zemlja in njeno ozračje - university of ljubljanazagarn/downloads/m2013/...zemlja in njeno ozračje...

Zemlja in njeno ozračje Pojavi v ozračju se dogajajo na zelo različnih časovnih in

prostorskih skalah

Prostorska skala Pojav 1 cm

Turbulenca, sunki vetra

Tornadi

Poplave, nevihte

Obalna cirkulacija Nevihtne linije, orkani Fronte, cikloni/anticikloni

1 m 1 km 10 km 100 km 1000 in več km

Dimenzije gibanj v ozračju

Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje

- 99% zraka je v spodnjih 30 km - Povprečni radij je 6370 km

Pogled iz vesoljske ladje

Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje

Se pravi, debelina ozračja je 30 km / 6370 km = 0.5% radija zemlje Vprašanja: 1.  Kako debelo bi bilo ozračje, če bi

bila Zemlja nogmetna žoga? 2.  Kaj zadržuje ozračje pri Zemlji?

Sestava ozračja Permanentni (stalni) plini

Plin Simbol Volumenski delež %

Pomembnost

Dušik N2 78.08% biosfera

Kisik O2 21% Dihamo ga!

Argon Ar 0.9% majhna

Masni delež=Volumenski delež • Mi/M (M=molska masa, v povprečju na morskem nivoju okoli 29 kg/kmol; Mi =molekulska masa)

Do približno 10 km višine so stalni med seboj dobro premešani (razmerje približno stalno)

Sestava ozračja Plini s spreminjajočim se deležem

Plin Simbol Vol. % (•106=ppmv)

Pomembnost

Vodna para H2O 0-4 Povzroča vremenske pojave, toplotni transport, toplogredni plin

Ogljikov dioksid (narašča)

CO2 0.038 Toplogredni plin, biosfera (fotosinteza)

Metan (narašča) CH4 0.00017 Toplogredni plin

Di-dušikov oksid N2O 0.00003 Toplogredni plin,

Ozon O3 0.000004 Ozonski sloj (koristen)

Delci (aerosol) 0.000001 Nastanek oblakov, energetska bilanca Zemlje, vulkanski izbruhi

ppmv=volumski delež na milijon delov zraka

Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: - gostota, -  tlak, p -  temperatura, T

RTp ρ=

Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin:

mRTpV =

Splošna plinska enačba za suh zrak

ρ

Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: - gostota, -  tlak, p -  temperatura, T

RTp ρ=

Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin:

mRTpV =

Splošna plinska enačba za suh zrak

ρ

Vertikalni profil temperature V ozračju obstajajo sloji, v katerih se temperatura znižuje ali narašča z višino.

-  Troposfera

-  Stratosfera

-  Mezosfera

-  Termosfera

-  Ionosfera

Troposfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tal do 10-12 km - T se zmanjšuje z višino, približno 6.5 oC na 1 km. - Nad troposfero se nadaljuje tropopauza, ki jo loči od stratosfere - “Home” za vreme, kako ga poznamo - Zgornja troposfera vsebuje vetrovne stržene (jet streams) - Višja poleti kot pozimi (povprečna višina ~ povprečni T)

Tropopauza kot pokrov

Primer: oblak z obliko nakovala (“anvil cloud”)

Stratosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

- Od tropopause do ~50 km višine - Vsebuje ozonski sloj, predvsem med 20-30 km višine - Temperatura narašča z višino: Ozon absorbira UV sevanje, ki ogreva stratosferske sloje zraka -  Sloj inverzije = sloj, v katerem temperatura narašča z višino

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

Mezosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

-  Med stratopauso in mezopauzo -  Temperatura pada z višino

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

mezopauza

toplo

mrzlo

toplo

Termosfera

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

vetrovni stržen tropopauza

-  Nad mezosfero -  Temperatura ponovno narašča z višino zaradi direktne absorpcije sončnega sevanja povezane z procesoma fotoionizacije in fotodisociacije

stratopauza

ozonski sloj

O2+O+toplota

UV sevanje

mezopauza

toplo

mrzlo

toplo

mrzlo

Termosfera

Porazdelitev glede na sestavo

Temperatura (oC)

Viš

ina

(km

)

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60

10 20

30

40

50

60 70

80

90

100

110 120

tropopauza

Homosfera: N2 in O2 sta enakomerno zmešana Heterosfera: N2 in O2 nista enakomerno zmešana

stratopauza

menopauza

Termosfera

Mezosfera

Stratosfera

Troposfera

HO

MO

SFERA

HETEROSFERA

Ionosfera

- Naelektren sloj v zgornji atmosferi - Vsebuje pomembne koncentracije ionov in elektronov - Pomembno za širenje radiovalov

Vertikalni profil gostote Gostota = masa / volumen (kg/m3)

Gostota zraka se zmanjšuje z višino. Vprašanje: Zakaj je več molekul zraka pri tleh kot na večjih višinah? Masa ozračja znaša okoli 5.3 x 1018 kg.

Vertikalni profil tlaka Tlak= Sila / Površina

1 m

1 m

Vprašanje: Kdo deluje na tla z večjim pritiskom: 2 toni težek slon na eni nogi s površino stopala 20x20 cm ali 55 kg težka ženska ki stoji na eni nogi v čevljih z visokimi petami kjer ima peta na čevlju površino 2x2 cm?

Stolpec zraka površine 1 m2 ki sega od tal do vrha ozračja. Teža = masa x težnostni pospešek stolpca znaša okoli 100 kN (ekvivalentno 10.3 ton pri tleh). Sledi, tlak na nivoju morja je sila/površina = 1013.25 hPa

Vertikalni profil tlaka

Tlak stolpca, ki sega od tal do vrha ozračja, je na nivoju morja 1013.25 hPa. Kolikšna pa je masa zraka v stolpcu nad 1 m2? Kolikšna je masa zraka v zgornji polovici stolpca nad 500 hPa?

Tlak zraka se zmanjšuje z višino, podobno kot gostota.

1 hPa = 1 mb

Standardna atmosfera po ICAO

R = 287 J/kg g0=9.80665 m/s2 RZ = 6370,95 km Morski nivo: p0 = 1013.25 hPa, T0 = 288.15 K, q0 = 1.225 kg/m3

kmK

zT 5.6=∂

∂−≡Γ

Konstanten od nivoja morja do ~10.8 km višine