Mediul i compoziiaatmosferei

Obiective

Cunoaterea mediului i a compoziieiatmosferei

Surprinderea bilanului su energetic Familarizarea cu noiunea de scar

spaio-temporal

1.1 Mediul atmosferic1.1.1 Mediul interplanetar1.1.2 Mediul intermediar: exosfera1.1.3 Schimburi ntre atmosfer i mediul interplanetar

1.2 Compoziia atmosferei1.2.1 Generaliti1.2.2 Compoziia chimic a aerului atmosferic

1.3 Bilanul energetic1.3.1 Schimburile radiative1.3.2 Schimburile de cldur, altele dect cele radiative1.3.3 Bilanul schimburilor de energie i dinamica

atmosferei

1.4 Noiunea de scar1.5 Scrile i previzibilitatea ( limitele prevederii/

previziunii)1.6 Parametrii atmosferici

Sistemul atmosferic terestru evolueaz n permanen ipune n relaie fenomene de toate naturile i de toatescrile temporale i spaiale. Compoziia chimic ca idistana pn la soare sunt factorii cheie ai bilanuluienergetic al atmosferei; din acest bilan decurgparametrii vitali care redistribuie energia solar la suprafaa Pmntului. Prezentarea caracteristiciloreseniale ale mediului atmosferic sunt o introducere la studiul acestor parametrii meteorologici.Modificarea compoziiei chimice s-a accelerat peparcursul ultimelor dou secole. Multiplele activititehnice ale omului au un impact ce nu este de neglijatasupra echilibrului chimic i energetic. Manifestrile celemai alarmante ale activitii umane asupra evoluieiactuale sunt depunerile acide, 'smogul' urban, evoluiaozonului troposferic, subierea stratului de ozonstratosferic i influena concentraiei gazelor cu efect de ser.

1.1 Mediul atmosferic

1.1.1 Mediul interplanetar

Pmntul i atmosfera sa evolueaza ntr-un spaiu care constituie atmosfera soarelui. Acest spaiu, fluid n expansiune, este asimilat cu o plasm. Acesta este vntul solar.

Aceasta plasm diluat se compune n esen din protoni de hidrogen i din electroni emii de coaroana solar (n medie 10 pe cm3) antrenai de o vitez de ordinul a 200 km/s.

Temperatura acestora este de ordinul a 50 000 K. Aceast noiune de temperatur (nutermodinamic ci de mecanic statistic) trebuie s fie relativizat aici. Concentraia foarte slab a acestor particule nu permite transferul energetic prin conducie ci prin schimburi radiative.

n acest fluid, forele electromagnetice joac un rol preponderent. Activitatea solar este legat de erupiile care pot fi reperate pe petele ntunecate de la suprafaa astrului.

La dou pn la trei zile de la emisiunea lui, fluxul de particule ajunge la graniele atmosfereinoastre. Manifestarea luminoas a ocurilor dintre electronii care provin de la soare i atomii imoleculele atmosferei nalte (la mai mult de 70 km altitudine) constituie aurorele boreale. Acesteanu sunt turbulene care agit perdelele de lumin ale aurorelor ci le schimb condiiileelectromagnetice. Aceste aurore sau furtuni magnetice perturb mult comunicaiile prin underadio, n special pe cele care se transmit prin satelii. Ele duneaz, de asemenea , buneifuncionri a reelelor electrice i unor sisteme de aprare.

1.1.2 Mediul intermediar: exosfera

Acest mediu care asigur continuitatea ntre atmosfereleterestr i solar se caracterizeaz prin libere parcursuri de ordinul a 100 km pentru particulele care o compun. Cea maimare parte a acestor particule sunt ionizate.

Forma exosferei este fusiform, ceea ce face dificil o evaluare a vrfului su care se situeaz n jur de 50 000 km.

Baza sa se afl la n jur de 600 km altitudine. Masa sa esteestimat la 10-9 ori din cea a atmosferei noastre.

