Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 23
Текст из файла (страница 23)
На этом уровне частица имеет температуру Та, атмосфера — температуру Тм. Нетрудно видеть (см. рис. 4,1), что Тгв) Т„, а Р,а(р,а (поскольку йч =Р,). На каждом уровне на воздушную частицу единичного объема действуют две силы: 1) сила тяжести, направленная вниз и равная по величине ар;; 2) выталкивающая сила Архимеда, направленная по вертикали вверх и равная дР,. Результирующая этих двух сил К(ре — Р;), называемая силой плавучести (или просто плавйчестью), направлена вверх при р, ) ри и по вертикали вниз при р, ~ Рь Под влиянием силы плавучести частица получает ускорение ад ре р! Тг Те На уровне за частица приобретает положительное ускорение, поскОльку Тга ) Тег Если сухая частица перемещена с исходного уровня на уровень зг вниз, то, согласно рис.
4.1, Тег ~ Т,г, а Ри > Р,г. В этом случае частица начнет перемещаться вниз с нарастающей скоростью. Таким образом, частица, будучи смещена с исходного уровня на сколь угодно малое расстояние, приобретает ускорение и скорость, направленные в ту сторону, куда она получила движение в начальный момент. При этом скорость по абсолютной величине становится тем больше, чем дальше смещается воздушная частица от исходного уровня, т. е. равновесие частицы в исходном положении неустойчивое; поэтому и стратификация атмосферы при у ) у, носит название сухонвусгойчивой стратификации, С луч ай П.
Градиент у=у,, температура в атмосфере падает с высотой на 1'С/100 м. В этом случае на всех трех уровнях Тте = Тее Рзо = Рее Ргз — Рег Т'г — Тег Ры — Рез. Таким образом, на каком бы уровне частица ни располагалась, ускорение ее движения, согласно (5.1), всегда равно нулю. Термическое состояние атмосферы при у =у, носит название сухобезразличной (или равновесной) стратификации.
Случай П1. Градиент у (у„температура в атмосфере падает с высотой медленнее, чем на ! 'С/100 м. В этом случае на уровне ха температура частицы Тм ( Т,г, а ра ) реа, т. е. частица, приобретая отрицательное ускорение, будет смещаться обратно в исходное положение. На уровне зг температура частицы Ти ) ) Ты, а Ртг ( ры, т. е. частица, имея положительное ускорение, также будет возвращаться в исходное положение.
Следовательно, при такой стратификации, куда бы ни была смещена частица с исходного уровня, она всегда возвращается 6 Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы Представляет интерес изучить распрел . сп е еленне потенциальной температуры по высоте при разлнчнь х д р ф ви ах стратификации атмосферы, так как в дальнейшем буд ет показано, что с особеннот б лентного стями этого распределения связано направление тур улентного ф .
Рассмотрим сначала изменение потенпотока тепла в атмосфере, ассм т ы В с высотой с качественной стороны. циальной температуры ). Выделим в атмоСихонеусгойчивая стратификация (у ) у,). ы сфере два каких-либо уровня: зг и ха (р . . ), р ис. 4.2), П иведем адиабатически частицы воздуха, расположенные на этих уровнях, =1000 гПа.
Из рис. 4.2 непосредственно следует, что чт В . Э означает, что при сухонеустойчивой с р ф к уровню Р=! г а. з р вой ст атификации вве х лежат воздушные массы, потенциально н более холодные по шими массами, т. е, потенциальная темпе- сравнению с нижележащими м ратура убывает с высотой. около исходного уровня с частотой, называемой частотой Ьрента--Вяйсяд я ' Строго говоря, прп устойчивой стратификации частица, выведенная из начального положения, будет со. вершать колебательное движение ИЛ в исходное положение после прекращения действия внешних сил. Ст атификация атмосферы при у «с у, носит название сухоустойчивой стратификации.
С практической точки зр тр з ения особенно больхо стойчивой стратишое значение имеют два частных случая су у фикации: изотермическая (у=0) и инверсионная (у ). ( <О). йчивой ст атификации Из предыдущего следует, что при устойчивой р ф б е, а при инверсии в особенности перемещение воздушных чавоо ще, а пр б сильной инвеосии стиц по вертикали затруднено; в случае особо с, " р в й же ст атификации оно полностью исключено, При неустойчи ой р ф создаются благоприятные условия для возникновения н развития вертикальных движений воздушных частиц. В рассмотренном методе анализа термодинамической устойчивости показателем состояния атмосферы является поведение инг называют методом дивидуальной воздушной частицы. Поэтому его .
