enac-ssie laboratoire de pollution de l'air the atmospheric layers

34
ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 265 55 12 2.9 0.8 0.22 0.052 0.011 0.0018 0.00032 1013 Pressure (mb) Altitude (km) Temperature (K) 180 200 220 240 260 280 300 Mesopause Stratopause Tropopause Thermosphere Mesosphere Troposphere Stratosphere Ozone layer

Post on 21-Dec-2015

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Atmospheric Layers

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

265

55

12

2.9

0.8

0.22

0.052

0.011

0.0018

0.00032

1013

Pressure (m

b)A

ltit

ude

(km

)

Temperature (K)180 200 220 240 260 280 300

Mesopause

Stratopause

Tropopause

Thermosphere

Mesosphere

Troposphere

StratosphereOzone layer

Page 2: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Gas Energy Exchanges

Radiation

Sensible Heat

Tin > T

out

Tin < T

out

Latent Heat

Evaporation

Condensation

WATERVAPOR

Work

Pressure and volume

variation

LSRv dQdQdQVdm

PdTC

LSR dQdQdQdWdE

Page 3: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Incoming and Emitted Radiation

Page 4: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Atmospheric Energy BalanceIncoming Solar Radiation

100% - 343 Wm -2

Absorbed by the earth 46%

Reflected by the atmosphere 25%

(gas, aerosols, clouds)

Absorbed by the atmosphere 23%

(gas, aerosols, clouds)

Absorbed by the atmosphere 106%

(greenhouse gases, clouds)

Re-emitted by the atmosphere (greenhouse gases, clouds) and absorbed by the earth 100%

Emitted by the earth 115%

Latent and Sensible Heat

31%

Re-emitted by the atmosphere 60%

(greenhouse gases, clouds)

Emitted by the earth 9%

Reflected by the

earth 6%

Long Wave

Long Wave

Long Wave

ShortWave

Page 5: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

O2 + h → O + O1D < 175 nm

O2 + h → O + O 175 < < 245 nm

O3 + h → O2 + O1D < 310 nm

O3 + h → O2 + O > 310 nm

O1D + M → O + M

O + O2 + M → O3 + M

The Absorption in the Stratosphere

Page 6: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Greenhouse Gas

Page 7: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Earth Surface Energy Balance

Short Wave Radiation

Long Wave Radiation

Sensible Heat

Latent Heat

Tsurf > Tatm

Tsurf > TsoilGround

Evaporation

Day

fe

gg**

4lS

gg

g ELdz

dTκθu)σT -ε(Rα)R-(1

dzρC

1

dt

dT

Page 8: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Night

The Earth Surface Energy Balance

Tsurf < Tatm

Tsurf < Tsoil

Condensation

Long Wave Radiation

Sensible Heat

Latent Heat

Ground

fe

gg**

4lS

gg

g ELdz

dTκθu)σT -ε(Rα)R-(1

dzρC

1

dt

dT

Page 9: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Earth Surface Energy Balance

Page 10: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Effect of the Earth Rotation

ra UUU

RΩrU

RΩΩUΩ2dt

Ud

with

Coriolis Centripetal

ac1 = - f V + 2 W cos in X-direction

ac2 = f U in Y-direction

ac3 = 2 U cos in Z-direction

f = 2 sin

ac1

R

ac3ac2 Acceleration

Page 11: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

dz

dy

dx

Sx = dy dzV = dx dy dz

m

-ac

P(x)P(x+dx) =P(x) + dP

The Effect of the Earth Rotation

In X direction: Sx.dPG = m f VG

In Y direction: Sy.dPG = - m f UG

dx

dP

f

1V G

G

dy

dP

f

1U G

G

Page 12: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Global Atmospheric Circulation

High pressure

High pressure

High pressure

High pressure

Polar front

Polar front

Page 13: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Effects of the Surface Friction

Alt

itud

e

Geostrophic wind

dz

dy

dx

zx

zyzz

zx+dzx

zy+dzy

zz+dzz

dz

dU

dz

d1

dz

dV

dz

d1

Friction forces

z)cos(z -2G

2G e-1V-UU

z)sin(z -2G

2G eV-UV

2

f

dz

dUμ

dz

d

ρ

1fV

dx

dP

ρ

1 G

dz

dVμ

dz

d

ρ

1fU

dy

dP

ρ

1 G

Ekman Layer

Page 14: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Effects of the Gravity

dz

dy

dx

S = dx dy

V = dx dy dz

m

-g

P(z)

