Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 8
Текст из файла (страница 8)
В)егкпев Ревгбапб 1и2. т. В1п ке. ме!сало!озгвсьев тавсьепьпсь, )е!Рл!3 1931. )хронологические таблицы). М а г 1 п е М е ! е о г о 1 о 3 у. НВ1агу аог) РгоЗтевв.-маг!не оЬв. ч. 15; М 18. А. ЗсЬпга пав. !)гвасЬе ши) %!гкппз !п Зег Ме1еого)оз!е. „МегеогЫозгвспе Хе!гвсЬг!Ь' 1921, Б. 11. БЬа тт, Кар ! ег. Ме!еого!оЗге апс!епг апй Мог)еги.— Ка!пге, т. 120, 1927. 33 3014, р. 190. Н. 3 Ь а тт.
Манна! о! Ме1еого1оЗу. Чо1. 1. №1еого!оЗу !п Н!вину. СатлЬгй)Зе 192а Е )!. Т и л о и и р о в. Фицрой и современная метеорологии. „№теорологический Вестник", 1932. май ГЛАВА В Общие принципы механики атмосферы $1. Введение. В первом приближении земля представляет собой шар радиусом в 6370 ка '), вращающийся вокруг оси, проходящей через полюсы его, обращающийся вокруг солнца и несущийся, вместе с солнечной системой, в мировом пространстве. Атмосфера, окружающаяземлю, увлекаясь движением земли, подвергается действию целого ряда сил, из которых важнейшей является специальный вид силы Ньютоновского тяготения — земное притяжение.
В результате действия этой последней силы, атмосфера не может оторваться, по крайней мере, в низких слоях, от поверхности земли. Таким образом, так называемая покоящаяся атмосфера находится на самом деле в беспрестанном движении,следуя завращением земли, а явление ветра есть результат возникшей в том илн ином месте разницы между движением воздуха и движением системы закрепленной на поверхности земли. Только на большой рысоте повидимому существует систематическое отставание воздуха от вращения земли в), проявляющееся, естественным образом, в виде постоянного ветра, дующего с востока йа запад.
На основании законов газовой механики можно с большой вероятностью утверждать, что атмосфера не имеет границы в точном смысле слова„а лишь постепенно переходит в наполненное легчайшими газами мировое пространство. Мы можем только ответить на вопрос о том, на какой высоте еще замечается атмосфера, и зто мы можем сделатьблагодаря существованию пзвестных оптических явлений.
Так, наблюдения над сумерками' позволяют утверждать что еще на высоте в 214 клз имеется воздух отражающий свет, возгорание метеоров дает „высоту" в 300 кн, а наблюдения над северными сияниями делают вероятным существование воздуха еще иа 500 клт над поверхностью земли. Понятие „массы всей атмосферы" не имеет точного смысла, подобно понятию высоты.
Масса атмосферы есть, повидимому, величина переменная, нбо земля теряет свою атмосферу, как бы расплескивая ее в мировом пространстве з) Грубо можно оценить ее косвенным путем в 52.10тз та, что составляет меньше чем одну миллионную массы земли. Однако плотность воздуха на большях высотах чрезвычайно мала 4), и можно считать, что уже девять десятых всей атмосферы заключается между поверхностью земли ') Ралиус земли у экватора азю = 6373,4 к н, у полюса же а„=63565кль Подробнее о форме земли см. далее 6 4 этой главы.
з) На это указывают, например„наблюдения нал, так назынаемыми, светящимися облаками, появлявшимися иа высоте 70 — 30 клс над поверхностью земли. з) Так. на очень большой высоте сила тяжести может оказаться меньшей, нежели пеитрвбежиая сила, если, конечно, на этой высоте воздух увлекается еще вращением земли.
-з ш та) Плотность р, равная у повййа нвпсти земли р = 1,3 10 з „, на высоте 20клтобращаетсн лт вр = 0,9. 10 4 —, а иа высоте в 300 клт, согласно Эмдену (Ешдеп) будем иметь Э=6.7 Ю аз — —. из ' . и концентрической с ней сферой, проходящей на высоте 20 «м. )т(ажно , утверждать, что атмосфера выше 25 — 30 «н не оказывает непосредственного динамического воздействия на лежащие близ поверхности' земли воздушные массы. Ничтожная по сравнению с размерами земного шара, примы,кающая к земле пленка в 20 — 25 «лг является ареной явлений. представляющих интерес для динамической метеорологии.
Отметим тут же, что даже и в пределах первых 20 — 25 «м не все слои воздуха имеют одинаковое влияние на жизнь атмосферы. Так до сих пор не решен вположительном смысле вопрос о влиянии на движение в нижних 10 †«лт(„тропосфера") слоев воздуха, лежащих выше 10 — 15 «м („стратосфера'),хотя многие метеорологи склонны видеть возможность, исходя из поведения этих последних масс, получить представление о движении нижних слоев атмосферы. В пределах нижних 25 — 30 «м атмосфера представляет смесь газов, продуктов конденсации водяных паров и взвешенных частиц. Атмосферный воздух в основном составлен из азота, кислорода, аргона, водяных паров и углекислоты.
Процентное содержание этих газов меняется от точки к точке (географическая широта места, высота над уровнем моря) и со временем (времена года) '), Количество взвешенных частиц очень разнообразно и в общем убывает с высотой. Кинетическая теория строения материи учит нас, как разбить движение газовых молекул на некое „среднее движение" и на движение, являющееся отклонением' от этого среднего. Однако, в то время как скорости среднего движения входят явным образом в дифференциальные уравнения, управляющие перемещением газовых масс, отклонения от этих скоростей, напротив, входят лишь в определенных комбинациях (осредненных) в).
