Budowa atmosfery
1
Dział 1: Budowa atmosfery. Ciśnienie i temperatura.
Pochodzenie i ewolucja atmosfery ziemskiej. Budowa atmosfery: podział na warstwy ze
względu na: przebieg temperatury, skład chemiczny, własności elektromagnetyczne i
dynamiczne. Ozonosfera. Temperatura - stosowane w meteorologii skale, pomiary
temperatury. Ciśnienie - jednostki, przyrządy pomiarowe. Równanie stanu powietrza suchego.
Statyka atmosfery: równanie hydrostatyki, stopień baryczny, formuły barometryczne.
Pochodzenie i ewolucja atmosfery ziemskiej
Atmosfera pierwotna
Powstała w okresie formowania Ziemi. Prawdopodobna zawartość: wodór, hel, związki
wodoru - metan i amoniak. Zanik atmosfery wskutek ucieczki gazów pierwotnych.
Atmosfera wtórna
Powstała po uformowaniu skorupy ziemskiej, ok. 4.4 mld lat temu. Powstała wskutek
uwalniania pary wodnej (85%), dwutlenku węgla (10%) i azotu (amoniak) z wnętrza Ziemi
(działalność wulkaniczna). Gęsta atmosfera o silnym efekcie szklarniowym, średnia
temperatura szacowana na ok. 70 C.
Stygnięcie atmosfery – kondensacja pary wodnej, powstanie oceanów.
Powstanie tlenu - fotodysocjacja pary wodnej wskutek promieniowania UV, fotosynteza
Budowa atmosfery
Skład chemiczny:
homosfera (do ok. 80-100 km)
heterosfera
Temperatura:
troposfera (do ok. 10 km)
stratosfera (10-50 km)
mezosfera (50-80 km)
termosfera
egzosfera (powyżej 500 km)
Własności elektryczne i magnetyczne
jonosfera (80-900 km)
magnetosfera
Własności dynamiczne
warstwa graniczna: do ok. 1-3 km, powyżej atmosfera swobodna
Skład chemiczny homosfery (do wysokości ok. 80 – 100 km)
Gazy o stałym udziale
Gazy o zmiennym udziale
Masa
cząst.
[g/mol]
Zawartość
[% obj]
Masa cząst.
[g/mol]
Zawartość
[% obj]
Azot (N
2
)
28.013
78.08
Para wodna (H
2
O)
18.015
0 – 4
Tlen (O
2
)
31.999
20.95
Dwutlenek węgla (CO
2
)
44.01
0.0360
Argon (Ar)
39.948
0.93
Metan (CH
4
)
16.043
0.00017
Neon (Ne)
20.183
0.0015
Ozon* (O
3
)
47.998
0.000003-
0.001
Hel (He)
4.003
0.0005
Tlenek węgla* (CO)
28.01
0.00002
Krypton (Kr) 83.80
0.0001
Dwutlenek siarki* (SO
2
) 64.06
0.000002
Ksenon (Xe) 131.30
0.000005
Dwutlenek azotu* (NO
2
) 46.00
0.000002
*
średnie wartości w obszarach zanieczyszczonych
Meteorologia
Łobocki
Budowa atmosfery
2
Ozonosfera
•
Produkcja ozonu: max. na wys. 25 km
•
100
×
większe stężenia ozonu niż przy powierzchni Ziemi
•
90% całego ozonu atmosferycznego znajduje się w stratosferze
•
Absorbuje promieniowanie UV i podczerwień w paśmie ok. 10
µ
m
•
Absorpcja promieniowania UV powoduje znaczny wzrost temperatury w stratosferze
•
Znaczenie biologiczne: ochrona przed mutagennym działaniem promieniowania UV
•
Stężenie ustalane wydajnością procesów tworzenia i rozpadu ozonu:
O
2
+ O
→
O
3
O
3
+ uv
→
O
2
+ O
O
3
+ O
→
2O
2
O
3
+ O
3
→
3O
2
Liczba atomowa, masowa, masa atomowa, cząsteczkowa i molowa
