 |
Тепловой баланс Земли через Атмосферу
|
|
|
|
Уравнение Т. б. атмосферы имеет вид: Ra + Lr + P + Fa = D W. Т. б. атмосферы слагается из её радиационного баланса R a; прихода или расхода тепла Lr при фазовых преобразованиях воды в атмосфере (г — сумма осадков); прихода или расхода тепла Р, обусловленного турбулентным теплообменом атмосферы с земной поверхностью; прихода или расхода тепла F a, вызванного теплообменом через вертикальные стенки столба, который связан с упорядоченными движениями атмосферы и макротурбулентностью. Кроме того, в уравнение T. б. атмосферы входит член DW, равный величине изменения теплосодержания внутри столба.
Табл. 2. — Тепловой баланс атмосферы, ккал/см 2 год
| Широта, градусы | R a | L r | P | F a | |||
| 70—60 северной широты 60—50 50—40 40—30 30—20 20—10 10—0 0—10 южной широты 10—20 20—30 30—40 40—50 50—60 Земля в целом | —70 —60 —60 —69 —82 —83 —76 —74 —76 —74 —71 —64 —57 —72 | —4 —2 —48 —24 —9 —6 —9 |
Изменение концентрации газа с высотой
Чем определяется стабильность атмосферы?
Сравним энергию гравитационного притяжения молекулы с массой m/NA с ее средней кинетической энергией kT. Гравитационная энергия равна Gmm/NAR, где
G – гравитационная постоянная, m – масса планеты, m - молекулярная масса газа NA - число Авогадро, R - радиус планеты.
Для сравнения возьмем параметр x = Gmm/NAkT, равный отношению этих энергий.
Если отношение окажется малым, то газ с молекулярной массой m вообще не сможет оказаться в атмосфере, — он будет очень быстро улетучиваться с планеты в космос.
Для существования стабильной, мощной атмосферы отношение x = Gmm/NAkT должно быть значительно больше единицы.
|
|
|
Величина x, как нетрудно видеть, есть отношение квадратов первой космической скорости планеты к тепловой скорости молекул. Это отношение для Земли при m = 1 (для атомарного водорода) равно 30.
Ускорение земного тяготения не только создает давление атмосферы у поверхности. Оно же препятствует разлету атмосферных газов в космическое пространство. Сравним скорости молекул разных газов при температуре 300К со второй космической скоростью Земли v2=(2gRÅ)0,5 = 11,2 км/с.
Если тепловая скорость молекул газа v ~(kT/m) окажется близкой ко второй космической скорости, то этот газ в атмосфере не удержится.
Оказывается, тепловая скорость молекул водорода равна 1,1 км/с, молекул гелия — 0,8 км/с, средняя скорость молекул азота и кислорода близка к 0,3 км/с.
Скорости газов оказались меньше второй космической скорости, но на самом деле газы атмосферы все же улетучиваются в космос, только очень медленно. Происходит это потому, что в высоких слоях атмосферы температура достигает 1200 К. Это означает, что скорости молекул там в два раза больше, чем по сделанным оценкам. К тому же были оценены только средние скорости молекул.
Альбедо. Определение и некоторые цифры.
Альбедо – коэффициента отражения атмосферы. Доля отраженной световой энергии называется альбедо и обозначается А. Это латинское слово происходит от albus — «белый». Альбедо — это как бы степень белизны.
А – это отношение плотности потока радиации, диффузно отраженной от поверхности тела, к плотности потока радиации, падающей на него.
Точность, с которой нам известно альбедо нашей собственной планеты, до последнего времени была невелика. Считалось, что Земля отражает в космос от 30 до 40 % падающего на нее света. Последние измерения со спутников дали значение альбедо, равное 28 %.
Альбедо определяется свойствами и состоянием поверхности и зависит от высоты Солнца.
|
|
|
Альбедо снежного покрова при безоблачной погоде меняется в пределах 52-99%.
Альбедо травяного покрова зависит от густоты, цвета, сочности травы и меняется от 12 до 28%.
Альбедо почвы составляет 8- 26% (белый песок до 40%).
Альбедо водной поверхности еще меньше. Альбедо океанов и морей при сплошной облачности 6-8%.
Для наземных водоемов 7-16%.
Экваториальная конвекция.
Экваториальная конвекция – причина глобальных ветров.
Причиной переноса воздушных масс в атмосфере является конвекция: теплый воздух из экваториальных областей Земли поднимается и перемещается в полярные области, охлаждаясь и опускаясь вниз. Из-за поднятия воздуха вблизи экватора там верхняя граница тропосферы выше – около 17 км. Это почти вдвое больше, чем у полюсов.
Над океаном ветер значительно сильнее, чем над сушей. Интересна вторая оценка: она определяет характерное время изменения погоды.
Действительно, на высотах около 10 км ветры дуют примерно со скоростями 100м/с.
Из-за вращения Земли и в Северном, и в Южном полушариях верхний ветер отклоняется в восточном, а нижний – в западном направлении.
 |
На воздушные массы, движущиеся со скоростью v, действует сила Кориолиса
Fк= 2mωsinφ,
где ω – угловая скорость вращения Земли, φ- широта местности. На рисунке
показан характер отклонения высотных ветров под действием
этой силы (λ – долгота местности).
 |
Действие силы Кориолиса на высотные ветры Северного и Южного полушарий Земли.
|
|
|
