Атмосфера Земли Эволюция атмосферы А уход

Атмосфера Земли

Эволюция атмосферы (А – уход водорода, Бпоявление фотосинтеза, образование озонового слоя)

Скорость накопления железорудных формаций докембрия 1 - концентрация металлического железа в конвектирующей мантии Земли, 2 - уровень стояния поверхностных вод (в км) к гребням срединно-океанических хребтов, I-IV – главные эпохи железорудного накопления в докембрии Снижение уровня океана за счет оледенения и повышения О 2

Парциальные давления газов в истории Земли (по Сорохтину) 1 - СО 2, 2 - N 2, 3 – О 2

Давление воздуха у поверхности Земли, как известно, равно р0 = 1, 013 • 105 Па. Это означает, что на всю поверхность Земли площадью 4 R 2 з действует суммарная сила 4 R 2 з·p 0. Первоисточником этой силы является, естественно, притяжение. По второму закону Ньютона эта сила равна массе земной атмосферы, умноженной на ускорение свободного падения g. Отсюда нетрудно вычислить массу атмосферы Земли: (Rз=6370000 м, g =9, 81 м/с2 p 0 =1, 013 • 105 Па) Более точная цифра - 5, 14 1018 кг. Она составляет почти миллионную долю всей массы Земли (масса Земли составляет 5, 98 1024 кг).

Температурный ход в атмосфере Земли Масса атмосферы 5, 14 1018 кг. Давление воздуха у поверхности Земли, равно 1, 013 • 105 Па. Средняя температура на поверхности Земли равна +15°С

Изменение концентрации газов с высотой

Средние значения основных метеорологических величин для умеренных широт (по стандартной атмосфере США 1976 г. ) Высота, км Давление, Па Температура, К Плотность, кг/м 3 Сред. относ. молек. масса 0 1, 013 105 288 1, 23 100 28, 96 5 5, 4 104 256 7, 36 10 -1 28, 96 10 2, 65 104 223 2, 65 10 -1 28, 96 20 5, 53 103 217 5, 53 10 -2 28, 96 40 2, 87 102 250 2, 87 10 -3 28, 96 60 2, 20 101 247 2, 20 10 -4 28, 96 80 1, 05 100 199 1, 05 10 -5 28, 96 100 3, 2 10 -2 195 3, 2 10 -7 28, 40 150 4, 54 10 -4 634** 4, 54 10 -9 24, 10 200 8, 47 10 -5 855 8, 47 10 -10 21, 30 300 8, 77 10 -6 976 8, 77 10 -11 17, 73 400 1, 45 10 -6 996 1, 45 10 -12 15, 98 500 3, 02 10 -7 999 3, 02 10 -13 14, 33 600 8, 21 10 -8 1000 8, 21 10 -13 11, 51

Стабильность атмосферы. Сравним энергию гравитационного притяжения молекулы с массой /NA с ее средней кинетической энергией k. T. Гравитационная энергия равна Gm /NAR , где G – гравитационная постоянная, m – масса планеты, - молекулярная масса газа NA - число Авогадро, R - радиус планеты. Для сравнения возьмем параметр = Gm /NAk. T , равный отношению этих энергий. Если отношение окажется малым, то газ с молекулярной массой вообще не сможет оказаться в атмосфере, — он будет очень быстро улетучиваться с планеты в космос. Для существования стабильной, мощной атмосферы отношение = Gm /NAk. T должно быть значительно больше единицы. Величина , как нетрудно видеть, есть отношение квадратов первой космической скорости планеты к тепловой скорости молекул. Это отношение для Земли при = 1 (для атомарного водорода) равно 30.

Атмосферы тел Солнечной системы Небесное тело Радиус, м Температура, К 0 Описание атмосферы Состав атмосферы Солнце 7 • 108 5780 4000 Солнце — целиком газовый шар e-, Н+, Н, Не Меркурий 2, 4 • 106 400 2, 8 Атмосферы нет - Венера 6, 1 • 106 290 22 Мощная атмосфера над сушей CO 2, N 2 Земля 6, 4 • 106 250 30 Мощная атмосфера над океаном и сушей N 2 , O 2 Н 2 О Луна 1, 7 • 106 250 1, 4 Атмосферы нет Марс 3, 4 • 106 200 7, 7 Слабая атмосфера СО 2, N 2 Юпитер 7, 1 • 107 110 2000 Мощная атмосфера, непрерывно переходящая в жидкость Н 2, Не, CH 4 Сатурн 6, 0 • 107 80 950 Мощная атмосфера, непрерывно переходящая в жидкость Н 2, Не, СН 4 Титан 2, 6 • 106 80 5, 3 Мощная атмосфера над метановым океаном (? ) N 2, CH 4 Уран 2, 5 • 107 55 500 Мощная атмосфера Н 2, Не Нептун 2, 2 • 107 45 800 Мощная атмосфера Н 2, Не Плутон 1, 4 • 106 40 1, 7 Атмосферы нет (? )

