Термодинамика атмосферы

23 марта
Всемирный метеорологический день
Всемирная метеорологическая организация (ВМО) отмечает Всемирный день
метеорологии.
Всемирный метеорологический день празднуется ежегодно 23 марта, с тем
чтобы отметить вступление в силу в 1950 г. Конвенции, которая создала
Всемирную Метеорологическую Организацию.
Темой Всемирного метеорологического дня этого
года является
«Погода и климат: вовлечение молодежи».
М. Жарро Генеральный секретарь Всемирная Метеорологическая Организация
Современная молодежь будет пользоваться
преимуществами, которые появляются в
результате ощутимого прогресса,
достигнутого в нашей способности понимать
и прогнозировать погоду и климат Земли.
В то же время большая часть нынешних
молодых людей будет жить во второй
половине этого столетия и испытывать на
себе нарастающие последствия глобального
потепления.
ВМО призывает молодых людей
больше изучать нашу
метеорологическую и
климатическую систему и
принимать участие в
деятельности по проблеме
изменения климата.
Проблемы социальные и
экономические усугубляются
опасными факторами изменения
климата и проявлений
экстремальной погоды, которые
характеризуют жизнь молодежи в
наши дни и будут еще больше
воздействовать в предстоящие
десятилетия.
Температуры в атмосфере и
океане продолжают повышаться,
ледяные шапки и ледники по
всему миру устойчиво
уменьшаются, уровень моря
повышается, а многие
экстремальные явления погоды
и климата становятся более
частыми и/или интенсивными.
Влияние человека на климатическую
систему очевидно.
•
Глобальная концентрация CO2 и других парниковых газов в атмосфере
продолжает расти стремительными темпами и достигает
беспрецедентных уровней в истории человечества. Сохранение нашей
сегодняшней зависимости от ископаемых видов топлива приведет нас
к значительно более теплой планете:
•
к концу этого столетия температура может повыситься до 4 °C выше,
чем в доиндустриальный период.
Ограничение потепления до менее 2 °C еще может быть достигнуто,
однако оно потребует быстрого значительного уменьшения выбросов
парниковых газов.
Решение этой задачи требует принятия решительных мер.
Молодежь мира может стать мощным действующим лицом изменения
в этом направлении.
Деятельность в области климата относится не только к выбросам CO2,
она ориентирована на людей, на наши общие ценности и на то, что
каждый из нас готов сделать для их продвижения.
•
•
•
•
• Изменение климата вынуждает нас быть в большей степени
неуверенными относительно нашего будущего, тем не менее,
несмотря на эту неопределенность, ясно одно: наше общество
ответственно не только перед собой, но также и перед
будущими поколениями.
• Современная молодежь будет жить во второй половине
нынешнего столетия, и если мы не будем действовать в
срочном порядке, она станет свидетелем серьезных
воздействий изменения климата на все сферы жизни!
• Проблемы с которыми будут сталкиваться следующие
поколения, огромны,
НО!
возможности для их решения никогда не были
столь большими.
Всемирный метеорологический день празднуется
ежегодно, начиная с 1961 года.
Всемирная метеорологическая организация берет
свое начало от Международной метеорологической
организации (ММО), которая была создана в 1873
году.
Основанная в 1950 году, ВМО стала
специализированным учреждением ООН в области
метеорологии (погода и климат), оперативной
гидрологии и смежных геофизических наук.
В состав ВМО входит 191 страна.
ВСЕ НА КАФЕДРУ
КЛИМАТОЛОГИИ!!!
• В Российской Федерации 23 марта
отмечается День работников
Гидрометеорологической службы России.
• А на кафедре климатологии 25 марта в 75
ауд. –
• ТРАДИЦИОННЫЙ ДЕНЬ МЕТЕОРОЛОГА.
• НО!!! ТОЛЬКО ЕСЛИ У ВАС НЕТ ЗАНЯТИЙ
И ЛЕКЦИЙ
Термодинамика атмосферы
Основные законы
термодинамики
Адиабатические изменения
состояния воздуха в атмосфере
Температура воздуха может изменяться и часто
действительно изменяется
адиабатически, т. е. без теплообмена с
окружающей средой
(с окружающей атмосферой, земной поверхностью и
мировым пространством), что имеет большое значение
для атмосферных процессов.