Forele magnetice joac un rol echivalent celui a forelor de gravitate.

1.1.3 Schimburi ntre atmosfer i mediulinterplanetar

Schimburile de energie i de materie pot s aib loc ntreaceste dou medii.

Curgerile de heliu care au afectat atmosfera noastr se evalueaz ntr-un interval de 5 miliarde de ani a fi n jur de 2400 de ori masa actual de heliu. Totui aceste scurgeri de heliu par a fi un fenomen cu totul periferic innd seama de producia acestui gaz n atmosfer.

1.2 Compoziia atmosferei

1.2.1 Generaliti

Masa atmosferei este n general de circa 5.1015 tone considernd c presiunea ei medie este de 1013,25 hPa i asimilnd Pmntul cu o sfer. Jumtate din masa atmosferei se situeaz n primiicinci kilometrii, 80% din masa sa sunt coninui n primii zece i 99% n primii treizeci.

Atmosfera poate fi divizat n trei straturi principale:

Omosfera: stratul de 80 km grosime avand o compoziie chimic global omogen;

Heterosfera: stratul cu compoziie chimic eterogen unde se produc n mod obinuit fenomenede ionizare i de disociere molecular;

Fotosfera: constituit n esen din protoni i electroni, acest strat este situat n vecintateaexosferei.

Cvasitotalitatea fenomenelor meteorologice se situeaz n primii 16 kilometrii, prin urmare, investigaiile meteorologice se duc n esen n acest strat subire. Se admite totui, n mod obinuitc pragul de 30 de km definete grosimea atmosferei meteorologice.

Comparaia acestei grosimi de 30 km cu raza Pmntului (6400 km) permite s se msoarediferena enorm dintre dimensiunile verticale i orizontale i s se deduc imediat c micrile ncadrul ei ar fi predominant orizontale.

n acest domeniu, compoziia chimic a atmosferei poate fi considerat ca omogen.

1.2.2 Compoziia chimic a aerului atmosferic

Aerul atmosferic este compus:

aer uscat;impuriti;vapori de ap.

Aerul uscat se compune:

Compoziia aerului uscat

Gaze constituente Compoziia volumetric (n %)

Azot (N2)Oxigen (O2)Argon (Ar)

Bioxid de carbon (CO2)Heliu (He)

Krypton (Kr)Hidrogen (H2)Xenon (Xe)Ozon (O3)

Radon (Rn)

78,0920.950,93 0,03

5,24 . 10-41,0 . 10-45,0 . 10-58,0 . 10-61,0 . 10-66,0 . 10-18

(Se definete compoziia volumetric: 100 v/V,

V este un volum anume de aer uscat i v este volumul ocupat de constituent naceleai condiii de presiune i temperatur ca i aerul uscat).

Azotul, oxigenul i argonul sunt preponderente i reprezint 99,97% din aerulatmosferic.

Coninutul n anumite gaze, rare n raport cu procentajul lor slab n volum, este foarte variabil. Astfel, cel al gazului carbonic care are proprieti foarteabsorbante pentru razele infraroii solare i terestre depinde important nstraturile joase de activitatea industrial i de respiraia fiinelor vii. El depindede asemenea de funcia clorofilei din nveliul vegetal, de incendii, de erupiivulcanice i n mod natural de capacitaile de disoluie sau de emanare a suprafaelor maritime.

Proporia de ozon, extrem de mic la nivelul suprafeei solului (n afar de poluarea urban), devine mult mai important la altitudini ntre 15 i 45 km. Concentraia maxim se situeaz n jur de 34 km. Rolul ozonului, minor dedesubtul a 15 km, este primordial pentru asigurarea vieii pe Pmnt. Acest gaz filtreaz ntra-devr ultravioletele cu lungimi de und cuprinse ntre 0,21 i0, 29 microni care sunt deosebit de nocive pentru fiinele vii.