П е полагалось, что вертикальные перемещения частицы частицы, редполагало л виях атмосфе ы это п оисходили адиабатически. В реальных условиях ф р про яется вследствие налиой. Но, несмотря на предположение, строго говоря, не выполи т чия е теплообмена частицы с окружающей сред ". , с качественной стороны сделанные выше выв д у . о ы об словиях это, с кач соответствуют тому, что развития вертикальных движений частиц со наблюдается в атмосфере.
4 Общие сведения о воздушной оболочке Земли !05 термодинамика атмосферы ~т 02 вт Рис. 4дй Изменение потенциальной температуры с высотой при еухонеустойчивой стрнтнфниации (Оз(0!). Уел. обозначения см. рнс. ЕЦ (7.2) (7.3) дс Т М 0 (6.2) 7 Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе 8 Влажноадиабатические процессы Сухобезразлнчная стратификация (у =у,). При безразличной стратификации потенциальная температура частиц воздуха, расположенных на уровнях з! и яз, одинакова (От=Вз), т. е. потенциальная температура не изменяется с высотой.
г Сухоустойчивая стратифииа- !)иЯ (У(уа). В этом слУчае поиз тенциальная температура частицы, расположенной на верхнем уровне, больше потенциальной температуры частицы на нижнем и! уровне (Вз>Е!!), т. е. потенциальная температура растет с высотой, Рассмотрим теперь, как изменяется потенциальная температура с высотой с количественной стороны. Для этого получим формулу для вертикального градиента потенциальной температуры. Если прологарифмнровать и взять производную по высоте от правой и левой частей формулы (4.1), то получим ! д9 1 дТ У, др 6 дг Т дд срр дз (6З) при этом индекс ! опускаем на том основании, что рассматриваем изменение В в атмосфере.
Воспользовавшись основным уравне- нием статики, формулу (6.1) приведем к виду Из формулы (6.2) непосредственно следует, что при сухонеустойчивой стратификации д6/дг ( О, при сухобезразличной дй/да = О, при сухоустойчивой дй/да~ О, что согласуется с выводами, полученными качественным путем.
В предыдущих параграфах изучались термодинамические процессы, протекающие в сухом воздухе. Если воздух влажный, но ненасыщенный, то термодинамические процессы в нем с количественной стороны не будут существенно отличаться от процессов в сухом воздухе. В самом деле, если единичной массе влажного воздуха сообщается некоторое количество тепла йс/, то опо расхо- дуется на работу расширения йш=рйоз, изменение внутренней энергии сухой частицы воздуха йие=(1 — з)с.,йТ! и водяного пара йи, = ус„,йТ; (з — доля водяного пара, се, и с„,— удельные теплосмкости сухого воздуха и водяного пара при постоянном объеме). По первому началу термодинамики йу = йи, + йи„+ йиз или йу = !(1 — з) с„+ зс,„1 йТ! + р йо!.
(7.! ) Если воспользоваться уравнением состояния влажного воздуха р,о, =(Аз, (! — З) + Й„з| Ть то уравнение (7,1) можно привести к виду йд=((1 — з) с,+ зс 1ЙТ! — ' й/у, ТСТ! где ср, и ср, — удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара при постоянном давлении; /С=Я,(! — з) +/7,з — удельная газовая постоянная влажного воздуха. При адиабатнческом подъеме (да=О) влажного ненасыщенного воздуха изменение температуры, отнесенное к единице высоты, по (7.2), с учетом уравнения статики равно дт; й у! т йд (! — 3) Сре + ЗСрн Яе Те Здесь /7е — удельная газовая постоянная окружающего частицу воздуха. Доля пара з в реальных условиях не больше 0,03 — 0,04, это значит, что /7 и /7е близки к удельной газовой постоянной сухого воздуха /с=не,-/д'„а (1 — з)сре+зсрпмсре. С учетом этого формула (7.3) принимает вид — = — — =.-у, ж! 'С/100 м.
(7.4) йд Сре Те Таким образом, температура влажной ненасыщенной частицы изменяется при адиабатнческом подъеме практически так же, как н температура сухой частицы, а кривой состояния для влажного ненасыщенного воздуха служит сухая адиабата, Влажноадиабатичесиил! называется аднабатический процесс, протекающий во влажном насыщенном воздухе. При таком процессе происходит конденсация водяного пара или испарение капель воды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