Ускорение земного тяготения не только создает давление атмосферы у поверхности. Оно же препятствует разлету атмосферных газов в космическое пространство. Сравним скорости молекул разных газов при температуре 300 К со второй космической скоростью Земли v 2=(2 g. R )0, 5 = 11, 2 км/с. Если тепловая скорость молекул газа v ~(k. T/m) окажется близкой ко второй космической скорости, то этот газ в атмосфере не удержится. Оказывается, тепловая скорость молекул водорода равна 1, 1 км/с, молекул гелия — 0, 8 км/с, средняя скорость молекул азота и кислорода близка к 0, 3 км/с. Скорости газов оказались меньше второй космической скорости, но на самом деле газы атмосферы все же улетучиваются в космос, только очень медленно. Происходит это потому, что в высоких слоях атмосферы температура достигает 1200 К. Это означает, что скорости молекул там в два раза больше, чем по сделанным оценкам. К тому же были оценены только средние скорости молекул.

Распределение абсолютных значений скоростей описывается формулой Максвелла: где uв – наиболее вероятная скорость: uв 1, 42(k. T/m)0, 5 3, 1 км/с

Упрощенная схема потоков солнечной и земной радиации • Плотность потока солнечной энергии равна (1367± 6) Вт/м 2 • Мощность солнечной энергии, достигшей атмосферы равна 1, 75 1017 Вт, • Мощность солнечной энергии поглощенной атмосферой и земной поверхностью на 2830% меньше за счет альбедо – коэффициента отражения атмосферы, • 5% этой энергии переносится атмосферой (3%) и океаном (2%) от экватора к полюсам

Доля отраженной световой энергии называется альбедо и обозначается А. Это латинское слово происходит от albus — «белый» . Альбедо — это как бы степень белизны. А – это отношение плотности потока радиации, диффузно отраженной от поверхности тела, к плотности потока радиации, падающей на него. Точность, с которой нам известно альбедо нашей собственной планеты, до последнего времени была невелика. Считалось, что Земля отражает в космос от 30 до 40 % падающего на нее света. Последние измерения со спутников дали значение альбедо, равное 28 %. Альбедо определяется своиствами и состоянием поверхности и зависит от высоты Солнца. Албедо снежного покрова при безоблачной погоде меняется в пределах 52 -99%. Альбедо травяного покрова зависит от густоты, цвета, сочности травы и меняется от 12 до 28%. Альбедо почвы составляет 8 - 26% (белый песок до 40%). Альбедо водной поверхности еще меньше. Альбедо океанов и морей при сплошной облачности 6 -8%. Для наземных водоемов 7 -16%.

Земля поглощает Р(1 -А) мощности теплового излучения Солнца, а излучает как «абсолютно черное тело» по закону Больцмана плотность потока энергии, равной Б Тз 4. Приравниваем излучаемую мощность и поглощаемую: Используем закон Больцмана для описания светимости Солнца: Температура Земли получается 257 К или — 16°С.

Тепловой баланс атмосферы а — инфракрасное излучение; б — прямой видимый свет; в — рассеянный видимый свет; г — ультрафиолетовое излучение

Экваториальная конвекция – причина глобальных ветров

Схема глобальных земных ветров — ячейки атмосферной циркуляции

Положение циркумполярных вихрей

Наступление «ядерной ночи» - начало «ядерной зимы» В первые дни над тысячами взрывов и пожаров возникают шлейфы дыма и пыли. В первую и вторую неделю средние широты Северного полушария покрываются сплошной пеленой.

Через две - три недели пелена дыма переходит экватор. Через месяц почти вся Земля окутана облаком дыма.

