Курс «Физика и химия атмосферы»

Лекция №3.


Деление атмосферы на слои

СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АТМОСФЕРЫ


Для количественной характеристики термодинамического состояния атмосферы Земли используют набор различных параметров такой сложной системы как «атмосфера -земная поверхность»: температура, давление, плотность воздуха, содержание различных газов (например водяного пара); скорость и направление ветра; характеристика облаков – балльность (количество), высота и толщина облаков; интенсивность осадков; метерологическая дальность видимости; водность туманов и облаков и т.д. Для климатологов важны также характеристики подстилающей поверхности – температура суши и поверхности океана, влажность почв и др.

К структурным параметрам атмосферы относят, как правило, давление, температуру и плотность воздуха. Эти физические величины связаны двумя соотношениями.


1. Уравнение состояния идеального газа:


(1)


где р – давление; Т – температура; m – масса; - молекулярная масса воздуха.

R – универсальная газовая постоянная. Если разделить обе части уравнения (1) на объем V, получим первое соотношение связи структурных параметров


(2)


где - плотность воздуха.


2. Уравнение гидростатики:


(3)

Где - ускорение свободного падения; z – высота. Из уравнения гидростатики (3) плотность воздуха определяется соотношением:

(4)


Уравнение состояния для идеального газа можно записать в виде


(5)


Где n – число молекул в единице объема; k – постоянная Больцмана.


Параметры, определяющие деление атмосферы на слои


Деление атмосферы на слои осуществляется по разным признакам:

1. 
   Распределение температуры с высотой.
   
2. 
   Газовый состав и наличие заряженных частиц.
   
3. 
   Характер взаимодействия с земной поверхностью.
   
4. 
   Влияние атмосферы на летательные аппараты.
   
5. 
   Влияние магнитного поля на состояние атмосферы.
   

ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ АТМОСФЕРЫ


Слой Высота Переходный слой


Слой перемешивания 300-500 м

Тропосфера 0 – 11 км Тропопауза

Стратосфера 11 – 50 км Стратопауза

Мезосфера 50 – 90 км Мезопауза

Термосфера Выше 90 км Термопауза

Экзосфера Выше 450 км


ДЕЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ НА СЛОИ ПО ДРУГИМ ПРИЗНАКАМ


По составу воздуха атмосферу подразделяют на гомосферу и гетеросферу. В гомосфере (0-95 км) относительное содержание основных атмосферных газов (азот, кислород, аргон) и молекулярная масса воздуха ( г/моль) очень мало меняется с высотой.

В гетеросфере, выше 95 км, наряду с N₂ и O₂ появляется в заметных количествах атомарный кислород О за счет процессов диссоциации молекул О₂ коротковолновым солнечным излучением. В связи с этим молекулярная масса воздуха в гетеросфере уменьшается с высотой.

По признаку газового состава атмосферы принято также выделять отдельно выделять озоносферу (15 – 55 км), в которой сосредоточена основная масса такого важного атмосферного газа, как озон.

Начиная с 60 км в атмосфере значительно возрастает содержание заряженных частиц (ионов и электронов). Поэтому слои атмосферы выше 60 км называют ионосферой.


БАРОМЕТРИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ


Подставляя плотность в уравнение гидростатики, получим:










Интегрирование этого дифференциального уравнения дает барометрическую формулу.


}


где p(0) – давление при z=0.


В более простом виде эту формулу можно переписать как





Обозначив , получим барометрическую формулу.





Для усредненной атмосферы Земли H