Строго адиабатических процессов в атмосфере не
бывает: никакая масса воздуха не может быть полностью
изолирована от теплового влияния окружающей среды.
Однако если атмосферный процесс протекает
достаточно быстро и теплообмен за это время мал, то
изменение состояния можно с
достаточным приближением считать
адиабатическим.
Если некоторая масса воздуха в атмосфере
адиабатически расширяется, то давление в ней
падает, а вместе с ним падает и температура.
Напротив, при адиабатическом сжатии массы воздуха
давление и температура в ней растут.
Эти изменения температуры, не связанные с
теплообменом, происходят вследствие
преобразования внутренней энергии газа
(энергии положения и движения молекул) в
работу
или
работы во внутреннюю энергию.
Расширение-сжатие
При расширении массы
воздуха производится работа
против внешних сил
давления, так называемая
работа расширения,
на которую затрачивается
внутренняя энергия
воздуха.
Но внутренняя энергия газа
пропорциональна его
абсолютной температуре.
Температура воздуха
при расширении
падает.
При сжатии массы
воздуха производится
работа сжатия.
Внутренняя энергия
рассматриваемой массы
воздуха вследствие этого
возрастает, т. е. скорость
молекулярных движений
увеличивается.
Температура воздуха
при сжатии растет.
Сухоадиабатические изменения
температуры
Закон, по которому происходят
адиабатические изменения состояния в
идеальном газе, с достаточной точностью
применим к сухому воздуху, а также к
ненасыщенному влажному воздуху.
Этот сухоадиабатический закон выражается
уравнением сухоадиабатического процесса,
уравнением Пуассона.
уравнение Пуассона
Если в единице массы газа количество
тепла Q меняется на величину dQ,
то для этой массы можно написать
уравнение первого закона
термодинамики
(уравнение притока тепла)
в следующем виде:
dQ =cvdT+pdv
dQ =cvdT+pdv
- Это выражение представляет собой закон
сохранения энергии в применении к
макроскопическим системам и является
математической формулировкой
I-го начала термодинамики:
количество тепла, сообщенное системе,
идет на приращение внутренней энергии
газа dЕ=cvdT
и на совершение механической работы
dw=pdv
над внешними силами давления при
расширении объема газа.
dQ =cvdT+pdv
- где dv – приращение удельного объема,
- dT - увеличение абсолютной температуры,
- Cv- удельная теплоемкость воздуха при
постоянном объеме
- cv dT — изменение внутренней энергии
газа,
- р dv — работа расширения или сжатия
Теплоемкость
Внутренняя энергия тела
выражается через температуру
с помощью теплоемкостей
cP и cV
cP - cV = Rd
теорема Майера
dE = cV dT – калорическое
уравнение
Cp- удельная теплоемкость воздуха
при постоянном давлении
Cv- удельная теплоемкость воздуха
при постоянном объеме
У газов различны Cv и Cp
• Для воздуха теплоемкость при
постоянном объеме
Cv=718 Дж/(кг*К)
• Теплоемкость при постоянном
давлении
Cp=Cv+Rd = 1005 Дж/(кгК)
• Удельная газовая постоянная сухого
воздуха
Rd=287 Дж/(кгК)
Виды термодинамических
процессов:
δQ = dE + δW
δQ = CVdT + PdV или δQ = CPdT -VdP
•
•
•
•
Изобарический δQ = cP dT (dP =0 )
Изостерический δQ = cV dT (dV = 0)
Изотермический δQ = PdV (dT = 0)
Адиабатический δQ = 0
Основа закона сохранения энергии
Джеймс Джоуль
Роберт Майер
• Эквивалентность работы и тепла
(Джоуль, Майер)
Нагрев 1 г воды на 1К требует затраты 4,18 Дж работы,
т.е. эквивалентен такому количеству энергии
Это – 1 калория
внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству
тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 кельвин при
стандартном атмосферном давлении 101 325 Па.
Для адиабатического процесса
уравнение запишется так:
cvdT= - pdv
т.к. dQ=0
т. е. работа против внешних сил давления
(работа расширения) совершается за счет
внутренней энергии- уменьшается
кинетическая энергия молекул, - понижается
Т и р.
