ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ

Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
αποτελείται από:
λίγα αέρια μεγάλης συγκέντρωσης
πολλά ίχνη αερίων (trace gases)
π.χ. CΟ2,O3, CH4, H2O(vapour), …
Ν2, Ο2, Αr
συστατικά του ατμοσφαιρικού αέρα
κύρια χαρακτηριστικά στοιχεία αέρα
συνδέονται μεταξύ τους με:
P, ρ, T (Καταστατική Εξίσωση)
μεταβάλλονται με το:
το: γεωγραφικό πλάτος, γεωγραφικό μήκος, ύψος,
ύψος, εποχή
χωροχρονικά
άλλες θεμελιώδεις εξισώσεις Φυσικής της Ατμόσφαιρας
γεωγραφικές συντεταγμένες
Εξίσωση Clausius-Clapeyron
1ος Νόμος Θερμοδυναμικής
Υδροστατική Εξίσωση
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
P, ρ, T: μεταβάλλονται πρωτίστως με το ύψος
λιγότερο στην οριζόντια διάσταση (π.χ. συγκρίνετε αλλαγές τους σε αποστάσεις 2-3km)
βάρος αέρα πάνω από οριζόντιο
επίπεδο, διά του εμβαδού της
επιφάνειας του επιπέδου
ΠΙΕΣΗ
άρα:
dp<0
ελαττώνεται με το ύψος
(εξ’ορισμού)
ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ
ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ
ισορροπία μεταξύ δυνάμεων
βαροβαθμίδας και βάρους
Τυπική τιμή Πίεσης στη
στάθμη της θάλασσας: 1013mb
(τυπικές αποκλίσεις σε έναν τόπο,
γενικά, μεταξύ -20mb και +20mb)
Όμως: παρατηρούνται και μεγαλύτερες
αποκλίσεις (π.χ. -50mb, σε έντονα
συστήματα χαμηλών πιέσεων,
όπως οι τυφώνες)
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
Παγκόσμια κατανομή πίεσης στη μέση στάθμη της επιφάνειας της θάλασσας
και ατμοσφαιρική κυκλοφορία (καθορίζεται από την κατανομή των πιέσεων)
ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
Kατανομή πίεσης στη μέση στάθμη της επιφάνειας της θάλασσας για την Ευρώπη
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ
(αέρας χωρίς κατακόρυφες
επιταχύνσεις)
δύναμη βαροβαθμίδας
δύναμη βάρους
hydrostatic
equilibrium
(υδροστατική εξίσωση
για τον ατμοσφ. αέρα)
(ισορροπία υπό την
επίδραση δυνάμεων
βαροβαθμίδας-βάρους)
(κατά κανόνα)
≈ ο.κ. όχι! εκτός
από πολύ λεπτά στρώματα
(αλλαγή g, R, T με το ύψος?)
(καταστατική εξίσωση
για τον ατμοσφ. αέρα)
R*: παγκόσμια σταθερά αερίων
Μ: μέσο μοριακό βάρος ατμοσφ. αέρα
(εξαρτάται από τη θερμοκρασία Τ)
της Γης
Η εξίσωση υδροστατικής ισορροπίας ισχύει γενικά μέσα στην
ατμόσφαιρα της Γης εκτός από:
● τα νέφη
● πάνω από περιοχές με ανάγλυφο
ΕΞΙΣΩΣΗ
ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ
ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ
(hydrostatic
equilibrium)
ισχύει είτε για ακίνητο αέρα,
είτε για κινούμενο αέρα με σταθερή
ταχύτητα
ΕΚΘΕΤΙΚΗ ΜΕΙΩΣΗ ΤΗΣ
ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ
εκθετική μείωση της ατμοσφαιρικής πίεσης με το ύψος
z
RT R *T
−
κλίμακα ύψους ( =
=
)
Για σταθερή θερμοκρασία T: P = Po ⋅ e H
g
Mg
(ισόθερμη ατμόσφαιρα)
ισχύει για πολύ λεπτά στρώματα αέρα
ατμοσφαιρική
πίεση σε ύψος z
Τιμές Κλίμακας Ύψους για
αντιπροσωπευτικές θερμοκρασίες αέρα
μέσο μοριακό βάρος ατμοσφ. αέρα
ατμοσφαιρική πίεση στη στάθμη της
επιφάνειας της θάλασσας (Ps)
Τ = 290 Κ
Τ = 273 Κ
Τ = 260 Κ
Τ = 210 Κ
Η = 8500 m
Η = 8000 m
Η = 7610 m
Η = 6000 m
(ο ρυθμός μείωσης της ατμοσφαιρικής πίεσης με το ύψος)
Κλίμακα Ύψους Η: η απόσταση στην οποία η ατμοσφαιρική πίεση
ελαττώνεται στο 1/e της αρχικής της τιμής
τι είναι??
