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