Elementy termodynamiki atmosfery i fizyki chmur. Hanna Pawłowska Tel

Transkrypt

1 Elementy termodynamiki atmosfery i fizyki chmur Hanna Pawłowska Tel hanna.pawlowska@igf.fuw.edu.pl

2 Plan wykładu Skład powietrza, podział atmosfery Termodynamika atmosfery Suche i wilgotne powietrze Charakterystyczne procesy w atmosferze Diagramy termodynamiczne Warunki równowagi w atmosferze Gradient sucho- i wilgotno- adiabatyczny Warunki stabilności; niestabilność warunkowa i potencjalna Mikrofizyka chmur Kondensacyjny i koalescencyjny wzrost kropel Mieszanie chmury z otoczeniem Radiacyjne własności chmur 2

3 Podręczniki Fundamentals of Atmospheric Physics, M.L. Salby (Salby) A Short Course in Cloud Physics, R.R. Rogers and M.K. Yau (R&Y) Microphysics of Cloud and Precipitation, H. Pruppacher and J. Klett Atmospheric Science. An Introductory Survey, J. Wallace Thermodynamics of Atmospheres and Oceanes, J.A. Curry and P.J. Webster (C&W) Atmospheric Chemistry and Physics, J.H. Seinfeld and S.N. Pandis Atmospheric thermodynamics, Iribarne and Godson The Atmosphere, F. K. Lutgens, E. J. Tarbuck Essentials of Meteorology, C. D. Ahrens Meteorology Today, C. D. Ahrens 3

4 Ćwiczenia Dorota Jarecka Ćwiczenia Do wykonania ćwiczeniach 4

5 Plan wykładu 1 Skład powietrza atmosferycznego Powstawanie atmosfery Podział atmosfery Gazy śladowe 5

6 Podręczniki Salby, Chapter 1 6

7 Skład atmosfery gazy stałe Gaz Symbo l % objętości Dlaczego ważny? Azot N 2 78,08 biosfera Tlen O 2 21 oddychanie Argon Ar 0,9 Gaz nieaktywny, właściwie nieistotny 7

8 Skład atmosfery - Gazy zmienne Gaz Symbol % objętości Dlaczego ważny? Para wodna H 2 O 0-4 Transport ciepła, gaz cieplarniany, uczestniczy w tworzeniu różnych zjawisk (chmury) Dwutlenek węgla CO 2 0,036 Gaz cieplarniany, biosfera (fotosynteza) Metan CH 4 0,00017 Gaz cieplarniany, bardziej wydajny niż CO 2 Tlenek azotu N 2 O 0,00003 Gaz cieplarniany Ozon O 3 0, Warstwa ozonowa, pochłania UV Cząstki stałe (pyły, sadze), tzw aerozole 0, Budżet energii; tworzenie chmur 8

9 Powstanie atmosfery - 1 Układ słoneczny powstał ze skondensowania chmury pyłów i gazów... Ok. 4,6 miliarda lat temu Atmosfery Ziemi, Wenus i Marsa powstały w wyniku wydzielania się gazów z wnętrza nowo powstałych planet Początkowo atmosfera składała się z Dwutlenku węgla (CO 2 ) Azotu (N 2 ) Pary wodnej (H 2 O) Śladowych ilości wodoru (H 2 ) 9

10 Powstanie atmosfery - 2 Obecny skład atmosfery różni się od składu pierwotnego Większość pary wodnej skondensowała (w miarę ochładzania atmosfery) powstały oceany Większość CO 2 zostało rozpuszczone w oceanie i stworzyło skały węglanowe (wapienie). Oblicza się, że na każdą cząsteczkę CO cząstek zostało uwięzionych w skałach NO 2, jako gaz nieaktywny chemicznie, nierozpuszczalny w wodzie i nie ulegający kondensacji pozostał w atmosferze w początkowej ilości Gwałtowny wzrost ilości tlenu O 2 nastąpił jako produkt fotosyntezy. Obecny poziom O 2 został osiągnięty ok. 400 mln lat temu 10

