Top Banner

of 35

fizica atmosferei (1)

Jul 14, 2015

Download

Documents

Ionut Florian
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript

7. Procese fizice n atmosferStudiul diferitelor fenomene fizice i procese care au loc n atmosfera terestr cum sunt absorbia i radiaia cldurii, adic nclzirea i rcirea aerului, micarea i circulaia general a aerului, evaporarea i condensarea apei precum i fenomenele electrice i magnetice care se produc n atmosfer au condus la apariia unei ramuri noi de studiu n fizic care studiaz atmosfera: fizica atmosferei.n acest scop se folosesc att metodele fizicii ct i cele matematice (analitice), pentru a stabili i explica cauzele care genereaz fenomenele din atmosfer, efectele pe care le produc precum i determinarea unei dependene calitative ntre ele. n acest mod se poate emite o prognoz meteorologic pentru a prevedea fenomenele atmosferice care produc pagube i distrugeri.La fel ca n orice domeniu al fizicii i n fizica atmosferei se stabilesc ipotezele i se formuleaz concluzii n urma unor studii analitice i a verificrilor experimentale . putem face msurtori n condiii naturale date i putem modela unele fenomene n camere speciale, adiabatice sau climatologice i apoi modelare matematic a fenomenului.Fenomenele fizice din atmosfer sunt legate de cele care au oc n scoara terestr sau n oceanul planetar i se influeneaz sau condiioneaz reciproc. De asemenea se observ o influendirect a spaiului cosmic asupra pturilor superioare ale atmosferei prin ptrunderea n atmosfer a meteoriilor, a prafului cosmic (particule din gazul interplanetar), a radiaiilor cosmice, (protoni, electroni, radiaii solare i stelare), care influeneaz fenomenele fizice care au loc n acest domeniu al atmosferei i se transmit i n starturile mai groase ale atmosferei. Obinem astfel o conexiune mai puternic i mai complex ntre fizica atmosferei i astrofizic.7.1. Compoziia atmosfereinveliul gros care nconjoar Pmntul, formeaz atmosfera terestr, denumit n general aer, care const dintr-un amestec de gaze. Limita inferioar a atmosferei se consider la suprafaa Pmntului, unde densitatea este mai mare, datorit atraciei gravitaionale exercitat de Pmnt asupra moleculelor din aer. Odat cu creterea altitudinii (nlimea atmosferei), densitatea aerului scade foarte rapid, astfel nct tinde treptat ctre densitatea spaiului cosmic i nu putem spune c avem de-a face cu o limit superioar a atmosferei. Convenional se consider c atmosfera se ntinde pn la o altitudine de 2000 de km cnd densitatea atmosferei se apropie de densitatea gazului interplanetar.Masa atmosferei este de 5,161510 t, aproape de un milion de ori mai mic dect masa Pmntului (5,982110 t). La 5 km deasupra suprafeei Pmntului se afl 50% din masa atmosferei iar la 10 km se afl circa 75% din masa atmosferei i 90% din masa aerului se afl pn la 16 km. De la aceast nlime pn la 2000 km se afl numai 10% din masa atmosferei.innd cont de fenomenele fizice specifice n atmosfer, s-a constatat c aceasta poate fi divizat n sfere concentrice, asemenea unor pturi, pe baza unor 1anumite criterii. De exemplu, dac inem cont de variaia temperaturii n atmosfer i de particularitile regimului termic, se constat 5 pturi semnificative separate prin straturi de tranziie:1. troposfer a nconjoar Pmntul la o altitudine de 11 km, urmat de un strat ngust de tranziie spre2. stratosfer care nconjoar troposfera ntre 11km i 50 km uramat de stratopauz dup care vine3. mezosfera ntre 50 i 80 km, urmat de o mezopauz i apoi 4. termosfera cuprins ntre 80 i 800 km dup care termopauza o separ de 5. exosfer a care se ntinde de la o nlime de peste 800 km.Termosferafiind ptura aflat n contact direct cu Pmntul i cuprinznd aproape 75% din masa atmosferei, va fi influenat att de micarea de rotaie ct i de cea de revoluie a Pmntului, astfel nct delimitarea ei pe nlime nu este determinat riguros, la11 km, ci ea variaz de la Poli, unde atinge circa 8-9 km (micarea de rotaie influeneaz foarte puin) i ajunge n regiunile tropicale