Zemlja in njeno ozračje Pojavi v ozračju se dogajajo na zelo različnih časovnih in prostorskih skalah Prostorska skala Pojav 1 cm Turbulenca, sunki vetra 1 m 1 km 10 km 100 km 1000 in več km Tornadi Poplave, nevihte Obalna cirkulacija Nevihtne linije, orkani Fronte, cikloni/anticikloni
Dimenzije gibanj v ozračju
Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje - 99% zraka je v spodnjih 30 km - Povprečni radij je 6370 km Pogled iz vesoljske ladje
Ozračje je zelo tanka ovojnica okoli Zemlje Se pravi, debelina ozračja je 30 km / 6370 km = 0.5% radija zemlje Vprašanja: 1. Kako debelo bi bilo ozračje, če bi bila Zemlja nogmetna žoga? 2. Kaj zadržuje ozračje pri Zemlji?
Sestava ozračja Permanentni (stalni) plini Plin Simbol Volumens ki delež % Pomembnost Dušik N 2 78.08% biosfera Kisik O 2 21% Dihamo ga! Argon Ar 0.9% majhna Do približno 10 km višine so stalni med seboj dobro premešani (razmerje približno stalno) Masni delež=volumenski delež M i /M (M=molska masa, v povprečju na morskem nivoju okoli 29 kg/kmol; M i =molekulska masa)
Plini s spreminjajočim se deležem Sestava ozračja Plin Simbol Vol. % ( 10 6 =ppmv) Pomembnost Vodna para H 2 O 0-4 Povzroča vremenske pojave, toplotni transport, toplogredni plin Ogljikov dioksid (narašča) CO 2 0.038 Toplogredni plin, biosfera (fotosinteza) Metan (narašča) CH 4 0.00017 Toplogredni plin Di-dušikov oksid N 2 O 0.00003 Toplogredni plin, Ozon O 3 0.000004 Ozonski sloj (koristen) Delci (aerosol) 0.000001 Nastanek oblakov, energetska bilanca Zemlje, vulkanski izbruhi ppmv=volumski delež na milijon delov zraka
Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: ρ - gostota, - tlak, p - temperatura, T Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin: pv = mrt Splošna plinska enačba za suh zrak p = ρrt
Vertikalna struktura ozračja Običajne meteorološke spremenljivke za opis statične atmosfere: ρ - gostota, - tlak, p - temperatura, T Začetna točka za opis statičnega ozračja je termična enačba stanja za idealni plin: pv = mrt Splošna plinska enačba za suh zrak p = ρrt
Vertikalni profil temperature V ozračju obstajajo sloji, v katerih se temperatura znižuje ali narašča z višino. - Troposfera - Stratosfera - Mezosfera - Termosfera - Ionosfera
Troposfera - Od tal do 10-12 km - T se zmanjšuje z višino, približno 6.5 o C na 1 km. - Nad troposfero se nadaljuje tropopauza, ki jo loči od stratosfere - Home za vreme, kako ga poznamo - Zgornja troposfera vsebuje vetrovne stržene (jet streams) - Višja poleti kot pozimi (povprečna višina ~ povprečni T) Višina (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 tropopauza vetrovni stržen -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Temperatura ( o C)
Tropopauza kot pokrov Primer: oblak z obliko nakovala ( anvil cloud )
Stratosfera - Od tropopause do ~50 km višine - Vsebuje ozonski sloj, predvsem med 20-30 km višine - Temperatura narašča z višino: Ozon absorbira UV sevanje, ki ogreva stratosferske sloje zraka - Sloj inverzije = sloj, v katerem temperatura narašča z višino Višina (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 stratopauza ozonski sloj UV sevanje O 2 +O+toplota tropopauza vetrovni stržen -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Temperatura ( o C)
Mezosfera - Med stratopauso in mezopauzo - Temperatura pada z višino Višina (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 stratopauza toplo 30 ozonski sloj 20 mrzlo tropopauza 10 vetrovni stržen toplo -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Temperatura ( o C) mezopauza UV sevanje O 2 +O+toplota
Termosfera - Nad mezosfero - Temperatura ponovno narašča z višino zaradi direktne absorpcije sončnega sevanja povezane z procesoma fotoionizacije in fotodisociacije Višina (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 mrzlo Termosfera stratopauza toplo 30 ozonski sloj 20 mrzlo tropopauza 10 vetrovni stržen toplo -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Temperatura ( o C) mezopauza UV sevanje O 2 +O+toplota
Porazdelitev glede na sestavo Homosfera: N 2 in O 2 sta enakomerno zmešana Heterosfera: N 2 in O 2 nista enakomerno zmešana Višina (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Termosfera Mezosfera Stratosfera tropopauza Troposfera -100-80 -60-40 -20 0 20 40 60 Temperatura ( o C) HETEROSFERA HOMOSFERA menopauza stratopauza
Ionosfera - Naelektren sloj v zgornji atmosferi - Vsebuje pomembne koncentracije ionov in elektronov - Pomembno za širenje radiovalov
Vertikalni profil gostote Gostota = masa / volumen (kg/m 3 ) Gostota zraka se zmanjšuje z višino. Vprašanje: Zakaj je več molekul zraka pri tleh kot na večjih višinah? Masa ozračja znaša okoli 5.3 x 10 18 kg.
Vertikalni profil tlaka Tlak= Sila / Površina Stolpec zraka površine 1 m 2 ki sega od tal do vrha ozračja. Teža = masa x težnostni pospešek stolpca znaša okoli 100 kn (ekvivalentno 10.3 ton pri tleh). Sledi, tlak na nivoju morja je sila/površina = 1013.25 hpa Vprašanje: Kdo deluje na tla z večjim pritiskom: 2 toni težek slon na eni nogi s površino stopala 20x20 cm ali 55 kg težka ženska ki stoji na eni nogi v čevljih z visokimi petami kjer ima peta na čevlju površino 2x2 cm? 1 m 1 m
Vertikalni profil tlaka Tlak zraka se zmanjšuje z višino, podobno kot gostota. Tlak stolpca, ki sega od tal do vrha ozračja, je na nivoju morja 1013.25 hpa. Kolikšna pa je masa zraka v stolpcu nad 1 m 2? Kolikšna je masa zraka v zgornji polovici stolpca nad 500 hpa? 1 hpa = 1 mb
Standardna atmosfera po ICAO R = 287 J/kg g 0 =9.80665 m/s2 R Z = 6370,95 km T Γ z = 6.5 K km Konstanten od nivoja morja do ~10.8 km višine Morski nivo: p 0 = 1013.25 hpa, T 0 = 288.15 K, q 0 = 1.225 kg/m3