Глава 10. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ НА ЗЕМЛЕ (1119272), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Если теплоемкость газов cp выражать в кал/г·град, агазовую постоянную R = 1,987 кал/моль·град, то зависимость показателя адиабаты α отсостава и влажности атмосферы легко находится по формулеR,(10.10)α=µ ⋅ (c p + C w + C r )где µ ≈ 29 – мольный вес воздуха; ср = 0,2394 кал/г·град – теплоемкость сухого воздуха;Cw + Cr – поправочные коэффициенты с размерностью теплоемкости, учитывающиесуммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги Cw (во влажной атмосфере) ипоглощения теплового излучения Земли и Солнца Cr.Распределение температуры для осредненной тропосферы Земли, построенное поуравнению (10.9), является почти линейной функцией высоты и практически полностьюсовпадает (с точностью до 0,1−0,05%) с распределением температуры в тропосферестандартной модели земной атмосферы со средним температурным градиентом 6,5град/км (рис.
10.8). Напомним, что стандартная модель земной атмосферы являетсяосредненной по всей Земле зависимостью температуры от атмосферного давления. Этумодель обычно используют при настройке авиационных альтиметров и тарированиябарометров, предназначенных для наземных наблюдений. С целью более жесткойпроверки универсальности выведенных закономерностей был проведен расчетраспределения температуры в плотной углекислотной тропосфере Венеры по тому жевыражению (10.9), но с подстановкой в него давлений до 90,9 атм и параметров,отвечающих углекислотному составу ее атмосферы. При этом использовалисьадиабатические уравнения, нормированные по условиям земной атмосферы (рис. 10.8).Рис. 10.8. Распределение экспериментально определенных температур в тропосфере и стратосфере Земли(кривая 4) и в тропосфере Венеры (1 и 2) в сопоставлении с теоретическими распределениями (5 и 3),построенными по адиабатической теории парникового эффекта (на приведенном рисунке температурыпоказаны в абсолютных (физических) градусах Кельвина)Как видно из рисунка, теоретическое распределение температуры в тропосфереВенеры близко (с точностью до 1–2%) совпало с экспериментально определеннымизначениями температуры, измеренными советскими и американскими космическимиаппаратами – зондами.
Таким образом, было показано, что средняя температура на любомуровне достаточно плотной планетной тропосферы (с давлениум выше 0,2 атм)однозначно определяется интенсивностью солнечного излучения, атмосфернымдавлением на этом уровне и эффективной теплоемкостью воздуха, учитывающей292дополнительный прогрев тропосферы благодаря поглощению тепла парниковыми газамии выделению тепла при конденсации влаги в тропосфере.Рассматриваемая модель позволяет оценить и доли участия всех составляющихпереноса тепла в общем процессе регулировки температуры тропосферы.
Так, похарактеристическим температурам земной тропосферы, ее радиационной Te = 255 К исредней приземной температуре Ts = 288 К, удается определить поправочные члены ктеплоемкости сухой и не поглощающей инфракрасное излучение атмосферы,учитывающие радиационный Cr и влаго-конденсационный Cw перенос тепла в тропосфере(Сорохтин, 2001)R Ts − TeCr =,⋅µ ⋅αTs(10.10')R TeCw =⋅ − cp ,µ ⋅ α TsТогда с учетом уравнения (10.10) находим: Cr = 0,041 кал/г·град; Cw = 0,0794 кал/г·град; α= 0,1905.
Отсюда видно, что непосредственная передача тепла от земной поверхностивоздушным массам, участвующим в конвективном массообмене тропосферы, достигаетприблизительно 67%, радиационная составляющая добавляет в конвективный переностепла 11%, а выделение тепла при конденсации влаги в толще тропосферы − еще 22%. НаВенере из-за ее существенно более плотной тропосферы относительный прогрев газовойоболочки от горячей поверхности планеты снижается до 55%, тогда как вкладрадиационной составляющей в конвекцию оказывается значительно бóльшим и достигаетприблизительно 45%.
Однако при этом около 26% суммарной тепловой энергииконвективного процесса расходуется в горячих (нижних и средних) слоях тропосферыВенеры на термическую диссоциацию каких-то химических соединений атмосферы.Такими соединениями могут быть, например, серная кислота, диссоциирующая на воду исерный ангидрит, вода, разлагающаяся на кислород и водород, углекислый газ – наугарный газ и кислород и т.д.
В верхних же слоях тропосферы при более низкихтемпературах эти составляющие вновь соединяются в стабильные химическиесоединения.Описанная здесь модель парникового эффекта, по сути, является “одномерной”, вкоторой сама планета представляется безразмерной точкой, а единственное измерение –это высота над этой точкой.
