Обычная нормальная турбулентность при спокойном воздушном течении сопровождается слишком медленными и малыми вертикальными перемещениями масс воздуха. Переместившись на новый уровень, они быстро смешиваются с окружающим воздухом. Это затрудняет и тормозит развитие достаточно мощных вертикальных течений, поэтому состояние неустойчивого равновесия может сохраняться в таких условиях длительное время. Для того, чтобы добиться быстрых изменений, требуются турбулентные явления совсем другого масштаба, инициированные, например, орографическими причинами или фронтами.
[1] Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (Clapeyron, 1799-1864) – французский химик, в 20-х годах XIX века работал в России.
[2] Обратите внимание на то, что виртуальная температура всегда больше настоящей температуры влажного воздуха. Следовательно, плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха при одних и тех же температуре и давлении.
[3] Очевидно, выводимая ниже формула справедлива и в случае равномерного движения воздуха, в том числе и в вертикальном направлении, поскольку равномерное движение не предполагает наличия нескомпенсированных сил в направлении движения. Поскольку вертикальные ускорения, как правило, значительно меньше по величине чем горизонтальные, часто барометрическую формулу используют и для приближенного рассмотрения атмосферы, движущейся ускоренно в вертикальном направлении. Оценки показывают, что уравнение статики выполняется с погрешностью, не более 0.1% (за исключением случаев, когда рассматриваются мощные вертикальные движения в облаках и в горных местностях) [17].
[4] На самом деле проблема усложняется тем, что теплоемкость зависит от температуры. Теплоемкость по смыслу определяет способность вещества запасать тепловую энергию. Помимо поступательных степеней свободы движения составляющих газ атомов или молекул, могут иметься также и другие степени свободы, связанные с электронным движением в атомах и молекулах, вращением молекул и колебанием молекул. Изменение энергии названных дополнительных движений происходит только дискретным образом (квантуется). Поэтому для каждого атома или молекулы и каждого дополнительного вида движения существует минимальное значение энергии, способное запастись данной степенью свободы. Если средняя кинетическая энергия теплового движения мала по сравнению с этим минимальным значением, то данная степень свободы просто не запасает энергию, а, стало быть, не дает вклада в теплоемкость вещества. Обычно при температурах, характерных для атмосферы, активными являются поступательные и вращательные степени свободы. Поэтому, например, теплоемкость двухатомных молекул (3 степени свободы поступательного движения и 2 вращательного) близка к в отличие от теплоемкости одноатомного газа . Колебательные степени свободы «размораживаются» при температурах порядка 1000о К, поэтому в обычных условиях они не оказывают влияния на теплоемкость. Более детальное изложение проблемы см. в [19, 20].
[5] Воздух в основном состоит из двухатомных молекул. Поэтому .
[6] Уравнение состояния и уравнение политропы (или изотермы или адиабаты) связывают три переменных: температуру, давление, плотность (или удельный объем). С учетом двух имеющихся связей (уравнение состояния и уравнение политропы), независимой переменной может быть только одна из трех, например, давление. Тогда две остальные с учетом названных уравнений определяются однозначно. Мы используем это обстоятельство при рассмотрении вопроса о сухоадиабатическом градиенте и при анализе устойчивости атмосферы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.