la circa 16-18 km, datorit influenei putermice a rotaiei Pmntului (tropos n grecete nseamn rotaie). O alt caracteristic a acestei regiuni o reprezint gradientul foarte mare de scdere a temperaturii (aproximativ 6-7C/km), astfel nct limita superioar a Troposferei temperature medie este de aproximativ -70C n zona ecuatorului, respective -65C pn la -45C n zona polar n aceste regiuni se afl aproape ntreaga mas de vapori de ap din atmosfer i n urma proceselor de condensare se formeaz norii, ceaa i precipitaiile care se observ de la suprafaa Pmntului. Odat cu scderea cu nlimea a densitii aerului scade i presiunea exercitat de atmosfer conform legii barometrice de distribuie a moleculelor de aer cu nlimea (Boltzmann). nlimea la care se afl limita superioar a troposferei depinde i de unele procese fizice din atmosfer care perturb distribuia densitii ct i presiunea atmosferic local. De asemenea variaia gradientului vertical de temperatur creaz condiii de transformare a energiei termice n energie cinetic care produce micri pe vertical puternice de aer i conduce la o amestecare turbulent a atmosferei. n stratul inferior al troposferei, avnd grosimea de 1- 1,5km se produce un schimb active de caldur care conduce la variaia continu a energiei cinetice moleculare i un schimb intens de vapori de ap ntre suprafaa terestr i atmosfer. n aceast zon se formeaz fronturi atmosferice bine conturate, nebuloziti i vnturi locale iar n zona adiacent suprafeei terestre (circa 50-100 m) gradientul vertical de temperatur i umiditate precum i de vitez a vntului sunt cele mai ridicate. Aici apare diferena evident a fenomenelor meteorologice deasupra zonelor terestre (orae, cmpii, pduri, ntinderi de ape, etc).La limita superioar a troposferei , se afl un strat de tranziie numit tropopauz (nceteaz influena radiaieiPmntului), cu o grosime de 1-2 km n care temperature rmne aproximativ constant, ceea ce se comport ca un nveli izoterm. Ptrunznd n stratosfer se constat c temperatura nu variazcu altitudinea n straturile ei inferioare, dar spre zona superioar temperatura ncepe s creasc, pn la o temperatur medie de 0C i se pot atinge maxime de +10 C . Acest lucru se poate explica prin proprietatea de absorbie a cldurii de ctre ozonul care ocup n majoritate 2stratosfera. Vaporii de ap se afl n cantiti nesemnificatve i doar n zona de mijloc se pot ntlni straturi subiri de nori formai din picturi de ap suprarcite. Compoziia aerului din stratosfer se remarc printr-o crestere semnificativ a cantitii de ozon.n mezosfer se constat din nou un gradient puternic de scdere a temperaturii, astfel nct la limita sa superioar temperature poate atinge i -70 / 80 C. Deasemenea densitatea aerului este foarte mic ceea ce conduce la o scdere a presiunii aerului n mezosfer de aproape 200 de ori mai mic dect la suprafaa terestr. n aceste condiii sunt posibile turbulene intense ale aerului i amestecarea lui pe vertical. Este posibil ca viteza vntului n aceast zon s ating i valori de ordinal sutelor de kilometrii pe ora. Compoziia aerului n mezosfer rmne aproximativ constant i se pot ntlnii cristale mici de ghea ngrmdite n nori argintii.n stratul de tranziie dintre mezosfer i termosfer proprietile atmosferei se modific puternic. Termosfera (termos = cald) acoper mezosfera pn la altitudini de aproape 800 km i se caracterizeaz prin creterea temperaturii cu altitudinea astfel nct la limita superioar a termosferei temperature poate atinge valori de 1000-1500 C, dar cu toate acestea, un corp aflat n acest mediu gazos al termosferei nu poate atinge temperatura aerului nconjurtor deoarece acesta este foarte rarefiat. Aceast temperatur ridicat este datorat energiei cinetice medii a moleculelor ce constituie atmosfera la aceast altitudine (temperature nu se msoar, ea se calculeaz :KTv m2322 , de e xemplu). n aceast zon a atmosferei creterea temperaturii atmosferei este explicat pe baza absorbiei radiaiei solare de ctre oxigenul atomic, datorat unei modificri eseniale n compoziia