А работа со стороны внешних сил давления
(работа сжатия) увеличивает внутреннюю
энергию - увеличивается кинетическая
энергия молекул, - растет Т и р
cvdT= - pdv
Уравнение неудобно для расчетов,
поскольку удельный объем воздуха
непосредственно не измеряется.
Нужно эту величину из уравнения
исключить.
Для этого сначала заменим в уравнении
величину р dv из уравнения состояния
газов (Менделеева-Клапейрона).
Уравнение состояния газов
выражается уравнением КлапейронаМенделеева
pv=R*T
• где р — давление,
• v — удельный объем газа (объем, занимаемый единицей
массы вещества; величина, обратная плотности: если
плотность равна ρ, то удельный объём - 1/ρ),
• Т — температура по абсолютной шкале
• R * =8,31 кДж/(кмоль·K) универсальная газовая постоянная
• Уравнение состояния газов можно написать как:
p=ρR*T
или ρ=p/R*T
где плотность газа ρ =1/v - это величина, обратная удельному
объему
Вместо универсальной газовой постоянной напишем удельную
газовую постоянную сухого воздуха
pv=R*T
d(pv)= Rd dT
или
pdv+vdp= Rd dT
Определив
Так как
v= RdT/p,
pdv=RddT- (RdT/p)dp
рdv, подставим его в
dQ =cvdT+pdv
получим:
cvdT+pdv= cvdT + RddT- (RdT/p)dp=
приняв dQ=0
(Rd+cv)dT- (RdT/p)dp =0
удельная теплоемкость при постоянном объеме Сv
и теплоемкость при постоянном давлении cp
связаны соотношением Майера
Rd+cv=cp
тогда:
(Rd+cv)dT- (RdT/p)dp =0
cpdT-RdT(dp/p)=0
T Rd p

T
cp p
Интегральное выражение
Если последнее уравнение проинтегрировать в пределах от
значений
1) температуры Тo и давления рo в начале процесса
до их значений
2)
Тир
в конце процесса
Получим:
А — термический эквивалент работы
•
уравнение Пуассона, или уравнение сухоадиабатического
процесса, в интегральной форме.
Показатель AR/cp равен 0,288.
• Для влажного ненасыщенного воздуха вместо температуры Т
следует брать виртуальную температуру Тv.
(температура, которую имел бы при данном давлении сухой
воздух той же самой плотности, что и рассматриваемый
влажный воздух)
•
Смысл уравнения Пуассона состоит в следующем.
Если давление в массе сухого или ненасыщенного воздуха
меняется от р0 в начале процесса до р в конце процесса, то
температура в этой массе меняется от Т0 в начале до T в
конце процесса;
при этом значения температуры и давления связаны
написанным выше уравнением.
Сухоадиабатические изменения
температуры при вертикальных движениях
В атмосфере расширение воздуха и связанное с ним
падение давления и температуры происходят в
наибольшей степени при восходящем движении
воздуха.
Такой подъем воздуха может происходить разными
способами: в виде восходящих токов конвекции;
2.
над поверхностью фронта — при движении
обширных слоев воздушной массы вверх по пологому
клину другой, более холодной воздушной массы;
3.
при подъеме воздуха по горному склону.
Аналогичным образом сжатие воздуха,
сопровождающееся повышением давления и
температуры, происходит при опускании, при
нисходящем движении воздуха.
1.
Отсюда важный вывод: восходящий
воздух адиабатически
охлаждается, нисходящий воздух
адиабатически нагревается
Вертикальный градиент
температуры
Можно подсчитать, на сколько метров должен
подняться или опуститься воздух, чтобы
температура в нем понизилась или
повысилась на один градус. – или на сколько
повысится/понизится Т воздуха при подъеме /
опускании ВМ на 100 м
Вернемся к уравнению
cpdTi-RTiхdp/p=0
Значком i здесь указано, что температура относится к
индивидуальной вертикально движущейся массе воздуха.
По основному уравнению статики
• Та -
это температура в атмосферном столбе.
• Отсюда
Знак минус перед правой частью показывает, что при
адиабатическом подъеме воздуха температура его
падает, а при адиабатическом опускании возрастает.