P(z+dz) =P(z) + dP

gdz

dP

ρ

1

Hydrostatic Pressure

RTP dT

dz

g

Cp

Vertical Temperature Gradient

v Vdm

PdTC

Page 15: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

0dt

dm

Mass conservation

sss SD

dt

dm

m

1

Substance

Air

0x

dt

i

i

rii

Sx

rK

1

dt

dr

0x

ρU

t

ρ

i

i

Page 16: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

dt

dQ

dt

dW

dt

dE

Energy conservation

pC

R

0P

P

T

θ

Eiii

i Sx

1

x

U

ρ

P

dt

dE

Eii

p Sx

1

dt

dP

ρ

1

dt

dTC

The potential temperature is the

temperature an unsaturated air parcel

attains if it brought adiabatically from

its altitude down to a pressure of

P0=1000 mb (approximately the sea

level).

θiip

Sx

T

ρC

1

dt

Page 17: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Motion conservation

H

H

H

H

θ

θθ

ρ

ρρ

Buoyancy

jij3i3ijji

i UfεgδμSxρ

1

x

P

ρ

1

dt

dU

where i

j

j

i

x

U

x

U

ijS

Gjjij3H

i3ijji

i UU fεgρ

ρρδμS

1

x

p

ρ

1

dt

dU

GH PPpP

Gjjij3H

HHi3ij

ji

i UU fεgθ

θθ

ρ

ρδμS

1

x

p

ρ

1

dt

dU

Page 18: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Atmospheric Stability

50 m

1000 m

Altitude

Température Vitesse du vent

COUCHE LIMITE INSTABLE

1000 m

AltitudeTempérature Vitesse du vent

50 m

COUCHE LIMITE STABLE

Temperature Wind Speed

Unstable Boundary Layer

Temperature Wind Speed

Stable Boundary Layer

PC

g

dz

dT

T

θ

dz

PC

g

dz

dT

PC

g

dz

dT

Stable Atmosphere

Unstable Atmosphere

0dz

0dz

or

or

Page 19: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Conservation form of the equations

Sx

NU

t

N

ii

z

Nw

y

Nv

x

Nu

t

N

dt

dN

ρSx

ρNU

t

ρN

i

i

riii

i ρSx

rK

xx

ρrU

t

ρr

θiipi

i ρSx

T

C

1

x

ρθU

t

ρθ

Gjjij3HH

Hi3ij

jij

iji UU ρfεgθθθ

ρδμS

xx

p

x

ρUU

t

ρU

0x

ρU

t

ρ

i

i

Page 20: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Sea breeze

Page 21: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Slope WindsDay Night

Page 22: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Distance en miles nautiques

Pre

ssio

n em

mb

Mountain Waves

Page 23: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Transport

Con

cent

rati

ons

Distance

Analytical solutionInitial Condition

Page 24: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Diffusion

Con

cent

rati

ons

Distance

Analytical solutionInitial Condition

Page 25: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Chemistry

Con

cent

rati

ons

Distance

A + C B

Page 26: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The Turbulence

Wind Speed

Eddies

Space or Time

Page 27: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The turbulence averaging

cCC r'rr iuUU ii

iii x

rK

xx

CU

t

C i

iiii x

rK

xx

cu

x

CU

t

C ii

iti x

rKcu

it

ii

i

x

rK

xx

CU

t

C

Page 28: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

The turbulence averaging

ri

tii

i ρSx

rK

xx

ρrU

t

ρr

θi

tii

i ρSx

θκ

xx

ρθU

t

ρθ

Gjjij3HH

Hi3ijt

jij

iji UU ρfεgθθθ

ρδSμ

xx

p

x

ρUU

t

ρU

Page 29: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Turbulent kinetic energy

.U.lCK Kt .U.lCt .U.lCμ μt

kEU 222wvu

2

1uu

2

1E iik

i

kt

ikk

i

kik

x

xεGP

x

ρEU

t

ρE

j

ijik x

UuρuP

ρθ'uθ

gδG ii3k

l

3/2k

.lE.Cλ kλt

Page 30: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Laminar profile Turbulent profile

Shear Stress

Page 31: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Shear Stress

Mean Wind Speed Turbulent Viscosity Size of the biggest Eddies

Ground

Obstacles

Page 32: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Heating

Ground Cloud Formation

Page 33: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Tropospheric Layers

Mean Wind Speed Turbulent Viscosity

Free Troposhere

Mixing Layer

Surface Layer

Page 34: ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air The Atmospheric Layers

ENAC-SSIE Laboratoire de Pollution de l'Air

Prandtl (surface) boundary layer

0z

z τ

z

uμu τ

2*

zu.kμ *τ k z

u

z

u *

0

*

z

zlog

k

uU(z)