•
Liczba atomowa (porządkowa) -
– liczba protonów w jądrze atomu
•
Liczba masowa – liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomu danego
izotopu / pierwiastka
•
Masa atomowa (cząsteczkowa) to masa jednego atomu danego pierwiastka (jednej
cząsteczki związku); wyrażana w atomowych jednostkach masy – 1/12 masy atomu
izotopu węgla
12
C
•
Masa molowa – masa NA = 6.022×10
23 atomów (cząsteczek) danego pierwiastka lub
związku
Prawo Avogadry
•
W tych samych warunkach (temperatura, ciśnienie), w takich samych objętościach różnych
gazów znajdują się takie same liczby cząsteczek
•
Wniosek: stała gazowa ma taką samą wartość dla różnych gazów
•
W warunkach normalnych (temperatura 273,5 K, ciśnienie 100 kPa),1 mol gazu zajmuje
objętość V
N
= 22,4 m
3
Równanie stanu gazu doskonałego
•
Równanie stanu gazu doskonałego
p - ciśnienie
T - temperatura (w skali termodynamicznej)
n – liczność materii
m - masa
µ
- masa molowa
- uniwersalna stała gazowa
Meteorologia
Łobocki
T
R
m
T
nR
pV
*
*
µ
=
=
A
m
N
n
N
=
=
µ
*
-1
-1
8.31 J K mol
R
=
Budowa atmosfery
3
•
Indywidualna stała gazowa
•
Inna postać równania stanu:
Równanie stanu dla mieszanin gazowych
•
Średnia masa cząsteczkowa mieszaniny
•
Równanie stanu mieszaniny gazów doskonałych
•
Prawa Daltona, ciśnienia i objętości parcjalne
•
Efektywna masa molowa i stała gazowa dla powietrza suchego
Meteorologia
Łobocki
µ
*
R
R
=
*
*
*
B
A
A
N
R
pV
nR T
R T
N
T
Nk T
N
N
=
=
=
=
pV
mRT
=
p
RT
= ρ
*
1
1
A
N
pV
R T
N
=
*
2
2
A
N
pV
R T
N
=
*
*
1
2
1
2
A
A
N
N
pV
pV
R T
R T
N
N
+
=
+
(
)
*
1
2
1
2
A
N
N
p V V
R T
N
+
+
=
1
2
1
2
k
ef
k
n
n
n
n
n
n
µ = µ +
µ +
µ
K
1 1
2
ef
v
vk
vk
k
U
U
U
µ =
µ +
µ +
µ
K
*
*
i
i
i
i
m
pV
n R T
R T
=
=
µ
p
i
=
p
V =
∑
i
V
i
V
i
=
V
p=
∑
i
p
i
V =
∑
i
V
i
p V
i
=
n
i
R
*
=
m
i
i
R
*
T
p V =
∑
i
p V
i
=
∑
i
m
i
i
R
*
T =
m
d
R
*
T
1
d
=
∑
i
m
i
m
i
Budowa atmosfery
4
•
Udział masowy, a objętościowy
Statyka atmosfery
•
Wyprowadzenie równania hydrostatyki
ρ
∆
x
∆
z
∆
y
∆
∆ ∆
m
x y z
= ρ∆
∆
∆
∆ ∆
∆
p
mg
x y
g z
= −
= −ρ
∆
∆
∆
p
z
g
z
= −
→
ρ
;
0
dp
g
dz
= −ρ
•
Stopień baryczny: różnica wysokości, odpowiadająca jednostkowej zmianie ciśnienia
•
Atmosfera jednorodna, rozkład ciśnienia, ograniczenie grubości (gęstościowa skala
wysokości)
dp
gdz
= −ρ
dp
g dz
p
p
z
0
0
∫
∫
= −ρ
Meteorologia
Łobocki
i
mi
m
U
m
=
i
i
i i
i
A
N
m
n
N
= µ =
µ
i
i
vi
A
A
N
N
N
nU
N
N N
=
=
i
vi i
m
nU
=
µ
i
i
mi
vi
vi
ef
n
U
U
U
m
µ
µ
=
=
µ
Budowa atmosfery
5
( )
p z
p
gz
=
−
0
ρ
H
p
g
ρ
ρ
=
0
•
Atmosfera o zmiennej gęstości:
d
p
R T
= ρ
dp
g
dz
= −ρ
d
dp
p
g
dz
R T
= −
( )
d
dp
g dz
p
R T z
= −
•
Rozkład ciśnienia w atmosferze izotermicznej
∫
p
0
p
dp
p
=−
g
R
d
T
∫
0
z
d z
0
ln
d
p
gz
p
R T
= −
( )
0
d
gz
R T
p z
p e
−
=
•
Rozkład ciśnienia w atmosferze stałogradientowej
( )
T z
T
z
= −
0
γ
∫
