Aτµόσφαιρα Σηµείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιµέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειµένων σύµφωνα µε τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστηµονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραµ- µάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδηµαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΣΠOY EΣ ΣTIΣ ΦYΣIKEΣ EΠIΣTHMEΣ Θεµατική Ενότητα ΠΛANHTHΣ ΓH Τόµος ' Aτµόσφαιρα XPHΣTOΣ ZEPEΦOΣ Kαθηγητής Tµήµατος Γεωλογίας Eθνικού και Kαποδιστριακού Πανεπιστηµίου Aθηνών ΠATPA 2003
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΣΠOY EΣ ΣTIΣ ΦYΣIKEΣ EΠIΣTHMEΣ Θεµατική Ενότητα ΠΛANHTHΣ ΓH Τόµος ' Aτµόσφαιρα Συγγραφή XPHΣTOΣ ZEPEΦOΣ Kαθηγητής Tµήµατος Γεωλογίας Eθνικού και Kαποδιστριακού Πανεπιστηµίου Aθηνών Κριτική Ανάγνωση XPHΣTOΣ PEΠAΠHΣ ιευθυντής στο Kέντρο Eρευνών Φυσικής της Aτµόσφαιρας και Kλιµατολογίας της Aκαδηµίας Aθηνών Ακαδηµαϊκός Υπεύθυνος για την επιστηµονική επιµέλεια του τόµου ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΑΡΜΑΡΑΣ Kαθηγητής Tµήµατος Bιολογίας Πανεπιστηµίου Πατρών Επιµέλεια στη µέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση POZITA TΣEΛEΠH Γλωσσική Επιµέλεια EYPY IKH ΠAΪZH Τεχνική Επιµέλεια EΣΠI EK OTIKH E.Π.E. Καλλιτεχνική Επιµέλεια, Σελιδοποίηση TYPORAMA Συντονισµός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιµέλεια των εκδόσεων ΟΜΑ Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / 1997 2003 ISBN: 960 538 247 4 Kωδικός Έκδοσης: ΦYE 42/4 Copyright 2003 για την Ελλάδα και όλο τον κόσµο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, 26222 Πάτρα Τηλ: 2610 314094, 314206 Φαξ: 2610 317244 Σύµφωνα µε το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασµατική αναδηµοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του µε οποιοδήποτε µέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.
ÂÚÈÂ fiìâó K º π 1 ÔÌ Î È ÛÙ ÛË ÙË AÙÌfiÛÊ ÈÚ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 11 1.1 Σύντοµη ιστορική εισαγωγή... 13 1.2 H κατακόρυφη κατανοµή της πίεσης και της θερµοκρασίας του αέρα... 16 1.3 O διαχωρισµός της ατµόσφαιρας σε περιοχές... 21 1.4 H µάζα και το πάχος της ατµόσφαιρας... 27 1.5 Γενικότερες µορφές της υδροστατικής εξίσωσης... 29 1.6 Προέλευση και εξέλιξη της σύστασης της ατµόσφαιρας της Γης... 31 Aσκήσεις... 38 Σύνοψη... 40 Bιβλιογραφία... 41 K º π 2 AÏÏËÏÂapple Ú ÛË ÙË AÎÙÈÓÔ ÔÏ Î È ÙË AÙÌfiÛÊ ÈÚ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 43 2.1 Nόµοι της ακτινοβολίας του µέλανος σώµατος... 45 2.2 Eνεργός θερµοκρασία... 48 2.3 Aπορρόφηση της ηλιακής και της γήινης ακτινοβολίας από την ατµόσφαιρα και το φαινόµενο του θερµοκηπίου... 50 2.4 Θεωρία του Champan και η υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία... 54 2.5 Eισαγωγή στο στρώµα του όζοντος... 58 2.6 Mηχανισµοί παραγωγής και καταστροφής του όζοντος... 59 2.7 H αραίωση του όζοντος στην Aνταρκτική και σε άλλες περιοχές... 62 2.8 H απορρόφηση ακτινοβολιών από το όζον και η σηµασία της... 68
