В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

Такие процессы называются псевдоадиабатическими.Однако уравнения для них незначительно отличаются от уравненийадиабатических процессов при насыщении.Адиабатические процессы объясняют многие свойства климата иатмосферных процессов. Например, термическую структуру облакови ядер ураганов, природу горного ветра — фёна — и др. На рис. 1.13приведена схема возникновения фёна и термодинамические диа­граммы, отражающие адиабатические и влажноадиабатические про­цессы, имеющие место при переходе влажных воздушных масс че­рез горный хребет.В Т О Р О Е НАЧАЛО ТЕРМ ОДИ Н АМ И КИВторое начало термодинамики — это закон об энтропии.

Анализопыта построения тепловых машин и процессов, протекающих в этихсистемах, привел С. Карно к следующему заключению: во-первых, частьпоступающей в машину теплоты неизбежно рассеивается в окружаю­щую среду и коэффициент полезного действия машины (rj = А / Q)меньше единицы, и, во-вторых, в тепловых машинах кроме нагревателяи рабочего тела должен быть еще холодильник с температурой нижетемпературы нагревателя. Обобщая эти положения на произвольныетермодинамические процессы, имеющие место в природе, Р. Клаузи­ус дал одну из формулировок 2-го начала: невозможны процессы, прикоторых теплота переходила бы самопроизвольно от тела более хо­лодного к телам более нагретым.

Это положение позволило Клаудиусу ввести понятие энтропии S как функции состояния системы, при­ращение которой при обратимых процессах можно записать в видепри этом в замкнутых необратимых процессах dS > 0.122Между тем Клаузиус допускал случаи, когда можно провестипроцесс таким образом, что энтропия останется постоянной, т.е.dS = 0.Формулировка Клаузиуса относится только к замкнутым системам.В открытых системах, где происходит обмен энергией и вещест­вом с внешней средой, энтропия может не только оставаться посто­янной, но и убывать.

Для открытых систем баланс энтропии запи­шется в виде dS = dSt + dSe, где dSt — изменение энтропии, связан­ное с необратимыми процессами, имеющими место внутри системы(производством энтропии); оно всегда положительно, т.е. идет возра­стание энтропии. Второе слагаемое dSe описывает изменение энтро­пии открытой системы в результате отвода (или прихода) энергиии вещестг i из системы (в систему). Таким образом, в открытой систе­ме идут два конкурирующих процесса: производство энтропии и ееобмен с внешней средой.

При преобладании процесса отвода энтро­пии над ее производством энтропия открытой системы уменьшается(за счет возрастания энтропии внешней среды).Потоки энергии и вещества на границе неравновесных термодина­мических систем могут спонтанно привести к формированию упорядо­ченных структур, т.е. к процессу самоорганизации открытой термоди­намической системы. Такие структуры получили название диссипа­тивных.

Их изучение является предметом нелинейной неравновеснойтермодинамики, которая начиная с 1970-х гг. стала быстро развиваться(И. Пришжин, П.Г. Гленсдорф и др.). И.П. Базаров в учебнике по тер­модинамике (М., 1991) так охарактеризовал эти структуры: “Общим вовсех явлениях образования упорядоченных структур при необрати­мых процессах в сильно нелинейных открытых системах являетсясовместное (кооперативное) движение больших групп молекул.

Немец­кий ученый Г. Хакен предложил для таких процессов самоорганизацииобщий термин ’’синергетика” (от греческого synergeia — совместное,или кооперативное, действие). Физическая природа синергетики со­стоит в том, что в нелинейной области, вдали от равновесного состояния,система теряет устойчивость и малые флуктуации приводят к новомурежиму — совокупному движению многих частиц" (с.

280).Самоорганизация диссипативных структур имеет место в атмос­фере и океане. Радиационный обмен между Солнцем, Землей иКосмосом приводит воздушную и водную оболочки Земли в термиче­ски неравновесное состояние. Возникающие вследствие этого процес­сы тепломассообмена (в первую очередь конвекция) приводят к фор­мированию таких глобальных структур, как тропические циклоны иобщая циркуляция атмосферы и океана.Второе начало и положения неравновесной термодинамики да­ют возможность качественно описать формирование диссипативныхструктур, охватывая весь огромный пространственно-временной диа­пазон масштабов, начиная от клеточных до глобальных, определяю­щих климат и погоду Земли.Проблема климата может быть решена только при рассмотренииЗемли как единой термодинамической системы с ее солнечно-кос­мическими связями.

В наше время проблемы, относящиеся к планетев целом, принято называть глобальными. К ним относятся познаниебиосферы, являющейся единственной земной оболочкой, в которую“...непрерывно проникают космическая энергия, космические излу­чения, и прежде всего лучеиспускание Солнца, поддерживающеединамическое равновесие организованности: “биосфераживое ве­щество” (В.И. Вернадский, 1977, с. 15).Для биосферы, области активной жизни, характерны процессыпрогрессивной эвоиаоции, что ведет к изменению химического сос­тава атмосферы и теплового баланса Земли в целом.

В.И. Вернад­ский писал: “На наших глазах биосфера резко меняется...” И далее:“Под влиянием мысли и человеческого труда биосфера переходит вновое состояние — в ноосферу” (там же, с. 19).Касаясь сущности учения В.И. Вернадского о ноосфере, Н.Н Мои­сеев (1984, с. 55) пишет: “...На определенном этапе развития цивили­зации человек возьмет на себя ответственность за последующий ходэволюции Земли...

