Физические свойства атмосферного воздуха

1.  Температура воздуха. Единицы измерения, температурные шкалы.
2. Плотность сухого и влажного воздуха. Уравнение состояния газов.
3. Атмосферное давление.
4. Барометрические формулы.
5. Барическая ступень и барический градиент.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Воздух представляет собой смесь газов, растворенных друг в друге. В состав воздуха входят азот (78% по объему), кислород (21% по объему), благородные (инертные) газы (около 1% по объему), оксид углерода (IV), пары воды и различные примеси.

Физические свойства вещества — свойства, присущие веществу вне химического взаимодействия: температура плавления, температура кипения, вязкость, плотность, диэлектрическая проницаемость, теплоёмкость, теплопроводность, 
электропроводность, сорбция, цвет, концентрация, 
эмиссия, текучесть, твёрдость, пластичность, 
упругость, индуктивность, радиоактивность

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Физические свойства воздуха
К основным физическим свойствам воздуха относят:
температуру;
влажность;
плотность;
барометрическое давление;
удельную теплоемкость;
теплопроводность;
электрическое состояние
динамическую и кинематическую вязкость (подвижность воздуха).

Практически все эти параметры сильно зависят от температуры, поэтому существую специальные таблицы, в которых указаны значения параметров, характеризующих физические свойства воздуха, при конкретных значениях температуры.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Температура воздуха — степень нагретости воздуха, определяемая при помощи термометров и термографов. Температура воздуха — одна из важнейших характеристик погоды и климата, она оказывает прямое воздействие на человека, животных, растения, на работу многих механизмов.Амплитуда температуры воздуха — разность между максимальным и минимальным значением температуры за определенный период (сутки, месяц, год).Средняя температура — среднее арифметическое значение всех измеренных в течение определенного времени значений температуры. Выделяют среднее суточное, среднее месячное и среднее годовое значение температуры.Максимальная (максимум) и минимальная (минимум) температуры — наибольшее и наименьшее значение температуры за определенный период времени (сутки, месяц, год, столетие).Изотермы — линии, соединяющие точки с одинаковой температурой воздуха, почвы или воды на географических картах, вертикальных разрезах атмосферы, почвенных или гидрологических разрезах. Могут составляться специальные карты изотерм средней многолетней, месячной и другой температуры.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Существует несколько различных единиц измерения температуры.
Они делятся на относительные (градус Цельсия, градус Фаренгейта…) и абсолютные (Кельвин, градус Ранкина…).

Наиболее известными являются следующие:
Градус Цельсия (℃)
Градус Фаренгейта (℉)
Кельвин (K) 
Градус Реомюра (°Ré, °Re, °R)
Градус Рёмера (°Rø)
Градус Ранкина (°Ra)
Градус Делиля (°Д или °D)
Градус Гука (°H)
Градус Дальтона (°Dа)
Градус Ньютона (°N)
Лейденский градус (°L или ÐL)
Планковская температура (TP)

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Температурные шкалы — способы деления на части интервалов температуры, измеряемых термометрами по изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства объекта, при прочих равных условиях однозначно зависящего от температуры (объёма, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения, показателя преломления, скорости звука и др.) и называемого термометрическим свойством . Для построения шкалы температур приписывают её численные значения двум фиксированным точкам (реперным точкам температуры), например точке плавления льда и точке кипения воды. Деля разность температур реперных точек (основной температурный интервал) на выбранное произвольным образом число частей, получают единицу измерения температуры, а задавая, опять-таки произвольно, функциональную связь между выбранным термометрическим свойством и температурой, получают возможность вычислять температуру по данной температурной шкале.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Максимальная средняя годовая температура (+34,4 °С) зарегистрирована в 1960 г. на метеостанции Даллол во впадине Данакиль (северо-восток Эфиопии, близ границы с Эритреей).Минимальная средняя годовая температура (–57,8 °С) зарегистрирована в 1958 г. на полюсе Недоступности (Антарктида).За звание самого холодного постоянно обитаемого места на Земле спорят три места в Якутии: город Верхоянск,  −67,8 °C была зарегистрирована здесь в январе 1885 года. Верхоянск часто называют полюсом холода северного полушария. Самый большой перепад температур — в Якутии, составляет почти 107° (от –70 °С зимой до +37 °С летом).Самый большой суточный перепад температур (55,5°) наблюдался в штате Монтана(США) 24 января 1916 г.
Максимальная температура воздуха на планете зафиксирована в Северной Африке — +57,8 °С (Эль-Азизия, в районе г. Триполи). Минимальные температуры: –89,2 °С (станция «Восток») и –91,2 °С (станция «Купол Фудзи»).