aerului atmospferic: are loc disocierea oxigenului molecular, a bioxidului de carbon, aerul fiind puternic ionizat i datorit apariiei hidroxidului OH. n termosfer razele cosmice i razele ultraviolete din spectrul solar sau interplanetar provoac procese intense de disociaie, de ionizare sau de excitare a atomilor sau moleculelor. Concomitant cu aceste procese se desfoar i reaciile inverse de recombinare urmate de reacie care genereaz unele fenomene atmosferice specifice i deosebit de spectaculoase: foramrea unor zone cu conductibilitate electric foarte mare, aurora polar (boreal), iluminarea nocturn a cerului etc. Exosfera(exo=exterior) formeaz ultima ptur a atmosferei care face conexiunea atmosferei cu spaiul cosmic. Temperature gazelor n exosfer crete n continuare i permite ca la limita ei superioar apare disiparea particuleleor constituente a exosferei n spaiul cosmic.Din analiza fenomenelor fizico-chimice care apar n atmosfer, se pot identifica 2 zone cu caracteristici diferite n compoziia chimic a gazelor care constituie atmosfera:-homosfera, care cuprinde troposfera, stratosfera i mezosfera unde compoziia chimic a aerului (componentele principale respective mas molar) rmne relativ constant.-heterosfera, unde masa molar a moleculelor aerului se schimb cu altitudinea datorit proceselor de disociere sau ionizare.3Figura. Prpprieti fizice i divizarea atmosfereiAtmosfera, ca un amestec de gaze, poate fi studiat pe baza legilor fizicii, dezvoltate n teoria cinetico-molecular sau termodinamica gazelor n care compoziia acestui amestec de gaze n homosfer este cunoscut: azotul (78,08%); oxigenul (20,25%); argonul (0,93%) etc. Tabelul 1.1. prezint compoziia chimic complet precum i proprietile fizice complete: Gazul Concentraie volumicMas molarIzotopi Azot(N2) 78,084 28,01614N(99,63%); 15N(0,37%)Oxigen(O2) 20,946 32,00016O(99,75%); 17O(0,0374%);18O(0,2039%)Argon(Ar) 0,934 39,94440Ar(99,6%); 38Ar(0,063%); 36Ar(0,337%)Bioxid de carbon (2CO)0.0314 44,01012C(98,9%); 13C(1,1%); 14C(0,12%)Neon(Ne) 1,818310 20,18320Ne(90,92%); 21Ne(0,26%); 22Ne(8,82%)Heliu(He) 5,24410 4,0034He(100%); 3He(1,25410 %)Metan(4CH) 1,6410 16Kripton(Kr) 1,14410 83,80Hidrogen(H) 5510 1,0081H(99,98%); 21H(0,015%)Oxid de azot (O N2)3,5510 88,0004Ozon (O3 ) 0, adic pentru o presiune constant la0Z, presiunea la o altitudine Z=constant crete dac temperature medie a coloanei de aer crete i invers.(ii) p= constant, la nivelul Z,deci dp=0, i atunci20 0TT dRgZp dp ceea ce nseamn la creterea luiT , presiunea0p la nivelul0z, scade. Aceast scdere este cu att mai mare cu ctT deste mai mare, cu ct grosimea Z a stratului este mai mare i cu ct valoareaTeste mai mic.(iii)T = constant , nseamnT d =0 i avem 00pdppdpadic, variaia relativ a presiunii la nivelul dat Z este egal cu variaia relativ a presiunii la un nivel inferior0Z . Aceast relaie o putem scrie sub forma:00) ( dpppdp ceea ce ne arat c variaii mici ale presiunii la altitunea Z va determina variaii mai mari la nivelul 0Z.Aceste consideraii sunt foarte utile n studiul variaiei presiunii la nivelul mrii i n general la suprafaa pmntului, pentru a stabili distribuia orizontal a presiunii, care influeneaz direct micrile orizontale ale aerului. Acesta se face cu ajutorul hrilor izolinii prin care se stabilesc suprafeele de presiune constante, numite suprafee izobare (locul geometric al tuturor punctelor din atmosfer care au aceeai presiune). Aceste suprafee se intersecteaz cu un plan orizontal, aflat la o altitudine Z constant. Liniile curbe obinute prin intersecia planului orizontal cu suprafeele izobare formeaz linii izobare, ce caracterizeaz distribuia presiunii atmosferice n plan orizontal. Prin intersecia suprefeelor izobare cu un plan vertical se obtin curbe asemntoare (izobare) ce determin distribuia presiunii n funcie de altitudine n planul considerat. Izobarele sunt trasate pe hart din 5 n 5 mbari. Aceste hri sunt foarte utile pentru a studia distribuia presiunii atmosferice pe o direcie orizontal. Pe hrile