Авиационная метеорология Факторы атмосферных процессов Строение атмосферы

Авиационная метеорология

Факторы атмосферных процессов. Строение атмосферы.

Тема 4. факторы атмосферных процессов § § Радиационный приток солнечного излучения; Поглощение солнечной энергии земной поверхностью и (в меньшей степени) атмосферой; Излучение земной поверхности и атмосферы Орография подстилающей поверхности

Солнечное излучение Солнечная энергия – основной первоисточник нагрева атмосферы: Q Cолнца > Q Земли в 3∙ 105 раз Q Cолнца> Q космоса получаемого от Солнца 1 м 2 в 3∙ 107 раз § Количество тепла, поверхности Земли: Солнечная постоянная – Земли: плотность потока суммарной радиации Солнца на верхней границе атмосферы S 0 ≈ 1367 Вт/м 2 § Около 30 % всей падающей солнечной радиации отражается в космос, § 70 % - проходит в атмосферу, 95 -99% от которого поглощается земной поверхностью, атмосферными газами (СО 2, Н 2 О, O, N 2, O 3) и аэрозолем

Поглощение земной поверхностью зависит от ее свойств (гл. обр. теплоемкости и альбедо). Теплоемкость почвы (с=ΔQ/ΔT) составляет примерно 0, 3 от теплоемкости воздуха Альбедо А – отношение количества отраженной радиации к общему количеству падающей на поверхность (во всем участке спектра) § § Свежий снег: А= 80 -90 % Сухой песок: А= 40 % Влажный чернозем: А= 5 % Мировой океан: А= 5 -20 %

Распределение энергии Солнца по спектру Участок спектра 1. ИК излучение 2. Видимый свет Длины волн % от полно Процессы в атмосфере й энерги и излуче ния Солнц а (0. 76 -200) мкм 8, 5 -12, 0 мкм «окно прозрачнос ти» ) 44% Излучается и поглощается земной поверхностью, Н 2 О, СО 2, аэрозолем, озоном (9, 6 мкм) На область «окна прозрачности» приходится 17 % излучения Земли ( спектр близок к АЧТ) (0. 40 -0. 76) мкм 47% Поглощается аэрозолем Н 2 О, O,

Радиационный баланс в атмосфере - алгебраическая сумма потоков радиации, входящих в земную атмосферу из мирового пространства и уходящих из нее обратно ИК излучение Теплота парообразования ИК излучение-поглощение (парниковый эффект) Излучение Солнца 0. 1 -4 мкм

Тема 5. Строение атмосферы

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ атмосферу Земли подразделяют на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу

5. 1. Тропосфера (0 -10 км) 1. Падение температуры с высотой ( 6, 5 К/км) 2. 4/5 всей массы атмосферы 3. (1 -1, 5) км – пограничный слой, где заметно влияние трения. 4. Тропопауза – граница со стратосферой (h=10 км), начинается рост Т с высотой или изотермия 5. Преобладает западный перенос, скорость ветра растет с высотой 6. Струйные течения (v=100 -800 км/ч)

5. 2. Стратосфера (10 -55 км) 1. Большая устойчивость атмосферы (изотермия до ~25 км, рост температуры до высоты ~55 км) 2. В стратосфере максимально содержание озона (на 15 -25 км) 3. Крайне низкое содержание Н 2 О 4. На высотах 22 -24 км образуются перламутровые облака 5. Летняя смена направления ветра с западного на восточный 6. Стратосферные зимние потепления 7. Струйные течения

Стратосферные потепления § Сильное и внезапное повышение температуры «взрывного характера» в стратосфере зимой, иногда на 50° и более в течение нескольких (порядка десяти) суток. При этом меняется знак меридионального градиента температуры над полушарием, формируется стратосферный антициклон, и общий перенос воздуха меняется с западного на восточный. С. П. возникает в верхней стратосфере, в слоях, располагающихся над уровнем стратонуля (около 24 км) и затем распространяется также и на нижнюю стратосферу и вверх на мезосферу. Возвращение к нормальному зимнему режиму протекает медленнее, чем развитие потепления. С. П. до конца не объяснены. По-видимому, непосредственной причиной С. П. является опускание и адиабатическое нагревание стратосферного воздуха, связанное с перестройкой условий циркуляции (разрушением планетарных волн). С. П. впервые наблюдалось Шерхагом в 1952 г. по наблюдениям в Берлине; отсюда синоним: берлинский феномен. Другой синоним: внезапное стратосферное потепление. Чаще наблюдается в северном полушарии, чем в южном.