Такая синергетическая модель одновременно является инаиболее точной при определении глобальных характеристик тропосферы планеты,например ее парникового эффекта, среднего распределения в ней температуры, принахождении средних значений радиационной или влагоконденсационной составляющейвыделения тепла в тропосфере и т.д. Используя закон Ламберта освещения сферы и вводяв рассмотрение широту местности, эту модель можно перевести в двухмерную, а вводя внее долготную составляющую и сезонные колебания освещенности планеты – втрехмерную и четырехмерную модели (четвертым измерением является время).
При этом,правда, точность определения зависимости парникового эффекта от состава планетнойатмосферы будет заметно снижаться.293Рис. 10.9. Сравнение построенных по выражению (10.9) распределений температуры в сухой, прозрачной(gradTcx) и во влажной, поглощающей ИК-излучение, тропосфере Земли (gradTвл). Как видно из сравнениякривых, при прочих равных условиях приземная температура влажной и поглощающей тропосферы всегдаоказывается ниже поверхностной температуры сухой и прозрачной атмосферы (в приведенном примере этаразность температур достигает 4,7 °С)Для получения локальных климатических характеристик планеты врассматриваемые модели следует ввести альбедо земной поверхности и привнос теплациклонами.
При таком подходе становится понятным переохлаждение земнойповерхности в зимнее время под антициклоническими областями Земли, например, вАнтарктиде или Якутии и на северо-востоке России. Фактически в этих областях свысокой отражательной способностью снежного покрова, но лишенных притока теплациклонами, температура земной поверхности снижается почти до температурытропопаузы (т.е.
нижнего слоя стратосферы), определяемой уже радиационным балансоматмосферы на данной широте. В летнее же время в таких антициклонических областях ссухим воздухом, наоборот, происходит перегрев приземных слоев тропосферыприблизительно на 4−5 °С и выше, со всеми симптомами засухи, что часто случается,например, в Заволжских степях (рис. 10.9).10.3.3. Некоторые прогнозные оценкиУбедившись в справедливости адиабатической теории парникового эффекта напримерах сравнения теоретических распределений температуры с реальнымиосредненными распределениями температуры в тропосферах Земли и Венеры, можновыполнить ряд прогнозных расчетов.
Так, при мысленной замене азотно-кислороднойатмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением 1 атм средняя приземнаятемпература понижается (а не повышается, как это принято думать) приблизительно на2,4 °С. Как видно из графиков (рис. 10.10), при этом снижаются и температуры во всейтолще тропосферы.
Обе кривые построены по уравнениям (10.7) и (10.9), в которыхменялись только параметры, связанные с составом атмосферы: µ1 =29; µ2 = 44; α1 =0,1905 и α2 = 0,1423, но оставались прежними влажность и поглощающие свойстваатмосферы Cw + Cr = 0,12 кал/г·град, а также значения коэффициента b = 1,186 1/атм,температуры Tbb = 278,8 К и давления на уровне моря рs = 1 атм.294Рис. 10.10. Осредненные распределения температуры в земной тропосфере: 1 – для модели стандартнойземной атмосферы с азотно-кислородной воздушной смесью; 2 – для модели земной атмосферы суглекислотным составом воздуха (остальные параметры такие же, как и в стандартной модели 1)Аналогично этому при мысленной замене углекислотной атмосферы Венеры наазотно-кислородную, но при том же давлении 90,9 атм, ее поверхностная температураповышается с 735 до 931 К (с 462 до 658 °С).
Отсюда видно, что насыщение атмосферыуглекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, при прочих равныхусловиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта исредней температуры во всей толще планеты. Объясняется это явление просто: мольный весуглекислого газа в 1,5 раза выше, а его теплоемкость приблизительно в 1,2 раза ниже, чему земного воздуха.
В результате, как это следует из уравнения (10.10), показательадиабаты для углекислотной атмосферы α(CO2) = 0,1423 при прочих равных условияхвлажной тропосферы оказывается приблизительно в 1,34 раза меньше, чем для воздухаазотно-кислородного состава α(Ν2+Ο2) = 0,1905. Увеличение же углекислым газомпоглощения тепла приводит к возрастанию поправочного коэффициента Cr и,следовательно, к дополнительному уменьшению показателя адиабаты α(СО2), а это, всвою очередь, ведет к дополнительному снижению температуры.Физически эти, казалось бы, парадоксальные результаты объясняются тем, чтовынос тепла из тропосферы в основном происходит не радиационным путем, а благодаряконвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурныйрежим плотных планетных тропосфер, являются давление атмосферы и ее эффективнаятеплоемкость.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