Figura 1.1 Diferitele tipuri de unde electromagnetice

Impuritile

Acestea sunt particule de sare marin provenind din evaporarea picturilor fine dar idiverse particule de origine industrial, vulcanic i de asemenea reziduri de originevegetal.Particulele ionizate sunt de asemenea prezente dar concentraia lor este maiimportant n ionosfer.Impuritiile au o importan deloc neglijabil. n plus fa de condiiile termodinamiceconvenabile, condensarea vaporilor de ap atmosferic necesit prezena de suporturi solide.

Vaporii de ap

Vaporii de ap se situeaz aproape exclusiv n straturile joase ale atmosferei (noriisidefii la nlimi de ordinul a 25 km trdeaz totodat prezena apei la altitudini foartenalte. Concentraia lor variaz mult legat de sezon i loc. Fiind de 1/1000 n regiunilecontinentale foarte reci (Siberia), ea poate reprezenta 5/100 deasupra zonelormaritime ecuatoriale. Aceast diferen de concentraie nu este lipsit de importan din punct de vedereenergetic. Vaporii de ap, pe lng capacitatea lor de a absorbii radiaia infraroie, asigur prin panta de cldur latent un transfer de energie din zonele cu evaporaiectre zonele de condensare.

1.3 Bilanul energetic

1.3.1 Schimburile radiativeRadiaia este un proces de natur ondulatorie care permite transferul de energie fr un suport material. Orice radiaie este constituit din superpoziia de unde monocromatice. Zona spectral din intervalulcuprins ntre 0,40 i 0,73 m caracterizeaz ansamblul de unde care compun radiaia vizibil. Lungimile de und superioare la 0,73 mcorespund radiaiei de tip infrarou, cele inferioare lui 0,40 m la celeultraviolete (cf. Figurilor 1.1 i 1.2).

DETALII ALE PRII VIZIBILE A SPECTRULUI

Figura 1.2 Culorile clasice din domeniul vizibil

La limita extern a atmosferei, situat ctre 600 km altitudine, radiaiasolar se ntinde peste un domeniu de lungimi de und cuprinse n general ntre 0,13 i 24 m. Cnd Pmntul se afl la o distan medie de soare, cantitatea de energie transportat prin radiaia solar care traverseazperpendicular o unitate de suprafa este de 1,36 kW/m2. Aceasta esteconstanta solar (C).

Geometria Pmntului induce o nclzire difereniat ntre poli i ecuator iconduce la luarea n consideraie a unei medii a constantei solare care reprezint energia solar primit la limita atmosferei, independent de latitudine, de anotimp i de or. R2 este suprafaa discului terestru vzutde pe soare i 4 R2 este suprafaa globului, rezult c:

CR2=C 4R2 Fie: C=C/4=340W/m2 Oxigenul, oxigenul monoatomic i ozonul absorb parial razele X i

ultraviolete. Apa, bioxidul de carbon asigur absorbia nsemnat a radiaiilor vizibile i infraroii. Radiaia care atinge suprafaa terestr nu esteabsorbit n totalitatea ei. Atmosfera i suprafaa terestr reflect 102 W/m2. Principalii reflectori sunt moleculele de gaz atmosferic, norii, pulberile, zpada i solurile aride.

Constanta solar : C=1,36 kW. m-2 n medie ( anotimpual i curbur a pmntului) : C=0,34 kW.m-2

1 unitate 1% din C 3,4 W. m-2

Figura 1.3 Schimburi radiative Soare-Pamant-atmosfera (dupa Labarthe)

Figura 1.3 Schimburi radiative Soare-Pmnt-atmosfer (dup Labarthe)

Sistemul sufer o pierdere de 18 uniti prin emisia terestr care traverseaz atmosfera i de 54 uniti emise de straturile superioare ale atmosferei. Aceste pierderi, adugate la cele 28 de uniti reprezentndpartea din constanta solar reflectat, reprezint bine cele 100 uniti care corespund energiei solare incidente. Sistemul este n echilibru radiativ.