Этот фактпозволяет непосредственно говоритьо возможности замены (на предмет количественных построений) газа некоей изменяемой, непрерывной уже средой, движущейся со скоростью, равной скорости среднего движения газа, но находящейся не только под действием внешних, но н специальных внутренних сил. В число последних мы должны включить во-первых силы междумолекулярные, а во-вторых фиктивные силы, получающиеся благодаря присутствию упомянутых выше осредт пенных комбинаций из отклонений от средних скоростей, силы, как бы порожденные хаотичностью движения отдельных молекул.
Внутренние эти силы представляются как силы, действующие на площадку, так же как и их составной элемент — междумолекулярные силы '). Среди них мы найдем при более детальном рассмотрении, с одной стороны,силыдавле- г) Следующяя табличка дает представление о среднем годичном процентном состзве атмосферы из рззных широтах Я. Выше ЗО «м становится заметным процентное содержлние водорода. В пределах нижних двадцати километров состав воздухв можно, пови- днмому, прзктнческн считать иеззвисящнм от высоты, благодаря вертикальному перемешнвзнию слоев воздухз.
з) Мы имеем ввиду выражения, содержащие парные произведения рззличныхйскоростей отклонения. К сожзлению, об'ем этой книги ие позволяет нзм остановиться сколько- нибудь подробнее нз выводе упомянутых урзвненнй движении Вывод этот можно найти, напр., в книге а е з п з. Вупзш!сл! Шеогу о$ бззез. з) про некий об'ем газа мы можем утверждать, что все междумолекулярные силы действуют нз поверхность его со стороны ябед„шстзльнай массы гззз, нбо междумолекуляриые силы, действующие нз внутренние частицы об'емз, уннчтожзются попарно.
— и†ьгйй,(„'атмосферное давление"), с другой — силы внутреннего трения (или, к4к" вше говорит „силы вязкости"). В этой главе мы дадим подробный ",:,":,вывод уравнений движения сплошной среды, в качестве каковой мы сти';:лизуем смесь газов — атмосферу. Недостаточно однако определить атмо:;: сферу как непрерывную изменяемую среду, или, как принято говорить в математике, „жидкость". В самом деле, математики различают жидкости: идеальные и вязкие, жидкости сжимаемые и несжимаемые, обладающие теплопроводностью и не проводящие тепла, с учетом излучения и без такового; далее, говорят о движениях происходящих под действием сил допускаюших потенциал, или недопускающих потенциала и т.
п. Мы постараемся поэтому хотя бы в общих чертах выявить те свойства, которые характеризуют движения атмосферные и выделяют нх из всей совокупности движений различных „жидкостей". Обратимся сперва к представлению о плотности. й 2. Плотность атмосферы. Мы указали во введении к этой главе на то, что можно притти к представлению об атмосфере как о непрерывной изменяемой среде. Мы постараемся теперь датьматематическую стилизацию величин, характеризующих динамику и кинематикунашейсреды, а также получить уравнения, управляющие изменением этих величин. Начнем с того, что облечем в математическую форму понятия массы и плотности нашей среды. Мы не можем представить себе какой-либо об'ем атмосферы без массы, заполняющей этот об'ем.
(Ь(й~па яйляетсях если перевести это на язык формул, нйцщфрой фуикцжей""64!еыв~!"Отно'- сительно этой функции следует сделать" три предположения: 1) 'она по* ложительна, 2) она" аддитивна (масса суммы двух об'емов равна сумме масс этих об'емов) и 3) она стремится к нулю вместе с об'емом, в коем она определена. Обозначим массу, определенную для некоторого об'ема иь диаметра ь(, буквой ть. Предположим, что существует предел ть 1пп — „= р; ь-ь "ь обозначим его через р н назовем плотностью нашей среды в той точке, в кою стягивается об'ем иь при безграничном уменьшении Ф до нуля. Определив .плотность" произвольной изменяемой среды, посмотрим, какими свойствами должна быть наделена „плотность" атмосферы. Заметим предварительно, что определенная нами плотность — математическая абстракция, стилизация представления о плотности „физической".
Стилизация эта нам нужна для того, чтобы возможно было впоследствии вводить плотность в различные математические рассуждения, в частности в дифференциальные уравнения движения атмосферы. Математическая плотность определена в каждой точке и в каждый момент времени, Следовательно, вообше говоря, она может считаться функцией от координат и времени. Чтоб узнать, с какой именно функцией нам придется иметь дело, обратимся к физической плотности и из наблюдений, произведенных в свободной атмосфере, выберем характерные для плотности свойства. Тривиальным является то обстоятельство, что плотность атмосферы убывает с высотой. Одного взгляда на карты изостер (линии равного удельного об'ема) достаточно, чтобы убедиться в том, что плотность меняется также и с долготой и с широтой.
Наконец в каждой геометрической точке у поверхности земли плотность меняется со временем (день, ночь, 'времена года, прохождение циклонов и т. д.). Таким образом невозможно считать, что р есть величина постоянная (несжимаемая жид-. кость), или что атмосфера есть просто неоднородная среда (р для данной „ частицы — не зависит от времени). Атмосфера есть сжимаемая жидкость. Отметим, однако, одно характерное для атмосферы свойство плотности, которое нам представляется — йй —.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