Глобальное изменение климата

Барические системы (изобары на уровне моря)

Анатомия тропического циклона H=10 20 км, D=800 1000 км, d=15 25 км

Схема циклона (А) и антициклона (Б): 1 — давление у поверхности; 2 2 — направления поверхностных ветров; 3 3 — вертикальный разрез; 4 — направления высотных ветров; 5 5 — давление верхней тропосферы.

Ураган «Катрина» над южной частью США (кон. августа 2005 г. )

Нью-Орлеан (сент. 2005 г. ) Последствия урагана Андрю, нанесшего наибольший ущерб среди тропических циклонов в истории Америки

Области возникновения ураганов

Структура нижней части тропосферы

Характерные величины z 0 для естественных поверхностей Тип поверхности z 0, м Очень гладкая (лед)………. Открытая вода, снег, равнина без растительности и препятствий………. Луг с травой до 1 см высотой…………… Равнина, редкая трава до 10 см высотой Густая трава выстой до 10 см……. Редкая трава высотой до 50 см…………. Густая трава высотой до 50 см…(до 60 см*)… Неоднородная поверхность с чередующимися участками травы и кустарниками …………. . Парк, лес высотой до 10 м…………. Городские постройки (пригороды)… Центр города с высокими и низкими зданиями… 0, 00001 0, 0002 – 0, 0005 0, 001 0, 007 0, 023 0, 05 0, 09 (0, 04 -0, 09*) 0, 1 – 0, 2* 0, 2 -1, 0* 2, 0**

Изменение модуля средней скорости ветра с высотой • 1 - средний дневной ход скорости ветра, 2 - мгновенный срез дневной скорости ветра, 3 – ночной ход средней скорости ветра) где u – скорость ветра на высоте z, u 1 – скорость на фиксированном уровне z 1 (например, на высоте флюгера), р - показатель степени изменяющийся от 0 до 1.

Механическая турбулентность Число Рейнольдса: Re = u H/ , где u - изменение средней скорости, Н – линейный масштаб (расстояние, на котором средняя скорость меняется на u), - кинематическая вязкость среды (жидкости или газа). Критическое число Рейнольдса Re кр имеет порядок 2 3 103 Для = 0, 138 10 - 4 м 2/с Re=7, 246 10 4 u H При u = 1 м/с и H =10 м Re = 7, 246*105 >> Reкр

Спектр скоростей ветра в приземном слое атмосферы Cиноптическая область с центром вблизи частоты f 1 = 0, 01 цикл/час и область мелкомасштабных пульсации с центром около f 2 = 60 цикл/час.

Вертикальный температурный градиент: Для стандартной атмосферы - ( T/ z) = 6, 5 К/км. Адиабатическая атмосфера: - ( T/ z)ад= 9, 8 К/км < 90 - нормальная атмосфера, = 90 - изотермическая атмосфера, > 90 - инверсия в атмосфере.

Термическая турбулентность Термодинамически устойчивым называют такой слой атмосферы, частица которого, будучи выведена их первоначального положения, стремится вернуться к нему. Варианты температурного хода в атмосфере 1 – неустойчивая атмосфера, 2 – нейтральная атмосфера, 3 – слабо устойчивая атмосфера, 4 – инверсии: 1 – приземная, 2 – инверсия оседания

Категория устойчивости атмосферы по Пасквиллу Скорость ветра на высоте 10 м, м/с В дневное время солнечная радиация, Вт/м 2 В ночное время Интенсивная >700 Умеренная 300 -700 Слабая <300 4/8 облачного покрова 3/8 облачного покрова u <2 A A-B B F* F* 2 u<3 A-B B C E F 3 u <5 B B-C C D E 5 u<6 C C-D D 6 u C D D А — предельно неустойчивая; В — умеренно неустойчивая; С — слабо неустойчивая; D — нейтральная; Е — слабо устойчивая; F — умеренно устойчивая; G – сильно устойчивая (некоторые авторы).

Виды шлейфов при разных погодных условиях а) класс устойчивости А – сильно неустойчивая; б) класс устойчивости Е – слабо устойчивая; в) класс устойчивости F – устойчивая – инверсия; г) инверсия оседания

Остров тепла над городом

Искажение ветрового потока вблизи зданий I – первичный поток; II- зона подпора III – аэродинамическая тень IV – след 1 - граница зоны возмущения, 2 – граница тени, 3 – граница следа,