Emisia terestr este evaluat la 114 uniti din care 18 scap sistemului i96 revin la suprafa prin efect de ser. Pe de alt parte solul absoarbe47% din energia incident. Bilanul este pozitiv de 29 uniti. Pmntul are tendina de a se nclzi datorit unui bilan radiativ pozitiv.

Din contr, atmosfera emite 54 uniti la limita ei, dar absoarbe 25% din energia incident. Straturile superioare ale atmosferei au prin urmaretendina de a se rci.

(Aceste calcule rmn valabile oricare ar fi latitudinea). Pmntul i atmosfera sa reemit energia solar pe care o absorb sub form

de radiaie termic. Fluxul mediu de energie reemis este n jur de 238 W/m2. Conform legii lui Stefan-Boltzmann, fluxul de radiaie emis de un corp negru (emitent ideal) este proporional cu puterea a patra a temperaturii sale absolute. Pmntul i atmosfera sa se comportaproximativ ca un corp negru la o temperatur de 18 gradeC. Aceasta estetemperatura medie a atmosferei la 500 hPa.

Cea mai mare parte a radiaiei emise de suprafa este absorbit n principal de vaporii de ap, nori, bioxidul de carbon, pulberi i ozon. Aceti constitueni atmosfericicare absorb radiaia infraroie o redifuzeaz mai ales ctre suprafaa Pmntuluiunde ea este absorbit, adugndu-se la energia termic care exist deja; o parteeste resorbit n atmosfer i n fine restul se pierde n spaiu.

Bilanul de schimburi radiative prezint un dezechilibru pozitiv pentru suprafaaterestr n timp ce atmosfera se afl n deficit. Temperatura medie de 15 grade C de la suprafaa globului, pentru care suprafaa terestr i atmosfera sunt n echilibrutermic, necesit schimburi de cldur altele dect cele radiative.

1.3.2 Schimburi de cldur, altele dect cele radiative Energia mecanic:Asociat la micrile atmosferice i marine, ea reprezint mai puin de 1% din aportul

solar.

Conducia:Aerul fiind slab conductor de cldur, schimburile prin conducie joac un rol minor. Ele

intervin totui n mod simitor ntre toate primele straturi ale atmosferei i suprafaaterestr ct timp contrastele termice ntre cele dou medii sunt semnificative. Conductibilitatea aerului este ridicat ct timp el este locul unei agitaii turbulente.

Convecia termic:ntr-o mas de aer staionnd sau deplasndu-se peste o suprafa terestr relativ cald

vor deveni vizibile n interiorul ei ascendene i descendene de particuleorganizate n celule numite termoconductive. Aceast amestec convectiv este un mod de propagare a cldurii mai activ dect conducia.

Aportul legat de ciclul apei:Oceanele care reprezint 7/10 din suprafaa terestr, sunt locul unei intense evaporri

care absoarbe o cantitate important de cldur din mediul lichid. Vaporii de apcondenseaz n atmosfera liber mprumutnd energie (prin intermediul clduriilatente). Acest proces furnizeaz atmosferei cea mai mare parte de energie nafar de cea pe care o primete radiativ (cf. Figurii 1.4)

1.3.3 Bilanul schimburilor de energie i dinamica atmosferei

Sistemul Pmnt-atmosfer absoarbe mai mult radiaie solar la latitudinile joasedect la cele nalte i elibereaz energie ntr-un mod practic nedifereniat. ntreecuator i regiunile polare exist un dezechilibru termic care induce un dezechilibru de densitate i prin urmare de presiune. Se stabilesc micrimeridianale de transfer de cldur i se asigur echilibrul termic al acestor regiunin ntregime atenund nclzirea ecuatorial i rcirea polar (cf. Figurii 1.5).

Figura 1.5 Transferurile energetice n interiorul sistemului Pmnt-atmosfer(sursa: Met Mar)

1.4 Noiunea de scar

Studiul unui fluid se face prin decuparea masei fluidului n particule, domeniielementare n interiorul crora caracteristicile i micrile sunt considerate ca omogene.