6 A ª º πƒ 2.9 Παγκόσµια ηµέρα για τη διατήρηση του στρώµατος του όζοντος και το Πρωτόκολλο του Mόντρεαλ... 70 2.10 Φυσική της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα... 73 2.11 H υπεριώδης ηλιακή ακτινοβολία στην ανώτερη ατµόσφαιρα... 78 2.12 Xρησιµοποίηση της επανασκεδαζόµενης από τη Γη προς το διάστηµα υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας στην εκτίµηση των συγκεντρώσεων διαφόρων ατµοσφαιρικών αερίων από τους δορυφόρους... 83 2.13 Aπορροφητικότητα, ανακλαστικότητα και διαπερατότητα µονοχρωµατικής ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα... 85 2.14 Σχέση µεταξύ της µεταβολής της θερµοκρασίας κατά την κατακόρυφη διεύθυνση και του φάσµατος εκποµπής της ατµόφαιρας στο υπέρυθρο... 88 Παράρτηµα ενότητας 2.1... 91 Παράρτηµα ενότητας 2.2... 92 Aσκήσεις... 95 Σύνοψη... 97 Bιβλιογραφία... 98 K º π 3 P apple ÓÛË ÙË AÙÌfiÛÊ ÈÚ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 99 3.1 Eυστάθεια της ατµόφαιρας και η αδιαβατική θερµοβαθµίδα... 101 3.2 υναµική θερµοκρασία και το αδιαβατικό διάγραµµα... 104 3.3 Tαξινόµηση των θερµοκρασιακών αναστροφών... 108 3.4 Tοπικά συστήµατα αύρας... 112 3.5 Mετεωρολογικό ύψος αναµείξεως... 116 3.6 Aέριοι ρύποι... 118 3.7 Aιωρούµενα σωµατίδια... 123 3.8 Προγράµµατα ελέγχου της ατµοσφαιρικής ρύπανσης... 124
EPEXOMENA 7 3.9 Στοιχεία από τη Φυσική του πυκνωτή ιονόσφαιρα Γη... 125 3.10 Tο ηλεκτρικό πεδίο του πυκνωτή ιονόσφαιρα Γη... 127 Aσκήσεις... 132 Σύνοψη... 134 Bιβλιογραφία... 135 K º π 4 AÙÌÔÛÊ ÈÚÈÎ AÓ Ù Ú ÍÂÈ Î È ÙÔÈ Â applefi ÙË È ÛË ÙˆÓ A ÚÈˆÓ P appleˆó Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 136 4.1 Mοριακό ιξώδες και στρωτή ροή... 139 4.2 Tυρβώδης ροή και το ιξώδες των στροβίλων... 143 4.3 Yπολογισµός της στροφής του ανέµου στο οριακό στρώµα της ατµόσφαιρας... 149 4.4 Tο κριτήριο του Richardson για την τυρβώδη ροή... 151 4.5 ιάχυση κατά Fick και η θεωρία των K... 153 4.6 O θύσανος διαχύσεως αδρανούς αέριου ρύπου από σηµειακή πηγή συνεχούς εκποµπής... 155 4.7 ιασπορά του καπνού από καµινάδα σε διάφορες συνθήκες περιβάλλοντος... 160 4.8 ιάχυση, καθίζηση και απόπλυση σωµατίων στην ατµόσφαιρα... 164 Παράρτηµα 4.1... 166 Aσκήσεις... 167 Σύνοψη... 169 Bιβλιογραφία... 170 K º π 5 H AÙÌfiÛÊ ÈÚ Û K ÓËÛË Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 171
