В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 22
Текст из файла (страница 22)
1. 10. Примеры инверсии температуры в атмосфере Между тем наблюдаются случаи инверсионного распределения температуры, когда слой воздуха устойчив (рис. 1.10). Такое распределение температуры ведет к затуханию конвекции и турбулентности. Интенсивность перемешивания при этом падает, и образуется своеобразный запирающий слой, замедляющий процессы вертикального обмена в атмосфере. Следует отметить, что инверсия температуры приводит к формированию каналов для электромагнитных волн в оптическом и радиочастотном диапазонах. ГРАВИТАЦИОННБ1Е КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНБ1 В слое с устойчивой стратификацией атмосферы на частицу воздуха при ее вертикальном перемещении будет дсйствовать возвращающая сила плавучести. Поэтому движение возмущенной частицы будет описываться уравнением свободных колебаний без трения: сс ~ — +со~г =О, Д12 (1.21) где со = я ( у) — собственная частота колебаний.
Решение уравнения (1.21) при (à — у) > 0 есть простое гармоническое колебание: (1.22) г = А з1псо1; здесь А — амплитуда, определяемая скоростью начального возму- щения ф= "Ъ с1 = О= Π— =и =со А созсо11 и А= —. ~1=О со ' 119 Рис. 1.11. Генерация гравитационных волн в атмосфере при обтекании воздушными массами орографических барьеров н возникновение чечевицеобразных облаков ТЕРМОДИНАМИКА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА Уравнение состояния водяного пара с высокой степенью точности описывается уравнением для идеального газа е=р„Я„Т, (1,23) где е — давление водяного пара, р„— плотность пара, Я„= = 461 Дж/(кг К) — газовая постоянная для водяного пара.
Удельная теплоемкость пара при постоянном давлении равна с 1850 Дж/(кг К), и при постоянном объеме с„„1390 Дж/(кг ° К). ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ Количественные характеристики содержания водяного пара в воздухе следующие. 1. Абсолютная влажность — это плотность пара р„. Определяется из уравнения (1.23); 2. Отношение смеси н — масса водяного пара т„, приходящаяся на единицу массы сухого воздуха: т р Ю = — = —. т1 Р1 120 Примечательно, что амплитуды гравитационных волн могут достигать нескольких сотен метров, а периоды составляют сотни секунд.
Орографические возмущения приземного потока воздушных масс приводят к генерации гравитационных волн, которые могут распространяться высоко в тропосферу и даже выше, В этих волнах образуются так называемые чечевицеобразные облака (рис.
1.11). 3. Удельная влажность д — масса водяного пара, приходящаяся на единицу массы влажного воздуха: /п р т„+ т,~ р„+р~ ' 4. Отиосительнав вланность гв нронентак) — У = (и/иг) . 1йй%, где ю — насыщенное значение отношения смеси. ГдЛАЖНОАДИАБАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССБ! Предположим, что некоторый объем воздуха адиабатически поднимается вверх.
При этом его температура будет падать с характерной скоростью Г = 1 К/100 М, пока не достигнет состояния насыщения. При дальнейшем подъеме начнется процесс конденсации и выделение скрытого тепла испарения И. 2,5 10б Дж/кг), что, естественно, приведет к уменьшению скорости падения температуры с высотой. Для этого процесса первое начало термодинамики запишется в виде (см. уравнение (1,9) ) ~' — иРис. 1.12. Псевдоадиабатическая диаграмма: à — адиабатическая кривая, Г, — псевдоадиабатическая кривая и в', — кривая постоянного отношения смеси при насыщении (1.24) —.Ыи, = с ИТ вЂ” ос~р, уу 8 г сЬ~ (1.25) ~Й с с ~Й Но так как аи г'иг = (Ши /~гт) (ЫТИг), влаиноадиабативеский градиент запишется в виде Г = — ~~ — ~ — . (1.2б) Г ~Й ср + .Е, (Ыи~/с~T) 1 + (Е/ср) (д®~/0T) На рис.
1.12 приведена псевдоадиабатическая диаграмма. Из уравнения (1.26) и рис. 1.12 следует, что насыщение ведет к уменьшению адиабатического градиента. При конденсации вода выносится из объ- 121 где и, — масса сконденсировавшейся воды в единице массы воздуха. Используя для др уравнение гидростатики с1р = — ррй, получим выражение для влажноадиабатического градиента х 2 х 2 х О 1О 20 30 Температура, ес Рис. 1.