Dimensiunile alese pentru aceste particule definesc exact scara studiului. Adoptarea unei scari mari simplific mult sub aspectul fenomenelor dar priveaz, de asemenea de multe detalii. Trebuie s se gseasc un compromis pentru ca simplificrile obinute s nu dezbrace fenomenele de caracteristicile lor eseniale.

Scara microscopic definete cadrul condensrii apei i formrii norilor, microscara acelor fenomene imposibil de prevzut de manier obiectiv(dimensiune de ordinul metrului i durate de ordinul ntre secund i minut).

Cele mai folosite scari n cadrul previziunilor meteorologice sunt n numr de trei(cf. Tabelului 1.1).

O scar intermediar (mezoscar), de dimensiunea ntre 10 i 100 km care permite cele mai bune informaii asupra scarii sinoptice (fenomene de briz, efectede fohn, vnturi locale de tipul mistralului sau tramontanei, efectele catabatice, etc.).

1.5 Scarile i previzibilitatea (limitele previzibilitii)

Previzibilitatea n materie de prognoze meteorologice este n esen nacelai timp funcie de durata i de scara fenomenului. Aceast limiteste n mod general cu att mai ndeprtat cu ct scara este mai mare. Cu titlu de exemplu, sosirea unei furtuni, fenomen la scara aerologic, deasupra unei localiti, nu poate fi deloc prevzut cu mai mult de cteva ore avans; dimpotriv, situaia meteorologic care comport risculorajelor este previzibil cu una sau dou zile mai devreme. Cu modeleleactuale, fenomenele la mezoscar, examinate la scar sinoptic, suntdificil de prevzut peste 3 sau patru zile. La aceast departare n timp, doar undele mari superioare scarii sinoptice rmn spre exemplupredictibile de manier determinist cu o fiabilitate suficient. Atmosferafiind un sistem haotic, micile erori introduse n starea iniial pot s se amplifice rapid. Dou stari iniiale vecine pot conduce totui la soluiidivergente dincolo de o anumit durat. O msur a distanei dintreaceste previziuni divergente poate s devin de altfel un indicator a fiabilitii previziunii n discuie.

Tehnica sugerat mai sus se aproprie de o metod numit prevederestocastic (spre deosebire de cea determinist), metoda adaptat cel maibine teoretic la msurarea previzibilitii fenomenului pe care vrem s-lprevedem i pentru care se iau n considerare toate efectele posibile ale hazardului dintr-un numr de scenarii posibile.

1.6 Parametrii atmosferici Starea unei mase m a unui gaz este definit prin temperatura sa, presiunea sa i

volumul su. Cunoaterea a doi dintre aceti parametri este suficient pentrudeterminarea celui de al treilea.

Aerul atmosferic este un amestec de aer uscat i vapori de ap. Un parametru de stare suplimentar, umiditatea, precizeaz starea higrometric.

n fine, evoluia local a parametrilor precedeni depinde de deplasrile verticale iorizontale (direcie i vitez).

Meteorologia studiaz legturile ntre aceti parametrii, evoluia lor i consecinelefenomenologice.

Tabelul 1.1

Scara planetarAceasta este scara circulaiei generale care ia n eviden caracteristicile medii ale curgerii aeruluiBaza de timpLuna, anul pentru unelefenomeneDimensiuni orizontaleMai multe mii de kilometriiFenomeneFluctuaiile zonei de convergen inter-tropicale.

Undele mari emisferice

Scara sinopticEa este cel mai frecventutilizat pentru analiz

Baza de timpDe la una la cteva zileDimensiuni orizontale100 la 1000 kmFenomeneAnsamblul fronturilor uneiperturbaii

Scara aerologicEa permite mai ales analizafenomenelor pedimensiunea vertical

Baza de timpCteva oreDimensiuni orizontale1 la 10 kmFenomene

Averse, oraje, tornade

Figura 1.6 Scarile principalelor fenomene meteorologice