дальнейшее развитие человеческой цивилизации,которое нельзя отделить от развития самой Земли и, прежде всего, еебиосферы, должно быть управляемым и целенаправленным, должнопредставлять собой коэволюцию человека и биосферы. Не противопо­ставление, а естественный процесс совместного развития. Только таки можно трактовать учение о ноосфере”.Из вышеизложенного можно заключить, что приоритетным на­правлением в физике атмосферы является изучение изменения пара­метров, определяющих глобальное термодинамическое состояние ат­мосферы и ее эволюцию под воздействием живой материи.ГЛАВА 2РАДИАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕНМ ЕЖ ДУ СОЛНЦЕМ , ЗЕМЛЕЙ И КОСМОСОМКлимат нашей планеты определяется работой термодинами­ческой системы океан-атмосфера-литосфера.

Тепло, необходимоедля производства указанной работы, поступает в систему в ре­зультате поглощения приходящей солнечной радиации, а отрабо­танное тепло выбрасывается инфракрасным излучением Земли вКосмос.Таким образом, основным источником тепла для всех термоди­намических процессов на Земле является Солнце с температуройповерхности 6000 К, а стоком служит окружающее космическое про­странство с характерной температурой реликтового излучения при­мерно 3 К.Наличие у Земли источника и стока тепла с постоянными тем­пературами и двух жидких оболочек — океана и атмосферы, облада­ющих уникальными оптическими и теплофизическими свойствами,приводит к самоорганизации пространственно-временных термоди­намических структур в атмосфере и океане, которые формируютклимат и погоду Земли.Поступающий на Землю радиационный поток энергии есть энер­гия электромагнитного излучения Солнца, распространяющаясяпо всем направлениям космического пространства со скоростью3 • 108 м/с.

Для описания переноса излучения в радиометрии введеныследующие энергетические величины:Обозна­чениеИзмеряемая величинаРазмерностьWЭнергия излученияm l 2t ~ 2фПотокm l 2t ~ 3рИнтенсивность или плотность потокаIЭнергетическая сила излучениявЭнергетическая яркостьЕдиницы СИВДЖВТМТ“ 3Вт • м ~2m l 2t ~ 3Вт • ср-1ВM l” 3Вт • м- 2 • ср- 1IВзаимосвязь между приведенными радиометрическими величи­нами описывается законом Ламберта.

Этот закон получен экспери­ментально. Схема опыта Ламберта дана на рис. 2.1, где Asj — эле­ментарный излучатель, представляющий собой металлическую плас­тинку, лежащую в центре воображаемого круга и служащую основа­нием полусферы с радиусом R . Приемник излучения с поверхностьюAs2 (например, термоэлемент) лежит на сфере и, следовательно,всегда ортогонален к направлению потока излучения. Предполагает­ся, что линейные размеры площадок малы по сравнению с расстоя­нием между ними. Через © и <р соответственно обозначены зенитныйи азимутальный углы.XРис 2.1.

Геометрия опыта Ламберта в полярных координатахОпыт показывает, что изменения Д ^ , As2, Я и 0 приводят квыражениюк"где Д£2 = A s 2/ R 2 — телесный угол. Знак А2 указывает на то, чтосправа стоят две малые величины.Следует особо отметить, что зависимость мощности излученияв направлении 0 от cos 0 можно получить только из опыта. К со­жалению, в литературе встречаются случаи, коща закон Ламбер­та пытаются объяснить, исходя из простых геометрических сооб­ражений. Закон Ламберта справедлив только для так называе­мых черных тел, у которых яркость не зависит от направления.Интенсивность излучения в направлении 0 , приходящегося наединичный телесный угол в соответствии с законом Ламберта, бу­дет равна= В cos 0 Д£2.Суммируя все АР по полусфере, найдем полную плотность потокаизлучения:£2 = 2яИз рис.

2.1 видно, что элементарная площадь на поверхностисферы равна As2 = (Я s*n ® bup) (R А©). Тоща телесный угол будетДЯ = As 2/ R 2 = sin © А© А Т е п е р ь , переходя к полярным коорди­натам, получим2л л / 2Р=1В cos 0 sin © dO d(f> = 2л: Bp dji = л В ,(2.2)ще fi = cos ©. Полученное выражение связывает интенсивность сяркостью излучения так называемых ламбертовских, или чер­ных, тел.И ЗЛ УЧ ЕН И Е А БСО Л Ю ТН О ЧЕРНОГО ТЕЛААбсолютно черное тело (АЧТ) по определению является идеаль­ным поглотителем излучения. Оно поглощает все падающее на негоизлучение независимо от длины волны и направления.

Таких телв природе нет. Однако существуют реальные тела, поглощающиедо 99% приходящей радиации, например толстый слой сажи, чернаябархатная ткань и др.Моделью АЧТ может служить отверстие А в полости, у ко­торой стенки имеют одинаковую температуру (рис. 2.2). Луч,попав в полость через отверстие А , очевид­но, обратно не выйдет, так как будет тампоглощен.

Черное тело получило такое на­звание именно потому, что оно не отража­ет излучение. Однако одно и то же тело вразном диапазоне длин волн может по-раз­ному поглощать излучение. Так, белая кра­ска хорошо отражает свет в видимой облас- р ис. 2.2. Модель черноготи и является черным телом для ИК-излу- телачения.Черное тело является также идеальным излучателем тепла.

Поме­стим черное тело в замкнутую полость черного цвета. Через не­которое время оба тела будут иметь одинаковую температуру.При этом черное тело будет поглощать всю падающую радиациюи, следовательно, должно столько же излучать обратно. Теперь, есливместо черного тела поместить реальное тело, оно будет поглощатьменьшую долю радиации и, следовательно, должно будет излучатьменьшее количество энергии. Таким образом, черное тело поглощаети испускает максимум радиации.Излучение черного тела и его спектральное распределение былитщательно экспериментально изучены в конце прошлого столетия.Однако только в 1900 г.

Характеристики

Список файлов книги