Согласованное изменение температуры в тропосфере (4 км) и мезосфере (60 км)

и скорости

Стратосферные потепления. Опасность для авиации: § Резкая локальная смена направления и скорости ветра § Уменьшение плотности воздуха и связанное с ним уменьшение подъемной силы крыла.

Струйное течение § — перенос воздуха в виде узкого течения с большими скоростями ( до 250 км/ч) в верхней тропосфере и нижней стратосфере, с осью вблизи тропопаузы

Перламутровые облака в стратосфере

5. 4. Средняя атмосфера (мезосфера) H=50 -80 км § Температура с высотой уменьшается до минимального ее значения (около 180 К) на верхней границе мезосферы, называемой мезопауза, высота около 80 км § На мезопаузе серебристые облака § Сильная турбулентность § «игноросфера» (неудобна для ВС и ИСЗ, менее изучена)

Термосфера (h = 80 -1000 км) § Рост температуры с высотой (до 1800 0 С на h= 400 км в года активного Солнца) § Сильная ионизация воздуха § В термосфере поглощается корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца, сгорают метеоры § Полярные сияния § ИСЗ

Экзосфера (h > 1000 км) § - сфера ускользания газов (водород и гелий): отдельные частицы могут приобрести скорости теплового движения, превосходящие вторую комическую (11000 м/с), потери которых пополняются частицами солнечного ветра § h>1500 км в годы активного Солнца атмосфера состоит из Не, в годы пониженной активности – из Н

Солнечный ветер и СКЛ СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР – это поток заряженных частиц (полностью ионизованной водородной плазмой в силу примерно одинаковой плотности электронов и протонов, а также альфа-частицы), увлекающий за собой силовые линии магнитных полей Солнца, ускоренно двигающийся от Солнца в космическом пространстве и обтекающий магнитосферу Земли. (кэ. В)

СКЛ и магнитное поле Земли В {e-, p+, α+} S N Магнитное поле Земли Северный магнитный полюс (S) – (820 с. ш. , 1100 з. д. ), скорость дрейфа в западном направлении – около 10 км в год Магнитная индукция (вертикальная компонента) В ≈ 10 -5 Тл

Авроральный овал (распределение потоков частиц СКЛ в полярной шапке Северного полушария)

Изменение температуры в разных слоях атмосферы в период вспышки N N N

Ионосфера (60 -1000 км) § Слой D – 60 -90 км, концентрация ионов n=102 -104 cм-3 § Слой F – 105 -160 км, n=102 -104 cм-3 § Слой F - >180 км, n=105 106 cм-3 (на 300 км) § Плазма с концентрацией 106 см-3 отражает радиоволны λ> 20 м.

Возмущения в ионосфере § ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ – это явление свечения неба изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли. Вызваны возбуждением атомов кислорода О и азота с последующим излучением квантов света (зеленая и красная линии 557, 7 нм и 630 нм кислорода, синие и фиолетовые азота - 427, 391 нм).

§ Из классической теории дисперсии: Повышенная ионизация и нагрев атмосферы приводят: 1. К нарушению радиосвязи 2. Изменениям ветра и возникновению электрических токов, возмущающих магнитное поле Земли – т. е. магнитным бурям 3. Полярным сияниям ( в авроральном овале)

Возмущения в ионосфере § § магнитные бури и нарушение радиосвязи Повышенное поглощение атмосферой УФ и рентгеновского излучения вызывает ее нагрев, увеличивает шкалу высот (воздух расширяется), плотность воздуха возрастает – усиливается торможение спутников, что приводит к изменению их орбиты и преждевременному сходу с орбит. В длинных линиях электропередач вариации магнитного поля Земли индуцируют дополнительные токи (Фуко), что способно вывести из строя оборудование, токи в нефте- и газопроводах вызывают усиленную коррозию металла и износу труб, Воздействие на самочувствие людей

Спутниковые наблюдения полярных сияний

Тема 6. Электрическое поле Земли + - Е + + - - + Е≈100 В/м в приземном слое Егроз 25000 -30000 0 С Е≈5 В/м в на 10 км Егроз≈(25 -50)103 В/м В среднем Земля имеет отрицательный потенциал относительно атмосферы. Ез - + + -

Спрайты

Огни св. Эльма