Πληροφορίες σχετικές με το μάθημα Διδάσκοντες: Αλκιβιάδης Μπάης, Καθηγητής Δημήτρης Μπαλής, Επίκ. Καθηγητής Γραφείο: 2 ος όρ. ανατολική πτέρυγα Γραφείο: Δώμα ΣΘΕ. Είσοδος από τον 4 ο όροφο δυτική πτέρυγα μέσα από τον φωταγωγό Βιβλία: Εισαγωγικά μαθήματα στη Φυσική της Ατμόσφαιρας, Χ. Ζερεφού Παπασωτηρίου 2008 Γενική Μετεωρολογία, Χ. Σ. Σαχσαμάνογλου, Τ. Ι. Μακρογιάννη ΖΗΤΗ 1998 Σημειώσεις: Διαφάνειες από τις παραδόσεις στο Iteret: http://lap.physics.auth.gr Σύνδεσμοι: Εκπαίδευση Προπτυχιακό Εισαγωγή στη Φυσική της Ατμόσφαιρας Ασκήσεις: Ασκήσεις στην ύλη των κεφαλαίων θα γίνονται κατά τη διάρκεια των παραδόσεων Παραδόσεις: Παρασκευή 10-12 π.μ. Τετάρτη 3-4 μ.μ. Α31 Η παρακολούθηση των παραδόσεων βοηθά στην κατανόηση των θεμάτων και στην αξιολόγηση της σημαντικότητάς τους Εξετάσεις: Τα θέματα των εξετάσεων είναι συνήθως 4. Περιλαμβάνουν συνήθως και μία άσκηση παρόμοια με αυτές που επιλύθηκαν κατά τις παραδόσεις. Εξετάζεται η κατανόηση των βασικών αρχών του μαθήματος Δεν εξετάζονται μακροσκελείς αποδείξεις σχέσεων Αποθαρρύνεται η «παπαγαλία» Οι ασκήσεις βασίζονται σε βασικές σχέσεις που έχουν συζητηθεί στο μάθημα και επιλύονται εύκολα Πριν αρχίσετε να απαντάτε ένα θέμα, σιγουρευτείτε ότι κατανοήσατε το ζητούμενο Επιτυχημένο θεωρείται ένα γραπτό όταν: Οι απαντήσεις είναι ακριβείς και συνοπτικές (επάνω στο ερώτημα και όχι σε όλη τη σχετική παράγραφο) Η λύση των ασκήσεων καταλήγει σε αποτέλεσμα και με σωστές μονάδες (έλεγχος ορθότητας λύσης) Οι σχέσεις συνοδεύονται από επεξήγηση των συμβόλων Τα σχήματα είναι ευκρινή, με άξονες και κλίμακες Ένα φροντισμένο και ευκρινές γραπτό προδιαθέτει θετικά τον βαθμολογητή 1
Εισαγωγή Στόχος του μαθήματος: Μελέτη της ατμόσφαιρας και των βασικότερων ατμοσφαιρικών διεργασιών ώστε να μπορούμε να εξηγήσουμε τα κυριότερα ατμοσφαιρικά φαινόμενα και να κάνουμε απλούς υπολογισμούς ατμοσφαιρικών παραμέτρων. Η ατμόσφαιρα δεν είναι ουδέτερη (παρόλο το Ν 2 ) ούτε αδρανής - είναι ένας ζωντανός οργανισμός Χαρακτηρίζεται από: σύσταση, δομή, φυσικοχημικές ιδιότητες Αλληλεπιδράσεις και διεργασίες: Ατμόσφαιρα Ήλιος, Ωκεανοί, Ξηρά, Βιόσφαιρα (δάση, ζώντες οργανισμοί) Ανταλλαγές ενέργειας (θέρμανση από απορρόφηση ακτινοβολίας, επαφή με το έδαφος, επαφή με τους ωκεανούς, εξάτμιση, υγροποίηση, βροχή ψύξη, κίνηση, χημεία, ηλεκτρισμός) Χημικές διεργασίες (διάσπαση μορίων-ενώσεων, σύνθεση μορίων-ενώσεων, εξαρτώμενες από τις συνθήκες και από τα μέσα) Φυσικές διεργασίες (υγροποίηση Η 2 Ο, νέφη, βροχή, πάγος, κίνηση μαζών) Δυναμικές διεργασίες (περιστροφή της γης, κυκλοφορία του αέρα, κύματα) Βαρύτητα (συμπιέζει την ατμόσφαιρα, εμποδίζει τη διαφυγή της) Στρωματωμένη δομή (επιφέρει κυρίως οριζόντιες κινήσεις) Συμπιεστότητα του αέρα (μεταβολή του όγκου και της συγκέντρωσης) Συνδυασμός όλων των μηχανισμών περίπλοκο σύστημα Γεωφυσικά μεγέθη σχετικά με την ατμόσφαιρα: Ατμοσφαιρική πίεση, θερμοκρασία, πυκνότητα, υγρασία, άνεμος, δυναμική θερμοκρασία, ροή ακτινοβολίας, φασματική ροή ακτινοβολίας, ατμοσφαιρικά κύματα, κ.α. Ύλη του μαθήματος: Δομή και σύσταση της ατμόσφαιρας (ατμοσφαιρική θερμοδυναμική) Διάδοση της ακτινοβολίας (ηλιακή και γήινη) Δυναμική της Ατμόσφαιρας Φυσική του στρώματος το όζοντος 2