(δηλ. περίπου στο 1/3)
εξαρτάται από τη θερμοκρασία
Στα πρώτα περίπου 100km της ατμόσφαιρας, η κλίμακα ύψους της κυμαίνεται περίπου μεταξύ 6-8 km
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ποσοστό της συνολικής μάζας της ατμόσφαιρας που περιλαμβάνεται κάτω από κάθε ύψος
● το 50% της συνολικής μάζας της
ατμόσφαιρας βρίσκεται μέσα στα
πρώτα 5.5 Km
● το 90% της συνολικής μάζας της
●
ατμόσφαιρας βρίσκεται μέσα στα
πρώτα 15 Km, περίπου
το 99.9% της συνολικής μάζας της
ατμόσφαιρας βρίσκεται μέσα στα
πρώτα 50 Km, περίπου
Διαφορετικοί ρυθμοί μείωσης
της ατμοσφαιρικής πίεσης με το ύψος
περισσότερα από τα μισά μόρια της ατμόσφαιρας
είναι συγκεντρωμένα χαμηλότερα από τα 5.5 km
Άρα, η ατμοσφαιρική πίεση και η μάζα,
μειώνονται περίπου κατά 50% σε ύψος ≈ 5.5 km
ΕΚΘΕΤΙΚΗ ΜΕΙΩΣΗ
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
η πυκνότητα μειώνεται περίπου με τον ίδιο τρόπο (εκθετικό) με την πίεση (ρ=m/V)
(ρ=m/V)
(100mb)
με διαφορετικό ρυθμό
πάνω από τα 100 km
από ό,τι κάτω από τα 100 km
100 km
1 mb (άνω του 99.9%)
10 mb (άνω του 99%)
100 mb (άνω του 90%)
το σύνολο σχεδόν της μάζας της
ατμόσφαιρας, βρίσκεται συγκεντρωμένο
σε ένα πολύ λεπτό στρώμα (≈
(≈1/100R
1/100RΓ)
κοντά στην επιφάνεια της Γης
Υψόμετρο (Km)
Υψόμετρο (Km)
μεταβατική περιοχή της ατμόσφαιρας
Ακτίνα Γης
RΓ=6370
6370 km
500 mb (άνω του 50%)
Πίεση (mb)
(α)
Πυκνότητα (kg m-3)
(β)
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
το σύνολο σχεδόν της μάζας της
ατμόσφαιρας, βρίσκεται συγκεντρωμένο
σε ένα πολύ λεπτό στρώμα (≈
(≈1/100R
1/100RΓ)
κοντά στην επιφάνεια της Γης
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
100km
διαχωριστικό όριο της
γήινης ατμόσφαιρας
ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ
ΜΕΣΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΩΤΕΡΩΝ 100km ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΤΗΣ ΓΗΣ
Αναλογία Μίγματος κατ’όγκο
Αέριο
δηλ. της ομοιόσφαιρας
Επί τοις
εκατό (%)
Μέρη ανά εκατομμύριο όγκου
(ppmV)
Άζωτο (Ν2)
78.08
780,800
75.55 % κατά μάζα
Οξυγόνο (Ο2)
20.95
209,500
23.17 % κατά μάζα
Αργό (Ar)
0.93
9,300
Νέο (Ne)
0.0015
15
Ήλιο (He)
0.0005
5
Κρυπτό (Kr)
0.0001
1
Ξένο (Xe)
0.000005
0.05
Υδρατμοί (H2O)
0.00001-4.0
0.1-40.000
Διοξείδιο του
άνθρακα (CO2)
0.0360
360
Μεθάνιο (CH4)
0.00017
1.7
Όζον (Ο3)
0.000003-0,001
0.03-10
Ν2
Σταθερά Αέρια
Μεταβλητά Αέρια
Ο2
Ar
CO2
He
Ne
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΤΑ 100 km ΑΛΛΑΖΕΙ
Ο ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ
ΠΙΕΣΗΣ-ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ
διαφορετικές διαδικασίες που καθορίζουν τη στρωματοποίηση της
μάζας και τη σύσταση του ατμοσφαιρικού αέρα σε σχέση με κάτω
από 100km
πολύ γρήγορη (εκθετική) ελάττωση
πίεσης-πυκνότητας με το ύψος
Πίεση
Θερμοκρασία
Πυκνότητα
οι ισοβαρείς επιφάνειες
(επιφάνειες κοινής πίεσης)