izobarelor (sau pe hrile cmpului baric, cum se mai numesc) se pot delimita zone cu valori ridicate, respective coborte, ale presiunii atmosferice, pe un teritoriu sufficient de extins. Regiunea delimitat de liniile izobare nchise, n care presiunea este mai ridicat dect n jurul ei arat un mxim barometric sau un anticiclon. n caz contrar, cnd n regiunea delimitat, presiunea este cea mai cobort se creeaz un minim barometricse numete ciclon sau depresiune. Gradientul baric orizontal este ndreptat spre centru n cazul unui ciclon n timp ce n cazul anticiclonului este ndreptat invers. Hile cmpului baric sunt completate prin hri de topografie baric n care sunt reprezentate valorile geopotenialului n fiecare puct al suprafeei izobare, sau nlimea geopotenialului Hp, numit geopotenial absilut al suprafeei izobare date i se exprim prin:150lnppTRHpDin aceast relaie se observ ca Hp, pentru o suprafa izobar dat, este determinat de temperatura medie a stratului de aer, de nlimea suprafeei izobare i de presiunea0p.Noiunile de geopotenial absolute i relative sunt necesare pentru alctuirea hrilor de topografie baric.O mare parte dintre fenomenele fizice care au loc n atmosfer se datoreaz transformrii energiei dintr-o form n alta. De exemplu, procesul de nclzire al aerului n urma absorbiei radiaiei solare, condensarea vaporilor de ap sau evaporarea lor sunt rezultatul unui schimb de energie. Aceste fenomene de transformare a energiei ntr-o zon restrns a atmosferei, care poate fii considerat ca un sistem termodinamic, n aceste zone pot avea loc procese termodinamice cunoscute, cu aplicaii i n fizica atmosferei, cum ar fii procesul politrop sau adiabatic. Utiliznd metodele termodinamice s-au putut determina relaii de variaie ntre parametrii principali ce caracterizeaz atmosfera: presiune, temperatur etc. Aceste relaii sunt aplicate n cazul special din atmosfer, n care gazelle sunt amestecate i cu vapori de ap sau ali aerosoli, care necesit o tratare termic special: atmosfer uscat, respective atmosfer umed.Utiliznd studiul termodinamic al atmosferei putem ajunge la condiii de stabilitate termodinamic a atmosferei, n care micrile pe vertical ale aerului au un rol foarte important n multe fenomene fizice care au loc n atmosfer cum sunt: transportul de cldur i de umiditate, formarea norilor i a precipitaiilor, transportul aerosolului etc. Pentru a explica aceste procese atmosferice este necesar s cunoatem stabilitatea pe vertical a atmosferei, deoarece aceasta influeneaz direct aceste fenomene. Starea atmosferei este considerat instabil dac n aer exist o stratificare a temperaturii ce influeneaz micarea pe vertical, adic masa de aer scoas din echilibru se va mica accelerat. n caz contrar se realizeaz o stare stabil, cnd stratificaia din aer nu favorizeaz micrile pe vertical i mai mult le amortizeaz. n cazul n care masa de aer se deplaseaz cu vitez constant pe vertical, atunci starea atmosferei se numete indiferent.Analiza stabilitii atmosferei se face utiliznd notiunea de energie de instabilitate. Aceasta este dat de energia mecanic pe care o schimb o mas de aer dat, n micarea sa pe vertical, cu aerul nconjurtor. Valoarea ei se determin grafic pe baza msurtorilor termice ale atmosferei. Energia de instabilitate este numeric egal cu lucrul mecanic al forelor exterioare ce acioneaz asupra masei de aer considerate.Fora rezultant, ce acioneaz asupra unitii de mas, determin o acceleraie i variaia energiei cinetice la o deplasare dz este:dzTT Tg dE'i prin intergrare, obinem:1621'ZZdzTT Tg EFolosind relaia de echilibru hidrostatic i ecuaia de stare, putem scrie :( ) ( ) ) (ln ' ) (ln '2121p d T TRp d T TREpppp (i) dac T>T, atunci E>E 0i acceleraia va fii pozitiv, adic stratul de aer cuprins 1Z i 2Z va fii instabil i n el au loc micri convective. Grafic, aceast situaie este artat n figura.din care rezult c valoarea lui E este dat de aria mrginit de curbele T(z), T(z)i ordonate 1Z i 2Z.(ii) Dac la orice nivel Z,T0, atnuci se produce frnarea (a