ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера — газовая оболочка Земли, распространяющаяся до высот приблизительно 1000 км.

Атмосфера состоит из смеси ряда газов — воздуха, в котором во взвешенном состоянии находятся пыль, капельки, кристаллы и т. п. Водяной пар также входит в состав воздуха, однако в отличие от большинства других газов его процентная доля существенно меняется с высотой и даже у поверхности земли содержание водя­ных паров значительно меняется как во времени, так и в про­странстве. В меньшей мере изменяются доли диоксида углерода и озона. Процентное отношение других газов меняется в простран­стве атмосферы незначительно. Поэтому в метеорологии приняты понятия сухого воздуха и влажного воздуха. Процентное соотно­шение газов (по их объему) в сухом воздухе следующее.

 

Азот Кислород Аргон Диоксид Другие

(N₂) (О₂) (Аr) углерода (СО₂) газы

8,08 20,95 0,93 0,03 0,01

 

Существует понятие «международная стандартная атмосфера» (МСА), для которой принимают следующие основные условные характеристики: состав сухого воздуха такой же, как и у земной поверхности; давление на уровне моря при температуре 15 °С равно 760 мм рт. ст. (1013,3 миллибар); вертикальный температурный градиент

6,5 °С/км.

В метеорологии основными физическими характеристиками атмосферы принято считать: давление, температуру, плотность, которые значительно изменяются с высотой и взаимозависимы. В соответствии с известным законом физики для единицы массы газа правомерно уравнение

(1.1)

где р — давление; V —объем единицы массы газа; R —удельная газовая постоян­ная; T — абсолютная температура, T = t °С + 273.

Величина R представляет собой работу при расширении газа, нагревающегося на

1 °С при постоянном внешнем давлении, и зависит от его вида. Она меняется при изменении состава воз­духа, в том числе зависит от степени влажности воздуха и будет различна для сухого воздуха, влажного воздуха и самого водяно­го пара.

В физике и метеорологии различают универсальную газовую по­стоянную , относящуюся к одной грамм-молекуле (молю) и чис­ленно одинаковую для всех газов, и удельную (или характеристи­ческую) газовую постоянную, относящуюся к 1 г газа, имеющую разные значения для различных газов. Численное значение уни­версальной газовой постоянной = 8,3144∙10⁷ эрг/(моль∙град) = 8,3144м²/(с²∙град). Для сухого воздуха удельная газовая посто­янная = 287?05 м²/(с²∙град).

Уравнение (1.1) можно представить в следующем виде:

(1.2)

где — плотность воздуха, , то есть масса воздуха в единице объема. Соответственно для сухого воздуха

(1.3)

Плотность реального влажного воздуха

, (1.4)

где — плотность сухого воздуха; — плотность водяного пара.

Водяной пар обычно характеризуется его парциальным давлением е, мб. Тогда давление сухого воздуха можно выразить как (р — е) и согласно уравнению (1.3)

откуда

. (1.5)

Плотность пара:

. (1.6)

При условиях, соответствующих международной стандартной атмосфере, от которой в приземной части реальный воздух суще­ственно не отличается, можно считать справедливым закон Авогадро, из которого следует, что объем одного моля любого газа одинаков и соответственно: (здесь и — моле­кулярные массы сухого воздуха и водяного пара). Зная , можно записать, что . Тогда

, (1.7)

т. е. плотность пара выражена через удельную газовую постоянную сухого воздуха. Подставляя в формулу (1.4) значения и из формул (1.5) и (1.7) и проводя математические преобразования, получим плотность реального влажного воздуха:

. (1.8)

Таким образом плотность реального влажного воздуха выраже­на через удельную газовую постоянную сухого воздуха .

Поскольку в реальных условиях атмосферы отношение очень мало, то можно записать:

С учетом этого равенства, выражение (1.8) примет следую­щий вид:

(1.9)

Величину в метеорологии принято назы­вать виртуальной температурой. То есть это температура, которую имел бы при данном давлении сухой воздух той же самой плотно­сти, что и рассматриваемый влажный воздух. В метеорологии ши­роко используют понятие «виртуальная температура» (), в част­ности принято выражать плотность реального влажного воздуха с помощью удельной газовой постоянной сухого воздуха и вирту­альной температуры:

. (1.10)

Зависимость между плотностью, температурой и давлением воз­духа во многом определяет состояние атмосферы и тем самым вли­яет на множество других характеристик атмосферы.