p
0
p
dp
p
=−
g
R
d
∫
0
z
d z
T
0
−
z
0
0
0
ln
ln
d
T
z
p
g
p
R
T
−γ
=
γ
p= p
0
T
0
−
z
T
0
g
R
d
Meteorologia
Łobocki
Budowa atmosfery
6
•
Grawitacyjna separacja składników atmosfery
Temperatura
•
Skala Celsjusza, Kelvina i Fahrenheita
•
Pomiar: klatka meteorologiczna, termometry szklane cieczowe: stacyjny, minimalny i
maksymalny
•
Pomiary radiosondażowe
Ciśnienie
•
Definicja
•
Jednostki: hPa, mbar i mm Hg
•
Pomiary: barometr rtęciowy, aneroid, barograf. Czujniki pojemnościowe (BAROCAP)
________________________________________________________________________________
Ćwiczenia w Internecie
http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/lutgens3/
http://www.brookscole.com/cgi-brookscole/course_products_bc.pl
?fid=M20b&product_isbn_issn=053437199X&discipline_number=30
________________________________________________________________________________
Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne
1. Wiedząc, że promień Ziemi wynosi ok. 6314 km, i przyjmując, że średnie ciśnienie na poziomie
morza wynosi 1013.25 hPa, oszacuj masę całej atmosfery.
2. Korzystając z danych poprzedniego zadania i danych zawartych w tabelkach, oszacuj całkowitą
masę dwutlenku węgla zawartego w atmosferze.
3. Dlaczego stratosferyczne maksimum temperatury występuje wyżej, niż maksimum koncentracji
ozonu?
4. Wyjaśnij, w jaki sposób we wtórnej atmosferze Ziemi mógł pojawić się tlen.
5. Ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Wenus jest 90-krotnie większe, niż na Ziemi. Jaką
wartość ma stopień baryczny na powierzchni tej planety?
6. W tych samych warunkach - przy tym samym ciśnieniu i temperaturze - powietrze wilgotne
będzie lżejsze, czy cięższe od suchego? Odpowiedź uzasadnij.
7. Wykonujesz pomiary ciśnienia w 10-piętrowym budynku, w którym piętra mają wysokość 3 m.
Jaką różnicę ciśnień powinieneś zanotować w pomiarach wykonanych na parterze i na ostatnim
piętrze budynku?
8.
Ciśnienie na poziomie morza w dwóch różnych miejscach A i B jest równe i wynosi 1000 hPa. Na
jakiej wysokości będzie położona powierzchnia stałego ciśnienia 900 hPa ponad A i B, jeśli
temperatura powietrza ponad punktem A wynosi 20
°
C i nie zmienia się z wysokością, zaś ponad
punktem B wynosi 30
°
C? Jaka jest różnica wysokości położenia owej powierzchni nad tymi
punktami?
9.
Porównaj wyniki obliczeń ciśnienia atmosferycznego na wysokości: a) 2000 m, b) 5000 m,
wykonane przy założeniu (I) stałej z wysokością temperatury powietrza, równej 20
°
C i (II) stałego
spadku temperatury z wysokością o 0.65
°
C na każde 100 m różnicy poziomów, od wartości
temperatury powietrza na poziomie ziemi, równej 20
°
C.
10.
Zredukuj do poziomu morza wartość ciśnienia odczytaną ze skali barometru umieszczonego na
wysokości 350 m npm, przy temperaturze 20
°
C.
Meteorologia
Łobocki