είναι σχεδόν οριζόντιες
μικρές (σχετικά) αποκλίσεις εισάγουν
οριζόντιες κινήσεις στην ατμόσφαιρα
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
η μέση απόσταση που διανύει ένα μόριο μέσα σε ένα αέριο μεταξύ δύο κρούσεων
καθορίζει ιδιότητες όπως το ιξώδες και η θερμική αγωγιμότητα
και είναι υπεύθυνη για τη διάχυση ορμής-θερμότητας
και για τη “διάλυση” των κινήσεων της ατμόσφαιρας, μέσω
της καταστροφής των βαθμίδων ταχύτητας και θερμοκρασίας
μέση ελεύθερη διαδρομή
(ΜΕΔ)
⇒ όχι καλή ανάμιξη των διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών
⇒ μη ομοιογενείς αναλογίες μίγματος των ατμοσφαιρικών συστατικών
ΜΕΓΑΛΗ
ΜΕΔ
δεν εξαρτάται από
το ΜΒ του συστατικού
εξαρτάται από το ΜΙΚΡΗ
ΜΒ του συστατικού
ΜΕΔ
⇒ καλή ανάμιξη των διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών
⇒ ομοιογενείς αναλογίες μίγματος των ατμοσφαιρικών συστατικών
>
(π.χ. 78% Ν2, 21% Ο2, κ.λ.π.)
επιφάνεια Γης
ΜΕΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΔΙΑΔΡΟΜΗ
ΜΟΡΙΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΕΡΑ
ΜΕΔ
100km
1km
1m
1μm
δραστική μείωση της μέσης
ελεύθερης διαδρομής με
το ύψος της ατμόσφαιρας
ΜΕΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΔΙΑΔΡΟΜΗ
ΜΟΡΙΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΕΡΑ
δραστική μείωση της μέσης
ελεύθερης διαδρομής με
το ύψος της ατμόσφαιρας
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
ΤΥΡΒΩΔΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗ
ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ
z<100km
χαρακτηριστικά
τυρβώδης ροή
σταθερό
μέσο μοριακό
βάρος αέρα
σταθερό μέσο μοριακό βάρος αέρα
ΜΟΡΙΑΚΗ ΔΙΑΧΥΣΗ
ΕΤΕΡΟΣΦΑΙΡΑ z>100km
χαρακτηριστικά
στρωτή ροή
μεταβαλλόμενο
μέσο μοριακό
βάρος αέρα
σταθερές
ιδιότητες (P, ρ)
ατμοσφαιρικού αέρα
καθ’ύψος
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
η σύσταση της
ατμόσφαιρας αλλάζει
με το ύψος
αριθμητικές πυκνότητες
αερίων συστατικών
ΕΤΕΡΟΣΦΑΙΡΑ
η αριθμητική πυκνότητα
των διαφόρων συστατικών
ελαττώνεται καθ’ύψος με διαφορετικό ρυθμό
μέσο μοριακό βάρος αέρα
ατμοσφαιρική πίεση
θερμοκρασία
ατμοσφαιρικού αέρα
σταθερή σύσταση
της ατμόσφαιρας
με το ύψος
ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ
η αριθμητική πυκνότητα
των διαφόρων συστατικών
ελαττώνεται καθ’ύψος με τον ίδιο ρυθμό
η πίεση μειώνεται γρηγορότερα
για τα βαρύτερα συστατικά
ΔP1 > ΔP2
π.χ. Ο2
βαρύτερο αέριο
Ν2
ελαφρύτερο αέριο
ΔΟΜΗ (ΣΤΡΩΜΑΤΑ) ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ
Σχηματική αναπαράσταση της ατμόσφαιρας με την ομοιόσφαιρα, την
ετερόσφαιρα και την εξώσφαιρα, με τις τροχιές των μορίων στην εξώσφαιρα
σωματίδια που ακολουθούν βαλιστική τροχιά
και διαφεύγουν στο διάστημα (V>Vδ)
ταχύτητα διαφυγής στο διάστημα
ΕΞΩΣΦΑΙΡΑ
σωματίδια που ακολουθούν βαλιστική τροχιά
και επιστρέφουν στην ατμόσφαιρα της Γης (V≤Vδ)
ΕΤΕΡΟΣΦΑΙΡΑ
ΟΜΟΙΟΣΦΑΙΡΑ

Download Report