Akademia Techniczno - Humanistyczna

Wydział Budowy Maszyn

Mechanika Płynów i Hydraulika

Rozkład temperatur i wielkości ciśnień z wysokości od 0 - 200 km (wobec ziemi)

Opracował:

Wydział: BM i I

Grupa: II

Semestr: III

Rok akademicki: 2001/2002

Wstęp

Atmosfera jest to powłoka gazowa otaczająca Ziemie lub inne ciało niebieskie, jeden ze składników, najbardziej zewnętrzny, powłoki ziemskiej.

Atmosfera wzorcowa, (atmosfera standardowa) jest to umowny pionowy rozkład temperatury, ciśnienia i gęstości powietrza, dotyczący wszystkich szerokości geograficznych, przyjęty za wzorzec międzynarodowy przy porównywaniu wyników badań samolotów, rakiet i silników lotniczych przeprowadzanych w różnych warunkach. Parametry atmosfery są obliczane przy założeniu, że w atmosferze ziemskiej obowiązują prawa statyki, powietrze jest suchym gazem doskonałym i jego skład nie zależy od wysokości; ponadto przyjmuje się następujące dane: na poziomie morza ciśnienie wynosi 1013,25 hPa, temperatura 15^oC, gęstość powietrza 1,225 10 3 g/cm³ pionowy gradient temperatury do wysokości 11 km wynosi 6,5^oC na 1 km; w warstwie od 11 do 20 km temperatura jest stała i wynosi 56,5^oC; na wys. 20 32 km pionowy gradient temperatury jest dodatni i równa się 1^oC na 1 km . Stała gazowa dla powietrza suchego wynosi R = 8,32432 J/mol K, średnia masa cząsteczkowa powietrza Gm = 28,9644, przyspieszenie ziemskie g = 9,80665 m/s2.

Atmosfera składa się z warstw:

• Troposfery

• Stratosfery

• Mezosfery

• Termosfery

• Egzosfery

Troposfera [gr.], warstwa atmosfery ziemskiej rozciągająca się od powierzchni Ziemi do wys. 16,18 km nad równikiem, 10,12 km nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi i 7,10 km nad obszarami podbiegunowymi. W warstwie tej temperatura maleje jednostajnie ze wzrostem wysokości i na górnej granicy troposfery osiąga wartość od -55C (nad obszarami podbiegunowymi) do -80C (nad obszarami równikowymi); t. zawiera ponad 99% znajdującej się w atmosferze pary wodnej, toteż wszystkie procesy związane z kondensacją pary wodnej (kondensacja w atmosferze ziemskiej) zachodzą niemal wyłącznie w tej warstwie. W troposferze jest także skupiona przeważająca część masy powietrza atmosferycznego. Procesy zachodzące w troposferze mają decydujący wpływ na pogodę i klimat, jest ona zatem głównym przedmiotem badań meteorologii.

Stratosfera [łac. - gr.], warstwa atmosfery ziemskiej leżąca nad troposferą, rozciągająca się od wysokości 10,18 km do wysokości 45,50 km . Dolna część stratosfery jest warstwą o prawie stałej temperaturze (od 45 do 75^oC), w górnej (od wys. 20,25 km) temperatura powietrza, wskutek pochłaniania (głównie przez cząsteczki ozonu) promieniowania słonecznego, wzrasta wraz z wysokością przekraczając wartość 0^oC. Ilość pary wodnej w stratosferze jest niewielka, nie występują w niej chmury, jednak niekiedy na wys. 20,30 km obserwuje się obłoki iryzujące.

Mezosfera [gr.], meteorologiczna warstwa atmosfery ziemskiej znajdująca się nad stratosferą na wysokości od 45,50 km do 80,85 km, w której temperatura powietrza maleje wraz ze wzrostem wysokości (od ok. 0 do ok. 70^oC).

Termosfera [gr.], warstwa atmosfery ziemskiej rozciągająca się nad mezosferą od wysokości 80,85 km do wysokości około 500,600 km . W warstwie tej, wskutek pochłaniania promieniowania słonecznego, temperatura rośnie wraz z wysokością, osiągając na górnej granicy termosfery wartości wyższe od 1500^oC. Dominującym składnikiem termosfery jest tlen atomowy.

Egzosfera [gr.], nazwa stosowana niekiedy na określenie najbardziej zewnętrzna części atmosfery ziemskiej, powyżej 600,1000 km . Egzosfera odznacza się bardzo małą gęstością i bardzo wysoką temperaturą. Atomy gazów poruszają się w niej z bardzo dużą prędkością, nie zderzając się ze sobą; niektóre z nich (głównie atomy wodoru i helu) mogą ulatywać z pola grawitacyjnego Ziemi w przestrzeń międzyplanetarną. Egzosfera jest też zewnętrzną sferą rozpraszania (dysypacji).