Отношение в скобках всегда близко к единице, так как
вертикально движущийся воздух мало отличается по
абсолютной температуре от окружающего воздуха.
Допустив, что Ti/Ta равно единице,
получим для изменения температуры в
вертикально движущемся воздухе на
единицу изменения высоты
Ti
Ag

z
cp
Ti
Ag

z
cp
Величина Ag/cp равна 0,98°/100 м
Тогда:
1. при адиабатическом подъеме сухого или ненасыщенного
воздуха: dz больше 0,
температура на каждые 100 м подъема падает почти на один
градус,
2. при адиабатическом опускании на 100 м температура растет на
ту же величину.
Эта величина 1°/100 м называется
сухоадиабатическим градиентом Υс.а.
- это изменение температуры с высотой в вертикально движущейся
индивидуальной частице воздуха.
Не следует смешивать термин «градиент» в этом значении с
вертикальным градиентом температуры в атмосферном
столбе, который зависит от многих причин, а не только от
вертикального подъема.
Влажноадиабатические изменения
температуры
• Между процессом подъема сухого и влажного ненасыщенного
воздуха адиабатически есть принципиальные различия.
• 1. Адиабатический подъем сухого воздуха приводит к падению в
нем температуры.
• 2. С подъемом влажного ненасыщенного воздуха происходит не
только адиабатическое понижение температуры, но и
приближение его к состоянию насыщения.
• Происходит процесс: Температура воздуха при его подъеме
понижается; поэтому на какой-то высоте достигается
насыщение.
•
Эта высота называется
уровнем конденсации.
Воздух становится насыщенным
• При дальнейшем подъеме влажный насыщенный
воздух охлаждается иначе, чем ненасыщенный.
• В нем происходит конденсация, а при конденсации
выделяется в значительных количествах скрытая
теплота парообразования, или теплота
конденсации (около 600 кал на каждый грамм
сконденсировавшейся воды; в СИ 2,5*106Дж/кг).
• Выделение этой теплоты замедляет понижение
температуры воздуха при подъеме.
• Поэтому в поднимающемся насыщенном воздухе
температура падает уже не по уравнению Пуассона, а
по влажноадиабатическому закону
влажноадиабатический закон
• Температура падает тем медленнее, чем больше
влагосодержание воздуха в состоянии насыщения (что
в свою очередь зависит от температуры и давления):
• На каждые 100 м подъема насыщенный воздух при
давлении 1000 мб и когда
• температура 0° охлаждается на 0,66 °С ,
• температура +20°С на 0,44°С
• и при температуре —20°С — на 0,88°С.
• При более низком давлении падение температуры
соответственно меньше.
• Падение температуры в насыщенном воздухе при
подъеме его на единицу высоты (100 м) называют
влажноадиабатическим градиентом.
Верхние слои тропосферы
При очень низких температурах, в высоких
слоях атмосферы, водяного пара в воздухе
остается немного и выделение теплоты
конденсации поэтому также мало.
Падение температуры при подъеме в таком
воздухе приближается к падению в сухом
воздухе.
Т.е.,
влажноадиабатический градиент при
низких, температурах приближается
по величине к сухоадиабатическому.
•
При опускании насыщенного воздуха
процесс может происходить поразному в зависимости от того:
1. содержит ли воздух жидкие продукты
конденсации (капельки и кристаллы),
или
2. не содержит , т.е . Они уже целиком
выпали из воздуха в виде осадков.
1. Если в воздухе нет продуктов
конденсации, то воздух, как только
температура в нем начнет при опускании
расти, сразу станет ненасыщенным.
Поэтому воздух, опускаясь, будет
нагреваться по
сухоадиабатическому закону,
т. е. на
1°/100 м.
2. Если в воздухе есть капельки и кристаллы, то они при опускании
и нагревании воздуха будут постепенно испаряться.
При этом часть тепла воздушной массы перейдет в скрытую
теплоту парообразования ( расходуется на испарение), и потому
повышение температуры при опускании замедлится.
В результате
воздух останется насыщенным до тех пор, пока все
продукты конденсации не перейдут в газообразное состояние.
А температура в нем будет в это время повышаться по
влажноадиабатическому закону:
не на 1°/100 м, а на меньшую величину — именно на
такую, на какую понизилась бы температура в
восходящем насыщенном воздухе при тех же
значениях температуры и давления.