8 A ª º πƒ 5.1 H εξίσωση της κίνησης... 172 5.2 Eιδικά συστήµατα συντεταγµένων... 175 5.3 Eνεργειακές εξισώσεις... 179 5.4 Γεωστροφική ροή Γεωδυναµικό... 182 5.5 Aπόσταση µεταξύ ισοβαρικών επιφανειών Θερµικός άνεµος... 185 5.6 Zωνική ροή... 190 5.7 H εξίσωση της συνέχειας... 193 5.8 Mέθοδος των διαταραχών Kύµατα βαρύτητας... 196 5.9 Aτµοσφαιρικά κύµατα βαρύτητας... 200 5.9.1 H εξίσωση διασποράς και η συχνότητα Brunt Vaisala... 200 5.9.2 H δηµιουργία και διάδοση των κυµάτων βαρύτητας... 203 5.10 Mακρά ή πλανητικά ατµοσφαιρικά κύµατα... 209 Aσκήσεις... 215 Σύνοψη... 216 Bιβλιογραφία... 217 Aπαντήσεις Aσκήσεων Aυτοαξιολόγησης... 219 Eνδεικτικές Aπαντήσεις ραστηριοτήτων... 229 Eυρετήριο συµβόλων... 233 Aλφαβητικό ευρετήριο... 241 Φυσικές σταθερές... 251
Αντί προλόγου Το ατµοσφαιρικό περιβάλλον του πλανήτη Γη αποτελεί το απαραίτητο προστατευτικό περίβληµα για τη διατήρηση της ζωής στον πλανήτη µας. Τόσο η σύσταση όσο και οι διάφορες φυσικές παράµετροι που χαρακτηρίζουν την ατµόσφαιρα, όπως π.χ. η θερµοκρασία του αέρα στο έδαφος, αλλάζουν µε τα χρόνια. Οι αλλαγές αυτές άλλοτε είναι περιοδικές και άλλοτε όχι. Άλλοτε εξελίσσονται αργά και άλλοτε γρήγορα και µερικές φορές βίαια. Τις τελευταίες δεκαετίες τα µεγάλα προβλήµατα του ατµοσφαιρικού περιβάλλοντος, όπως η αραίωση του στρώµατος του όζοντος, το φαινόµενο του θερµοκηπίου και το «νέφος» των µεγαλουπόλεων, βρίσκονται στο προσκήνιο και σε έξαρση. Ο άνθρωπος έµαθε από τα λάθη του πολλά για το ατµοσφαιρικό του περιβάλλον. Και αυτό γιατί συνεχώς δηµιουργεί προβλήµατα σ αυτό, τα οποία καλείται στη συνέχεια να αντιµετωπίσει. Πολλά από αυτά τα προβλήµατα περιγράφονται σε αυτό το βιβλίο µαζί µε τις απαραίτητες γνώσεις για την κατανόηση των φυσικών και χηµικών διεργασιών που διέπουν τις βασικές λειτουργίες του ατµοσφαιρικού περιβάλλοντος. Το βιβλίο αυτό, µε τίτλο «Ατµόσφαιρα», γράφτηκε για το Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήµιο και στηρίζεται κυρίως στις πανεπιστηµιακές µου παραδόσεις του µαθήµατος «Εισαγωγή στη Φυσική της Ατµόσφαιρας» που δίδαξα τα τελευταία 23 χρόνια στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω και από τη θέση αυτή τους κ. Χρήστο Ρεπαπή, Αλέξιο Λυκουργιώτη και την κ. Ροζίτα Μαρία Τσελεπή για τις εύστοχες υποδείξεις τους, καθώς και τις κυρίες Σέτα Γαζεριάν και Ευαγγελία Λυµπεροπούλου για την άοκνη επιµέλεια και τη γραµµατειακή υποστήριξη. Τέλος, ευχαριστώ εκ των προτέρων τον καινούργιο αναγνώστη από τον οποίο πάντα περιµένω εποικοδοµητικά σχόλια που θα συµβάλουν στη δυναµική βελτίωση αυτού του έργου στα ενδιαφέροντα χρόνια που έρχονται. Χρήστος Σ. Ζερεφός Καθηγητής Eθνικού και Kαποδιστριακού Πανεπιστηµίου Aθηνών