11 Powstawanie atmosfery zawartość tlenu 400 mln lat 11

12 Podział atmosfery 12

13 Rozkład temperatury w atmosferze 13

14 Dlaczego cząstki powietrza nie uciekają w przestrzeń kosmiczną? Aby cząstka mogła się oderwać od pola grawitacyjnego Ziemi jej energia kinetyczna powinna być równa energii potencjalnej potrzebnej aby przenieść tę cząstkę do nieskończoności 1 2 v mv e = 2 e = mg a 2g 0 0 a r 2 dr a 11 km s 1 Salby, Fundamentals of Atmospheric Physics 14

15 Dlaczego cząstki powietrza nie uciekają w przestrzeń kosmiczną? Energia w gazie jest rozłożona równomiernie lżejsze składniki mają większą prędkość niż ciężkie składniki W pobliżu wysokości 500 km temperatura osiąga wartość 1000 K, czasami 2000 K wówczas rozkład prędkości jest zgodny z rozkładem Boltzmanna: dn v v kt = exp dv, v = n π v0 v0 m dn/n ułamek ilości cząstek mających prędkości z przedziału (v, v+dv) v 0 najbardziej prawdopodobna prędkość dla cząstki o masie cząsteczkowej m 15

16 Rozkład prędkości cząstek dn n k = 1, m H = 4 v π v = 1u = N 1u = 1, T = 1000K exp 23 K J A v v ( g) = N 27 kg 0 A 2 dv, v 0 1 ( kg) 1000 = 2kT m Ćwiczenia Policzyć rozkład prędkości dla różnych składników atmosfery 16

17 Ile cząstek ucieka z atmosfery? Ilość cząstek mających prędkość większą niż v e Ćwiczenia Wyprowadzić to równanie Δn n e = v e 4 v π v v π v e 0 exp exp v v 0 v v e 0 2 dv 2 Dla tlenu: v km s Δn n 1 e 0 = 1.02, = 10 Czas potrzebny, aby wszystkie molekuły tlenu uciekły z poziomu krytycznego (500 km) jest równy czasowi pomiędzy kolejnymi zderzeniami (ok.. 10 s na poziomie 500 m) podzielonemu przez ułamek wszystkich molekuł zdolnych do oderwania się od pola grawitacyjnego Ziemi, czyli s! 45 17

18 Ile cząstek wodoru ucieka z atmosfery? Dla cząstek wodoru sytuacja jest całkowicie inna niż w przypadku tlenu. Molekuły wodoru mają znacznie większe prędkości, zatem znacznie więcej posiada prędkości większe od prędkości ucieczki v e Dla wodoru: Δn = 4.08, = 10 0 n 1 e 4 v km s Czas = 10 5 s = 1 dzień W warunkach wzmocnionej aktywności Słońca temperatura na poziomie krytycznym jest znacząco wyższa, zatem molekuły wodoru uciekają z atmosfery jeszcze szybciej. Tłumaczy to dlaczego wodór jest obecny w bardzo małej ilości w atmosferze ziemskiej, pomimo jego stałej produkcji w wyniku fotodysocjacji. H 2 O. 18

19 Homosfera, heterosfera i egzosfera 19

20 Temperatura i gęstość atmosfery 20

21 Temperatura, ciśnienie i gęstość atmosfery Temperatura, Skala liniowa Ciśnienie i gęstość, Skala logarytmiczna 21

22 Atmosfera standardowa Atmosfera standardowa odnosi się do: Standardowej wartości referencyjnej ciśnienia atmosferycznego: Atmosfera (jednostka), przybliżona wartość na poziomie morza Ciśnienie atmosferyczne, inne wartości referencyjne Model opisujący jak ciśnienie atmosferyczne zmienia się z wysokością: U.S. Standard Atmosphere, zestaw modeli, które dają wartości ciśnienia, gęstości i temperatury w pewnym zakresie wysokości International Standard Atmosphere (ISA), międzynarodowy model standardowy, definiujący typowe własności atmosfery w funkcji wysokości, w średnich szerokościach geograficznych 22