Псевдоадиабатический процесс
• Если представить, что влажный ненасыщенный
воздух сначала поднимается:
• Его температура при этом падает сначала по
сухоадиабатическому закону; затем, после того как
достигнут уровень конденсации, — по
влажноадиабатическому закону.
• Допустим также, что вся вода, выделяющаяся при
конденсации, сразу же выпадает из воздуха в виде
осадков.
• Допустим затем, что, достигнув некоторой высоты,
воздух начинает опускаться. Так как продуктов
конденсации в воздухе нет, то он будет при этом
нагреваться по сухоадиабатическому закону.
• Можно рассчитать, что на прежний уровень воздух
придет с температурой более высокой, чем та,
которая была в нем первоначально.
Псевдоадиабатический процесс
Рассматриваемая масса воздуха
совершила необратимый процесс.
Хотя она вернулась на прежний
уровень, под прежнее атм. давление,
она не вернулась в исходное состояние:
ее конечная температура оказалась
выше, чем была начальная.
Такой процесс называется псевдоадиабатическим.
Адиабатная (аэрологическая)
диаграмма
Можно построить график для изменения
температуры при адиабатическом
процессе в вертикально движущемся
воздухе, откладывая по оси абсцисс
(ось Х) температуру, а по оси ординат
(ось У) высоту. Кривая, графически
представляющая это изменение
температуры, называется адиабатой.
Так как при сухоадиабатическом
процессе изменение температуры на
единицу изменения высоты есть
величина постоянная, равная почти
точно 1°/100 м, то если температура
и высота отложены по осям в
линейной шкале,
То сухие адиабаты должны
представляться прямыми
линиями.
при
влажноадиабатическом
процессе Υ есть величина переменная.
Поэтому кривые, представляющие
влажноадиабатическое изменение в осях
координат
температура — высота, называются
влажные адиабаты и являются
Кривыми линиями.
влажные адиабаты наклонены к
оси абсцисс меньше, чем сухие
адиабаты.
Но в высоких слоях, где
влажноадиабатический градиент
приближается по величине к
сухоадиабатическому, наклон
влажных адиабат приближается к
наклону сухих адиабат.
Поэтому на графике влажные
адиабаты будут иметь выпуклость
вверх.
Аналогичным образом можно построить
адиабаты в осях координат
температура — давление, поскольку
температура при адиабатических
процессах меняется в зависимости от
изменения давления.
Адиабатной или аэрологической
диаграммой
- называют график, на который нанесены семейства
сухих и влажных адиабат для различных значений
температуры и высоты (или давления). Наиболее
целесообразно отложить по оси ординат не высоту,
а lg p, т. е. давление в логарифмической шкале
Если по оси ординат отложен lg p, то влажные
адиабаты мало отличаются от прямых линий.
Адиабатная диаграмма
Сплошные линии с
большим углом
наклона — сухие
адиабаты, с меньшим
углом наклона —
влажные адиабаты,
прерывистые линии —
изолинии удельной
влажности для
состояния насыщения.
С помощью адиабатной
диаграммы можно графически
определить изменение
состояния при адиабатических
процессах.
•
•
•
С помощью адиабатной диаграммы
можно графически определить
изменение состояния при
адиабатических процессах.
Например, зная температуру Т0 и
давление р0 в начальный момент,
найдем на диаграмме
соответствующую точку.
Если затем воздух меняет свое
состояние по сухоадиабатическому
закону, пока не достигнет давления р,
следуем по сухой адиабате,
проходящей через начальную точку,
до тех пор, пока она (адиабата) не
пересечется с ординатой р. Тогда
сразу же определим по диаграмме,
каково будет значение температуры
воздуха при давлении р. Если при
каком-то давлении р воздух стал
насыщенным, нужно дальше
прослеживать его состояние по
влажной адиабате, проходящей через
точку, соответствующую давлению р.
Псевдоадиабатический процесс
на адиабатной диаграмме.
От точки А до точки В
температура воздуха падает по
сухоадиабатическому закону,
от точки В до точки С — по
влажноадиабатическому закону,
от точки С до точки D —
растет по сухоадиабатическому
закону.