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Солнечные лучи проходят через воздух атмосферы, почти не нагревая его.
Основное тепло атмосферный воздух получает от нагретой солнечными лучами земной и водной поверхности. Поэтому температура воздуха в тропосфере понижается на 0,6 °С при подъёме на каждые 100 метров высоты.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Виртуальная температура это температура сухого воздуха, до которой нужно нагреть его для того, чтобы его плотность сравнялась с плотностью влажного воздуха, взятого с тем же давлением.
Необходимость введения виртуальной температуры связано с тем, что при подстановке этого параметра в уравнения состояния газа они становятся инвариантны относительно влажности.
Различия в плотностях сухого и влажного воздуха обусловлены различием их молярных масс. Так, молярная масса сухого воздуха около 29 г/моль, а молярная масса водяного пара 18 г/моль, поэтому влажный воздух, содержащий в составе водяной пар, имеет меньшую плотность чем сухой воздух, взятый с сухим воздухом при одинаковых температуре и давлении.
Отличие плотностей сухого и влажного воздуха при обычных температурах и влажностей невелико и становится существенным только при высокой температуре и большой влажности.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Плотность воздуха показывает, сколько весит 1 кубический метр газа. При нормальных условиях в расчетах принимают плотность 1,2 кг/м³. Но в зависимости от других параметров воздуха его плотность может изменяться в диапазоне от 0,9 кг/м³ до 1,4 кг/м³.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Формула плотности воздуха
Найти плотность воздуха можно при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона:
ρ = p · M / (R · T), где
p – атмосферное давление (нормальное значение 101 325 Па),
M – молярная масса (29 г/моль, если точнее то 28,98 г/моль),
R – газовая постоянная 8,314 Дж/(моль·К),
Т – температура воздуха в Кельвинах (К), что на 273° больше, чем в Цельсиях.
Величину R/M называют газовой постоянной для воздуха. Она равна 283 Дж/(кг·К):
R/M = 8,314/29 = 0,287 Дж/(г·К) = 286,7 Дж/(кг·К)
Тогда формулу для плотности сухого воздуха в зависимости от давления и температуры можно записать следующим образом:
ρ = p / (287 · T)
Главное – помнить, что температура должна быть выражена в Кельвинах (273,16 + °С). Например, если подставить нормальное давление (101 325 Па) и температуру 0°С, то получим:
При 0°С: ρ = 101 325 / (286,9·273,16) = 1,293 кг/м³
При 20°С: ρ = 101 325 / (286,9·293,16) = 1,2047 кг/м³

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Плотность воздуха в различных единицах
Обычно плотность измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³). И тогда в формулы подставляют значение 1,2кг/м³. Это соответствует единицам измерения таблице СИ.
Но иногда вам может понадобиться значение плотности, выраженное в других единицах:

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Основное уравнение статики является одним из важнейших уравнений метеорологии, на основе которого устанавливаются закономерности распределения давления, плотности и массы воздуха по высоте. В своем дифференциальном виде основное уравнение статики позволяет выполнить расчет изменения давления лишь для малых приращении высоты.
На практике всегда необходимо иметь данные о распределении давления в слоях атмосферы конечной толщины или определить толщину таких слоев по измеренным значениям давления. Для этой цели основное уравнение статики записывают в конечном (интегральном) виде, т.е. находят его интегралы. Интегралы основного уравнения статики атмосферы, полученные при разных предположениях относительно изменения температуры и плотности воздуха с высотой, называются барометрическими формулами. На основе этих формул решаются такие важные практические задачи, как расчет распределения давления и плотности по высоте, определение высот различных летательных аппаратов по измеренному давлению, приведение давления к уровню моря и др.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Основное уравнение статики для атмосферы.
Барометрическое нивелирование.
Использование барометрической формулы.

Рассмотреть самостоятельно, законспектировать
(на проверку)

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Барическая ступень

Барической ступенью называется такая высота (h), на которую нужно подняться до исходного уровня, чтобы давление понизилось на 1гПа. Единица барической ступени м/гПа. Так как при увеличении высоты на dz давление понижается на –dp, для того чтобы оно уменьшилось на 1гПа необходимо подняться на высоту равную

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Барическая ступень (гПа) [Матвеев]

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Приведение давления к уровню моря

Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Так как большинство станций расположено выше уровня моря, то численное значение давления, измеренного на этих станциях, при приведении его к уровню моря увеличивается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте станции над уровнем моря. Приведение давления к уровню моря делают во всех случаях, когда необходимо сравнить между собой данные наблюдений над давлением воздуха, полученные на станциях, расположенных на разной высоте. Поскольку в целях прогноза погоды используется именно «приведенное» давление, то в посылаемые станциями синоптические телеграммы включаются сведения об измеренном давлении только после приведения его к уровню моря.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Приведение давления к уровню моря

Приведение давления на станциях производится с помощью готовых таблиц, составленных по барометрической формуле для разных значений давления и температуры. Очевидно, что на станциях, расположенных на разной высоте над уровнем моря, нельзя пользоваться одинаковыми таблицами.
Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке -- уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z2-z1=18400(1+лt)lg(p1/p2). То есть, зная давление и температуру на уровне z2, можно найти давление (p1) на уровне моря (z1=0).

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3

Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря Po и температуре воздуха T:
P = Poe-Mgh/RT
где Po -- давление Па на уровне моря [Па];
M -- молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль];
g -- ускорение свободного падения 9,81 [м/сІ];
R - универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К];
T -- абсолютная температура воздуха [К],
T = t + 273,
где t -- температура в °C;
h -- высота [м].
На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт. ст. На больших высотах эта закономерность нарушается.

Литвинович А. В.

Метеорология и климатология

Лекция 3