Ciśnienie atmosferyczne

Ciśnienie atmosferyczne - jest to ciśnienie, jakie wywiera powietrze atmosferyczne na powierzchnię Ziemi i na wszystkie znajdujące się w nim ciała. Na danym poziomie jest równe ciężarowi słupa powietrza o jednostkowej podstawie znajdującego się ponad tym poziomem. Na poziomie morza średnia wartość ciśnienia atmosferycznego, tzw. ciśnienie normalne, wynosi 1013,25 hPa (1 atm). Ze wzrostem wysokości ciśnienie atmosferyczne maleje (baryczny stopień). W meteorologii stosuje się (np. na mapach pogody) wartości ciśnienia atmosferycznego zredukowane do poziomu morza i temp. 0^oC (największą wartość 1084 hPa, zanotowano 1968r. w wyżu azjatyckim na Syberii, najmniejszą 870 hPa 1979r. w oku tajfunu Tip na Pacyfiku). Od rozkładu ciśnienia atmosferycznego zależy poziomy ruch powietrza i związane z tym procesy (wiatr, powstawanie chmur i in.). Pomiarów ciśnienia atmosferycznego dokonuje się różnego rodzaju barometrami. Istnienie ciśnienia atmosferycznego doświadczalnie potwierdził w 1643r. E. Torricelli.

Pionowy profil temperatury w atmosferze

Kolejne warstwy atmosfery absorbują w różnym stopniu zarówno krótkofalowe promieniowanie słoneczne, jak i długofalowe promieniowanie ziemskie. Skutkiem pochłaniania promieniowania jest ogrzewanie wzrost temperatury. Z kolei z ogrzanych warstw powietrza ciepło może być transportowane przez unoszenie bądź przewodnictwo do innych warstw atmosfery. W wyniku tych procesów wykształca się średni pionowy profil temperatury, na podstawie którego możemy podzielić atmosferę na warstwy. Licząc od dołu nazywają się one kolejno: troposfera, stratosfera, mezosfera i termosfera. W dolnej części troposfery wyróżniamy tzw. warstwę graniczną atmosfery.

Warstwa graniczna atmosfery to warstwa, która szybko reaguje termicznie na zmiany temperatury powierzchni Ziemi. Stąd obserwuje się w niej bardzo silny cykl dobowy. W dzień warstwa nagrzewa się od powierzchni gruntu, który absorbuje promieniowanie słoneczne, w nocy zaś stygnie. Zakres zmian temperatury zależy od rodzaju podłoża (silny jest nad lądem, słaby nad wodą, różny dla obszarów pokrytych roślinnością, pustynnych czy miejskich), sytuacji synoptycznej (chmury nie dopuszczają do silnego nagrzewania się gruntu w dzień i wychładzania w nocy), wreszcie pory roku i szerokości geograficznej (różny kąt padania promieni słonecznych i długość dnia) oraz siły wiatru (wzrost siły wiatru powoduje wzrost turbulencji i szybszy transport ciepła). Ogólnie przyjmuje się, że warstwa graniczna może mieć grubość od kilkudziesięciu metrów do 2 kilometrów, a temperatura może tam istotnie zmieniać się z wysokością: spadać o 10C/100 m w słoneczny letni dzień lub rosnąć nawet o kilka stopni na 100m w zimowy wczesny ranek (przyziemna inwersja temperatury).

Powyżej warstwy granicznej do wysokości około 10 km 12 km, w troposferze, temperatura spada z wysokością w zasadzie monotonicznie, o ok. 0.60^oC/100 m. Warstwa przejściowa, tropopauza, o temperaturze ok. 500^oC do 700^oC, oddziela troposferę od następnej warstwy, stratosfery. W stratosferze temperatura rośnie z wysokością, aż do temperatury ok. 0^oC na wysokości ok. 50 km w stratopauzie. Jedną z ważniejszych przyczyn wzrostu temperatury w stratosferze jest pochłanianie promieniowania nadfioletowego emitowanego przez Słońce przez cząsteczki ozonu. Powyżej stratopauzy, w mezosferze temperatura ponownie spada z wysokością, osiąga minimum rzędu 1000^oC w mezopauzie, a w ostatniej, najwyższej warstwie termosferze ponownie rośnie ze wzrostem wysokości. Mezosfera, a tym bardziej termosfera jest warstwą atmosfery o niezwykle małej gęstości. Średnia droga swobodna między zderzeniami molekuł wynosi tam więcej niż 1 cm trudno jest więc mówić o ich temperaturze w potocznym tego słowa znaczeniu. Wysoka średnia energia kinetyczna (temperatura) cząsteczek jest w tych warstwach wynikiem pochłaniania nadfioletu z promieniowania Słonecznego, które prowadzi do fotodysocjacji i jonizacji molekuł powietrza. Warstwa, w której występuje najwyższe stężenie jonów (80,1000 km) nazywa się jonosferą. Ponieważ fotodysocjacja i wzrost temperatury na tych wysokościach są bezpośrednim skutkiem oddziaływania promieniowania słonecznego, obserwuje się tam silny cykl dobowy: w dzień na wysokości 500 km temperatura może osiągać nawet 20000^oC, w nocy spada do ok. 4000^oC. Podobnie fluktuuje koncentracja jonów.

Inwersja temperatury, wzrost temperatury powietrza ze wzrostem wysokości. Sytuacja odwrotna do zachodzącej normalnie w troposferze, gdzie przeważa spadek temperatury ze wzrostem wysokości, średnio o 0,5°C na 100 m. W dolnych warstwach atmosfery przyczyną inwersji temperatury jest na ogół wypromieniowanie ciepła z powierzchni Ziemi w czasie bezwietrznych i pogodnych nocy.

Pionowy profil temperatury w atmosferze

---