13. Возникновение горного ветра (фена) и диаграммы адиабатических и влажноадиабатических процессов при разных стадиях обтекания горногохребта ема атмосферы. Такие процессы называются псевдоадиабатическими. Однако уравнения для них незначительно отличаются от уравнений адиабатических процессов при насыщении. Адиабатические процессы объясняют многие свойства климата и атмосферных процессов.
Например, термическую структуру облаков и ядер ураганов, природу горного ветра — фена —. и др. На рис. 1.13 приведена схема возникновения фена и термодинамические диаграммы, отражающие адиабатические и влажноадиабатические процессы, имеющие место при переходе влажных воздушных масс через горный хребет. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Второе начало термодинамики — это закон об энтропии. Анализ опыта построения тепловых машин и процессов, протекающих в этих системах, привел С.
Карно к следующему заключению: во-первых, часть поступающей в машину теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду и коэффициент полезного действия машины (д = А/0) меньше единицы, и, во-вторых, в тепловых машинах кроме нагревателя и рабочего тела должен быть еще холодильник с температурой ниже температуры нагревателя, Обобщая эти положения на произвольные термодинамические процессы, имеющие место в природе, Р. Клаузиус дал одну из формулировок 2-го начала; невозможны процессы, при которых теплота переходила бы самопроизвольно от тела более холодного к телам более нагретым.
Это положение позволило Клаудиусу ввести понятие энтропии 5 как функции состояния системы, приращение которой при обратимых процессах можно записать в виде (1.27) при этом в замкнутых необратимых процессах сИ > О. 122 Между тем Клаузиус допускал случаи, когда можно провести процесс таким образом, что энтропия останется постоянной, т.е. 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 ЫЯ = д5, + ИЯ~, где ИЯ, — изменение энтропии, связанное с необратимыми процессами, имеющими место внутри системы (производством энтропии); оно всегда положительно, т.е. идет возрастание энтропии.
Второе слагаемое сИ описывает изменение энтропии открытой системы в результате отвода (или прихода) энергии и вещестг з из системы (в систему) . Таким образом, в открытой системе идут два конкурирующих процесса: производство энтропии и ее обмен 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 неравновесной термодинамики, которая начиная с 1970-х гг. стала быстро развиваться (И. Пригожин, П.Г. Гленсдорф и др.). И.П. Базаров в учебнике по термодинамике (М., 1991) так охарактеризовал эти структуры: "Общим во всех явлениях образования упорядоченных структур при необратимых процессах в сильно нелинейных открытых системах является совместное (кооперативное) движение больших групп молекул. Немецкий ученый Г.
Хакен предложил для таких процессов самоорганизации общий термин "синергетика" (от греческого зупег~еи — 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 новому режиму — совокупному движению многих частиц" (с.
280). Самоорганизация диссипативных структур имеет место в атмосфере и океане. Радиационный обмен между Солнцем, Землей и Космосом 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 и общая циркуляция атмосферы и океана. 123 Второе начало и положения неравновеснои термодинамики дают возможность качественно описать формирование диссипативных структур, охватывая весь огромный пространственно-временной диапазон масштабов, начиная от клеточных до глобальных, определяющих климат и погоду Земли. Проблема климата может быть решена только при рассмотрении Земли как единой термодинамической системы с ее солнечно-космическими связями. В наше время проблемы, относящиеся к планете в целом, принято называть глобальными.
К ним относятся познание биосферы, являющейся единственной земной оболочкой, ж которую "...непрерывно проникают космическая энергия, космические излучения, и прежде всего лучеиспускание Солнца, поддерживающее динамическое равновесие организованности: "биосфера Ф. живое вещество'* (В.И. Вернадский, 1977, с. 15). Для биосферы, области активной жизни, характерны процессы прогрессивной эволюции, что ведет к изменению химическош 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 в новое 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 ход эволюции Земли... дальнейшее развитие человеческой цивилизации„ которое нельзя отделить от развития самой Земли и, прежде всего, ее биосферы, должно быть управляемым и целенаправленным, должно представлять собой коэволюцию человека и биосферы. Не противопоставление, а естественный процесс совместного развития.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
