zemlja in njeno ozračje - university of ljubljanazagarn/downloads/m2015/... · 2015. 10. 1. ·...

Zemlja in njeno ozračje Pojavi v ozračju se dogajajo na zelo različnih časovnih in

prostorskih skalah

Prostorska skala Pojav 1 cm

Turbulenca, sunki vetra

Tornadi

Poplave, nevihte

Obalna cirkulacija Nevihtne linije, orkani Fronte, cikloni/anticikloni

1 m 1 km 10 km 100 km 1000 in več km

Dimenzije gibanj v ozračju

Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje

- 99% zraka je v spodnjih 30 km - Povprečni radij je 6370 km

Pogled iz vesoljske ladje

6370

Atmosferski procesi ustvarjajo čudovite motive za vesoljske posnetke, posebej če je ozračje vlažno

Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje

Se pravi, debelina ozračja je 30 km / 6370 km = 0.5% radija zemlje Vprašanja: 1.  Kako debelo bi bilo ozračje, če bi

bila Zemlja nogmetna žoga? 2.  Kaj zadržuje ozračje pri Zemlji?

Sestava ozračja Permanentni (stalni) plini

Plin Simbol Volumenski delež %

Pomembnost

Dušik N2 78.08% biosfera

Kisik O2 21% Dihamo ga!

Argon Ar 0.9% majhna

Masni delež=Volumenski delež • Mi/M (M=molska masa, v povprečju na morskem nivoju okoli 29 kg/kmol; Mi =molekulska masa)

Do približno 10 km višine so stalni med seboj dobro premešani (razmerje približno stalno)

Sestava ozračja Plini s spreminjajočim se deležem

Plin Simbol Vol. % (•106=ppmv)

Pomembnost

Vodna para H2O 0-4 Povzroča vremenske pojave, toplotni transport, toplogredni plin

Ogljikov dioksid (narašča)

CO2 0.038 Toplogredni plin, biosfera (fotosinteza)

Metan (narašča) CH4 0.00017 Toplogredni plin

Dušikov oksid N2O 0.00003 Toplogredni plin,

Ozon O3 0.000004 Ozonski sloj (koristen)

Delci (aerosol) 0.000001 Nastanek oblakov, energetska bilanca Zemlje, vulkanski izbruhi

ppmv=volumski delež na milijon delov zraka

Toplogredni plini

Ogljikov dioksid CO2, Metan CH4, Dušikov oksid N2O Njihove emisije so predstavljene v enotah GWP=global warming potential

Delež toplogrednih plinov narašča

Ogljikov dioksid CO2, Metan CH4, Dušikov oksid N2O Samo v obdobju 1970-2004 so emisije GHG narasle za 70%

Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: - gostota, -  tlak, p -  temperatura, T

RTp ρ=

Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin:

mRTpV =

Splošna plinska enačba za suh zrak

ρ

Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: - gostota, -  tlak, p -  temperatura, T

RTp ρ=

Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin:

mRTpV =

Splošna plinska enačba za suh zrak

ρ

Vertikalni profil temperature V ozračju obstajajo sloji, v katerih se temperatura znižuje ali narašča z višino.

-  Troposfera

-  Stratosfera

-  Mezosfera

-  Termosfera

-  Ionosfera

Troposfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tal do 10-12 km - T se zmanjšuje z višino, približno 6.5 oC na 1 km. - Nad troposfero se nadaljuje tropopauza, ki jo loči od stratosfere - “Home” za vreme, kako ga poznamo - Zgornja troposfera vsebuje vetrovne stržene (jet streams) - Višja poleti kot pozimi (povprečna višina ~ povprečni T)

Tropopauza kot pokrov

Primer: oblak z obliko nakovala (“anvil cloud”)

Stratosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tropopause do ~50 km višine - Vsebuje ozonski sloj, predvsem med 20-30 km višine - Temperatura narašča z višino: Ozon absorbira UV sevanje, ki ogreva stratosferske sloje zraka -  Sloj inverzije = sloj, v katerem temperatura narašča z višino

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

Mezosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

-  Med stratopauso in mezopauzo -  Temperatura pada z višino

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

mezopauza

toplo

mrzlo

toplo

Termosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

-  Nad mezosfero -  Temperatura ponovno narašča z višino zaradi direktne absorpcije sončnega sevanja povezane z procesoma fotoionizacije in fotodisociacije

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

mezopauza

toplo

mrzlo

toplo

mrzlo

Termosfera

Porazdelitev glede na sestavo

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

tropopauza

Homosfera: N2 in O2 sta enakomerno zmešana Heterosfera: N2 in O2 nista enakomerno zmešana

stratopauza

menopauza

Termosfera

Mezosfera

Stratosfera

Troposfera

HO

MO

SFERA

HETEROSFERA

Ionosfera

- Naelektren sloj v zgornji atmosferi - Vsebuje pomembne koncentracije ionov in elektronov - Pomembno za širenje radiovalov

Vertikalni profil gostote Gostota = masa / volumen (kg/m3)

Gostota zraka se zmanjšuje z višino. Vprašanje: Zakaj je več molekul zraka pri tleh kot na večjih višinah? Masa ozračja znaša okoli 5.3 x 1018 kg.

Vertikalni profil tlaka

Tlak= Sila / Površina

1 m

1 m

Stolpec zraka površine 1 m2 ki sega od tal do vrha ozračja. Teža = masa x težnostni pospešek stolpca znaša okoli 100 kN (ekvivalentno 10.3 ton pri tleh). Sledi, tlak na nivoju morja je sila/površina = 1013.25 hPa

Vertikalni profil tlaka

Tlak stolpca, ki sega od tal do vrha ozračja, je na nivoju morja v povprečju 1013.25 hPa.

Tlak zraka se zmanjšuje z višino, podobno kot gostota.

1 hPa = 1 mb

Standardna atmosfera po ICAO

R = 287 J/kg g0=9.80665 m/s2 RZ = 6370,95 km Morski nivo: p0 = 1013.25 hPa, T0 = 288.15 K, q0 = 1.225 kg/m3

kmK

zT 5.6=∂

∂−≡Γ

Konstanten od nivoja morja do ~10.8 km višine