальше, мы должны были бы надеяться, чтобы ветры на всех широтах должны иметь тот же направление, и пассаты. Общая циркуляция атмосферы не соответствует простой модели Хэдли. Между пассатами и ветрами околополюсных зон расположен широкий пояс с преимущественно западными ветрами. Ошибка модели Хедли возникла из предположения, что нагрев и охлаждение атмосферы ограничивается земной поверхностью. На самом деле верхние шарп атмосферы охлаждаются через излучение во внешнее пространство. Величина этого охлаждения лежит в пределах от 1 до 2 С по лбу. Воздух, движется к полюсу в верхних слоях, достигнув примерно ЗО широты, начинает опускаться вниз к земной поверхности. Опускаясь, он нагревается в результате сжатия. Достигнув поверхности, воздух растекается как на север, так и на юг. Таким образом формируется область высокого давления на этих широтах. Воздух, поднимается на экваторе, не достигает полюса, а образует замкнутый циркуляционный очаг между экватором и ЗО. Воздух, опустилось на широте ЗО и дальше движется к полюсу, будет вызывать ветры с западной составляющей в результате вращения Земли. Вблизи полюсов происходит быстрое охлаждение воздуха в верхних слоях, что приводит к его опускания. Поскольку этот воздух направляется у поверхности Земли до экватора, то оно отклоняется таким образом, что ветер у земной поверхности имеет восточную составляющую. Субполярный район низкого давления образуется там, где встречаются холодные восточные ветры с теплыми западными ветрами. Здесь происходит подъем воздушного потока. В результате распада простой циркуляции на вихри зона западных ветров умеренных широт становится ареной взаимодействия циклонов и антициклонов. В районах преобладания восходящих движений наблюдается превышение осадков над испарением, в зонах нисходящих движений воздушных масс - превышение испарения. Фактически циркуляция осложняется распределением суши и водной поверхности на Земле. Наибольшие годовые колебания температуры над материками вызывают годовой ход муссонов над северной частью Индийского океана.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >