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 Zawartość Masa cząst. Zawartość
czÄ…st. [% obj] [g/mol] [% obj]
[g/mol]
Azot (N ) 28.013 78.08 Para wodna (H O) 18.015 0  4
2 2
Tlen (O ) 31.999 20.95 Dwutlenek węgla (CO ) 44.01 0.0360
2 2
Argon (Ar) 39.948 0.93 Metan (CH ) 16.043 0.00017
4
Neon (Ne) 20.183 0.0015 Ozon* (O ) 47.998 0.000003-
3
0.001
Hel (He) 4.003 0.0005 Tlenek węgla* (CO) 28.01 0.00002
Krypton (Kr) 83.80 0.0001 Dwutlenek siarki* (SO ) 64.06 0.000002
2
Ksenon (Xe) 131.30 0.000005 Dwutlenek azotu* (NO ) 46.00 0.000002
2
*
średnie wartości w obszarach zanieczyszczonych
Meteorologia A
obocki
Budowa atmosfery 2
Ozonosfera
" Produkcja ozonu: max. na wys. 25 km
" 100× wiÄ™ksze stężenia ozonu niż przy powierzchni Ziemi
" 90% całego ozonu atmosferycznego znajduje się w stratosferze
" Absorbuje promieniowanie UV i podczerwieÅ„ w paÅ›mie ok. 10 µm
" 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 + O O
2 3
O + uv O + O
3 2
O + O 2O
3 2
O + O 3O
3 3 2
Liczba atomowa, masowa, masa atomowa, czÄ…steczkowa 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 (czÄ…steczkowa) to masa jednego atomu danego pierwiastka (jednej
cząsteczki związku); wyrażana w atomowych jednostkach masy  1/12 masy atomu
izotopu węgla 12C
" Masa molowa  masa NA = 6.022×1023 atomów (czÄ…steczek) danego pierwiastka lub
zwiÄ…zku
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 = 22,4 m3
N
Równanie stanu gazu doskonałego
" Równanie stanu gazu doskonałego
m
pV = nR*T = R*T
µ
p - ciśnienie
T - temperatura (w skali termodynamicznej)
m N
n = =
n  liczność materii
µ NA
m - masa
µ - masa molowa
R* = 8.31 J K-1 mol-1 - uniwersalna stała gazowa
Meteorologia A
obocki
Budowa atmosfery 3
" Indywidualna stała gazowa
R*
R =
µ
p = ÁRT
pV = mRT
" Inna postać równania stanu:
N R*
pV = nR*T = R*T = N T = NkBT
NA NA
Równanie stanu dla mieszanin gazowych
" Åšrednia masa czÄ…steczkowa mieszaniny
n1 n2 nk
µef = µ1 + µ2 +K µk
n n n
µef = Uv1µ1 +Uvk µ2 +KUvk µk
" Równanie stanu mieszaniny gazów doskonałych
N2
N1
pV2 = R*T
pV1 = R*T
NA
NA
N1 N2
pV1 + pV2 = R*T + R*T
NA NA
N1 + N2 mi
p V1 +V2 = R*T pVi = niR*T = R*T
( )
NA µi
" Prawa Daltona, ciśnienia i objętości parcjalne
pi= p V = V V =V p= pi
" "
i i
i i
" Efektywna masa molowa i stała gazowa dla powietrza suchego
mi
V = V
"
i
p V =ni R*= R* T
i
ÂÄ…i i
mi
mi
1
m
p V = p V = R* T = R*T
"
" "
i
ÂÄ…d = m ÂÄ…i
ÂÄ…i ÂÄ…d
i
i i
Meteorologia A
obocki
Budowa atmosfery 4
" Udział masowy, a objętościowy
mi Ni
Ni N Ni
Umi = mi = niµi = µi
= = nUvi
m NA
NA NA N
mi = nUviµi
nµi µi
Umi = Uvi = Uvi
m µef
Statyka atmosfery
" Wyprowadzenie równania hydrostatyki
" z
Á
" y
" x
"m = Á"x"y"z
"mg
"p = - = -Ág"z
"x"y
"p
= -Ág; "z 0
"z
dp
= -Ág
dz
" Stopień baryczny: różnica wysokości, odpowiadająca jednostkowej zmianie ciśnienia
" Atmosfera jednorodna, rozkład ciśnienia, ograniczenie grubości (gęstościowa skala
wysokości)
dp = -Ágdz
p z
dp = -Ág dz
+" +"
p0 0
Meteorologia A
obocki
Budowa atmosfery 5
p( z) = p0 - Ágz
HÁ = p0 Ág
" Atmosfera o zmiennej gęstości:
p = ÁRdT
dp
= -Ág
dz
dp p
= -g
dz RdT
dp g dz
= -
p Rd T z
( )
" Rozkład ciśnienia w atmosferze izotermicznej
p z
dp g
=- d z
+" +"
p Rd T
p0 0
p gz
ln = -
p0 RdT
gz
-
RdT
p z = p0e
( )
" Rozkład ciśnienia w atmosferze stałogradientowej
T( z) = T0 - Å‚z
p z
dp g d z
=-
+" +"
p Rd 0 T -Ä…Ä… z
p0 0
p g T0 - Å‚z
ln = ln
p0 Rd Å‚ T0
g
T -Ä…Ä… z
Rd Ä…Ä…
p= p0 0
śą źą
T
0
Meteorologia A
obocki
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? Odpowiedz
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 siÄ™ z wysokoÅ›ciÄ…, zaÅ› ponad
punktem B wynosi 30°C? Jaka jest różnica wysokoÅ›ci poÅ‚ożenia owej powierzchni nad tymi
punktami?
9. Porównaj wyniki obliczeń ciśnienia atmosferycznego na wysokości: a) 2000 m, b) 5000 m,
wykonane przy zaÅ‚ożeniu (I) staÅ‚ej z wysokoÅ›ciÄ… temperatury powietrza, równej 20°C i (II) staÅ‚ego
spadku temperatury z wysokoÅ›ciÄ… o 0.65°C na każde 100 m różnicy poziomów, od wartoÅ›ci
temperatury powietrza na poziomie ziemi, równej 20°C.
10. Zredukuj do poziomu morza wartość ciśnienia odczytaną ze skali barometru umieszczonego na
wysokoÅ›ci 350 m npm, przy temperaturze 20°C.
Meteorologia A
obocki