Пары воды в значительной мере определяют и то, что реальная средняя температура Земли более чем на 30 град выше теоретически рассчитанной равновесной температуры. Равновесную температуру Земли можно рассчитать, исходя из условия термического равновесия – т.е. равенства поглощенной земной поверхностью энергии (Еп) и излучаемой (Еи)
Поглощенная энергия равна
, где
r – радиус Земли,
I – интенсивность проходящего солнечного излучения
А – альбедо (доля отраженного излучения)
Излучаемая
энергия определяется законом Стефана-Больцмана (согласно ему интенсивность
излучения абсолютно черного тела 
) и равна:
, где s
- постоянная Стефана-Больцмана для абсолютно
черного
тела (5,67*10-8 Вт/м2*К4)
При термическом равновесии
, тогда
Вычисленная из этого уравнения равновесная температура (на уровне моря) составляет 254 К, что на 34 град (или К) ниже реального значения.
В стратосфере так же присутствуют пары воды, но в ничтожной концентрации(~2*10-6 %). Таким образом они практически не влияют на тепловой режим стратосферы – он определяется присутствующим в стратосфере озоном.
Озон поглощает коротковолновую часть УФ излучения Солнца (< 290 нм). Этот процесс обуславливает нагрев воздуха в стратосфере (об этом позже).
Температурные условия в атмосфере оказывают большое влияние на распространение примесей и степень загрязнения атмосферы химическими веществами, поступившими в атмосферу от различных источников. Это касается прежде всего нижних слоев тропосферы, поскольку в большинстве случаев выбросы загрязняющих веществ происходит вблизи поверхности Земли
Устойчивость атмосферы
Устойчивость – способность препятствовать вертикальному движению воздуха и перемешиванию воздушных масс. Она определяется соотношением реального и нормального градиента температур. При нормальном градиенте создаются условия для вертикального движения воздушных масс и их перемешивания. В этом случае загрязняющие примеси, поступившие в атмосферу от источников вблизи поверхности Земли, также будут подниматься вверх.
В реальных условиях по различным причина фактический градиент температуры в отдельных слоях тропосферы может отличаться от нормального (стандартного) градиента.
При отклонении реального градиента от нормального возможно накопление примесей вблизи поверхности Земли до опасных концентраций.
При оценке устойчивости атмосферы следует рассматривать 3 варианта соотношения реального и нормального градиента температуры, которые моно проиллюстрировать следующими графиками:
Рис. Градиент температуры и устойчивость атмосферы:
а. б, с—см.
в тексте; градиент температуры в окружающем воздухе, нормальный адиабатический
вертикальный градиент температуры
Устойчивость атмосферы в каждом случае можно оценить рассматривая модель процесса вертикального (быстрого) перемещения некоторого (небольшого) объема воздуха вверх или вниз в результате турбулентного переноса (имеющего случайный характер)
1) При фактическом градиенте > Г атмосфера называется сверхадиабатической. В этом случае при быстром перемещении небольшого (элементарного) объема воздуха с температурой, соответствующей точке А, вверх, он адиабатически расширяется и охлаждается – в соответсвии с ранее рассмотренной закономерностью. Тогда его конечное состояния может быть описано точкой Б на прямой адиабатического гардиента (Т1). Но в этом состоянии температура рассматриваемого объема воздуха будет выше реальной температуры на той же высоте (Т2 в точке В). Таким образом данный объем воздуха будет иметь меньшую плотность, чем окружающий воздух и следовательно будет продолжать движение вверх.
Если же тот же элементарный объем воздуха из точки А начнет случайно двигаться вниз, он подвергается адиабатическому сжатию и разогреву до Т3 в точке Д, которая ниже чем температура окружающего воздуха (Т4 в точке Е). Вследствие этого он будет иметь плотность бОльшую, чем окружающий воздух и будет продолжать движение вниз.
Таким образом, в сверхадиабатической атмосфере (при сверхадиабатическом градиенте температуры) любые возмущения в вертикальном направлении имеет тенденцию усиливаться и такая атмосфера является неустойчивой.
2) При приблизительном равенстве фактического градиента и адибатического элементарный объем воздуха при любых вертикальных перемещениях будет иметь ту же температуру, что и окружающий воздух. Устойчивость атмосферы в этом случае будет (и называется) безразличной (или нейтральной). При нейтральной устойчивости после случайного перемещения объема воздуха он начального положения дальнейшего вертикального перемещения не происходит (нет движущей силы).
3) При фактическом градиенте < Г атмосфера называется подадиабатической (вар 3а – отрицательный градиент и 3б – положительный градиент). Используя те же аргументы, что и в первом случае можно показать, что подидиабатическая атмосфера устойчива. В ней элементарный объем воздуха, случайно перемещенный в вертикальном направлении, будет стремится вернуться в свое начальное положение.
Температурные инверсии
При повышении температуры с высотой (случай 3б) атмосферные условия определяются как температурная инверсия. Инверсия препятствует нормальному вертикальному движению воздуха. Атмосфера в этом состоянии определяется как очень устойчивая
Возникновение инверсий опасно по 2-м причинам:
1) Создание высоких концентраций загрязняющих веществ
2) Возможность образования вторичных, еще более опасных химических загрязнителей при длительных инверсиях
Температурные инверсии возникают по различным причинам и в зависимости от происхождения имеют разные названия:
- инверсия оседания – возникает при опускании слоя воздуха в воздушную массу с более высоким давлением. Инверсия формируется путем адиабатичесого сжатия и нагревания слоя воздуха в процессе его опускания в область высокого давления. Возникновение положительного температурного градиента в этом случае вытекает из следующего:
Из уравнения
- при выводе формулы адиабатического градиента
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.