Εργαλεία: Σφαιρική γή (φ, λ, z) Μετασχηματισμός dφ, dλ d, dy Γραφική απεικόνιση παραμέτρων: Δύο διαστάσεων (π.χ. μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος) Τριών διαστάσεων (π.χ. κατανομή της θερμοκρασίας σε κάποιο ύψος κατά γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος, φασματική ακτινοβολία μέλανος σώματος για διαφορετικές θερμοκρασίες) Γραφική απεικόνιση διακεκριμένων τιμών (με σύμβολα) έναντι απεικόνισης συνάρτησης (συνεχής καμπύλη) Λογαριθμική κλίμακα όταν έχουμε μεγάλο εύρος διακυμάνσεων σε μία μεταβλητή (π.χ. φάσματα, Ι = Ι ο ep(τm); πυκνότητα του αέρα με πίεση Η μεταβολή (σχετική) ενός μεγέθους μεταξύ δύο καταστάσεων εκφράζεται με λόγο ή εκατοστιαία μεταβολή και όχι με διαφορά T1 Τ Τ 1 2 (π.χ. ή *100) T Τ 2 1 Ολοκλήρωμα συνάρτησης (π.χ. Ολοκλήρωμα πυκνότητας του αέρα με το ύψος επιφανειακή πυκνότητα Ολοκλήρωμα φασματική ροής ακτινοβολίας με το μήκος κύματος ολική ροή ακτινοβολίας) Παράγωγος συνάρτησης (τοπική μεταβολή ενός μεγέθους ως προς άλλο) d Τ (π.χ. Μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος σε κάποιο δεδομένο ύψος ) dz ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ Κατανόηση όλων των μηχανισμών που διέπουν την ατμόσφαιρα Παραμετροποίηση των μηχανισμών αυτών Ανάπτυξη μοντέλων προσομοίωσης της ατμόσφαιρας Δυνατότητα πρόβλεψης της μελλοντικής ατμόσφαιρας 3
Διάγραμμα δύο διαστάσεων 100 80 ΥΨΟΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ (km) 60 40 20 0 180 200 220 240 260 280 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΕΡΑ (Κ) Διάγραμμα τριών διαστάσεων 4
Διαγράμματα χωρικής μεταβολής μιας παραμέτρου Κλίμακα Θερμοκρασίας Αέρα (Κ) Θερμοκρασία του Αέρα (Κ) 5
Χρησιμότητα λογαριθμικών αξόνων 0.8 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [W m -2 m -1 ] 0.6 0.4 0.2 0 280 300 320 340 360 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ [m] 1 ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [W m -2 m -1 ] 0.1 0.01 0.001 0.0001 1E-005 1E-006 280 300 320 340 360 ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ [m] 6
Έκφραση της ποσότητας των συστατικών στην ατμόσφαιρα Συγκέντρωση (κατά μάζα) ή πυκνότητα (ρ): Ο λόγος της μάζας (π.χ. g, mg, μg, κ.λ.π.) ενός συστατικού X σε δεδομένο όγκο (π.χ. m 3, cm 3, litre, κ.λ.π.) προς τον όγκο αυτό (π.χ.g m -3, mg cm -3, kg litre -1, κ.λ.π.) m ρ = V Αναλογία μίγματος (C ): Ο αριθμός των mole ενός συστατικού X ανά mole αέρα, ή ο λόγος του όγκου του συστατικού προς τον όγκο του αέρα. C = όπου: είναι τα mole του συστατικού X, air είναι το σύνολο των mole του αέρα C C C ppm 6 ( ) = 10 1 ppm = 1 μmol/mol air ppb 9 ( ) = 10 1 ppb = 1 mol/mol air ppt 12 ( ) = 10 1 ppt = 1 pmol/mol air * Η αναλογία μίγματος ενός αερίου δεν μεταβάλλεται όταν αλλάζουν η πίεση ή η θερμοκρασία (π.χ. σε ένα μπαλόνι με αέριο που ανεβαίνει η πίεση και θερμοκρασία αλλάζουν, όμως το C παραμένει σταθερό) Αναλογία μίγματος επί τοις εκατό = C %X air m C% = 100% m όπου: m είναι η μάζα του συστατικού X σε συγκεκριμένο όγκο, m air είναι η μάζα του αέρα στο ν ίδιο όγκο air 7
Αριθμητική πυκνότητα (N): Ο αριθμός των μορίων ενός συστατικού Χ ανά μονάδα όγκου αέρα (μόρια cm -3 ). N N V = A air 8