23 Atmosfera standardowa U.S. Standard Atmosphere (1976) program do obliczania parametrów atmosfery standardowej Ćwiczenia Równania dla atmosfery standardowej 23

24 Czynniki kontrolujące stratyfikację i skład powietrza -1 Droga swobodna molekuł, określająca częstość zderzeń, zależy odwrotnie proporcjonalnie od gęstości powietrza Średnia droga swobodna rośnie ekspotencjalnie z wysokością od wartości 10-7 m na powierzchni Ziemi do 1 m na wysokości 100 km (gęstość powietrza maleje ekspotencjalnie) Dyfuzja molekularna zależy od wielkości drogi swobodnej;średnia droga swobodna molekuł określa również wielkość lepkości i przewodnictwa cieplnego Dyfuzja pędu i ciepła prowadzi do dyssypacji ruchu w atmosferze poprzez likwidację gradientu prędkości i temperatury. 24

25 Czynniki kontrolujące stratyfikację i skład powietrza -2 Poniżej wysokości 100 km wielkość średniej drogi swobodnej jest tak mała, że ruchy turbulencyjne w atmosferze są bardzo słabo tłumione przez procesy dyfuzyjne transport turbulencyjny ma większe znaczenie od transportu dyfuzyjnego różnych składowych atmosfery ruch turbulencyjny jest jednakowo wydajny w mieszaniu różnych gazów w atmosferze; składowe atmosfery są dobrze wymieszane Atmosfera jest jednorodna: r N2 M R d d = 0.78, r O2 = J kg gmol K 1 25

26 Czynniki kontrolujące stratyfikację i skład powietrza -3 Powyżej wysokości 100 km średnia droga swobodna staje się większa niż skala związana z ruchem turbulencyjnym ruch turbulencyjny jest silnie tłumiony poprzez dyfuzję, która staje się głownym mechanizmem transportu pionowego granica 100 km nosi nazwę homopauzy (lub turbopauzy) dyfuzja molekularna zależy od masy molowej składników; atmosfera przestaje być jednorodna 26

27 Podział atmosfery 27

28 Zmienność składu atmosfery z wysokością heterosfera homosfera 28

29 Gazy śladowe Dwutlenek węgla Para wodna Ozon Aerozole (nie tylko gazy!) 29

30 Ilość gazów śladowych Często używane Poprawne Oznacza ppm (części na milion) µmol / mol = 10-6 (micromol / mol) 1 na ppb (części na miliard) nmol / mol = 10-9 (nanomol / mol) 1 na ppt (części na bilion) pmol / mol = (pikomol / mol) 1 na

31 Gazy cieplarniane 31

32 Freony Freon (CFCl) jest nazwą handlową grupy chloro i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych używanych m.in. jako ciecz chłodząca w chłodziarkach oraz jako czynnik napoędowy w aerozolach. Słowo Freon jest zarejestrowanym znakiem handlowym należącym do koncernu DuPont. Oznaczenia Nazwa angielska Nazwa polska R-11, CFC-11 Trichlorofluoromethane trichlorofluorometan R-12, CFC-12 Dichlorodifluoromethane dichlorofluorometan 32

33 Obieg wody w atmosferze 33

34 Całkowita ilość wody w atmosferze Koncentrację pary wodnej mierzy się podając wilgotność właściwą lub procent wilgotności względnej. Średnia roczna całkowita koncentracja pary wodnej odpowiada warstwie ok. 25 mm ciekłej wody na całej powierzchni Ziemi przy założeniu że cała para wodna skondensowałaby jednorazowo. Średnia roczna opadów na całej planecie wynosi ok. 1 meter, co świadczy o bardzo szybkiej wymianie wody w atmosferze. Σ = ρdz = 0 1 g p s 0 dp = ρgdz r dp Całkowitą ilość dostępnej wody w atmosferze można wyrazić w metrach Σ = kg m ρw 2 kg m 3 = m 34

35 Para wodna 35

36 Para wodna Całkowita ilość dostępnej wody opadowej Σ = 0 1 = g ρdz p s 0 r dp dp = ρgdz 36