Физика земли (стр. 9 )

При t= +30 , E= 8.57 (1 па = = = )

При при этом

t	0	10	20
	0.0727	0.0670	0.0620

, где

Максимальная упругость водяного пара над переохлажденной водой определяется

как ,

где x =

𝜣 = 643

T = 273

A = 3,1473172

b = 0,

m = 0,

n = 18,29924

s = 82,43516

Над поверхностью льда

Содержание водяного пара в атмосфере зависит от места и времени и называется влажностью воздуха (или просто влажностью). Парциальное давление (partialis – лат. – частичный) – давление идеальной газовой смеси, которое он оказывал бы, если находился бы один в объёме всей смеси водяного пара не может превышать определенного, зависящего от температуры, значения – давление насыщенного водяного пара.

В данном объёме воздуха при данной температуре может содержаться лишь вполне определенного количества водяного пара.

2.  Максимальное количество водяного пара, которое может находиться в 1 воздуха при каждой определенной температуре, называется максимальной влажностью, или количеством насыщенного пара ()

;

.

Единица СИ []= кг/ (или г/- чаще).

Обычно же количество пара, содержащегося в воздухе, меньше .

3.  Количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 воздуха, называется абсолютной влажностью ()

Для вычисления абсолютной влажности воздуха существует формула:

, ,

где - парциальное давление пара

Т=

4. Относительная влажность, (),

Отношение абсолютной влажности 𝑓 к максимально возможной влажности , выражается в

Максимальная влажность зависит от температуры, поэтому и относительная влажность не остается постоянной, даже если абсолютная влажность остается постоянной.

5. Удельная влажность, 𝑞 (безразмерная величина)

𝑞 =

– газовая постоянная для воздуха (287.05);

R – универсальная газовая постоянная ( 8.31432).

Эмпирическая зависимость (𝑞) от z имеет вид

𝑞 = ,

;

a и b- постоянные коэффициенты, зависящие от времени года.

Время года Коэф.	зима	весна	лето	осень
a b	0.0483 0.0158	0.0941 0.0163	0.0947 0.0138	0.0905 0.0124

6. Отношение смеси,

= 0.622 ,

где ;

пара, мбар.;

Ρ – давление.

Величин а 𝑞 и mc не меняется при сжатии, расширении, нагревании и охлаждении воздуха. Ими удобно пользоваться при решении уравнения диффузии.

7. Дефицит влажности, d – разность между насыщающей упругостью водяного пара (E) в атмосфере при данных t и p и фактической упругостью пара ()

d =E- , мбар.

Поэтому параметру рассчитывают испарение, пропорциональное количеству пара, которое воздух способен поглотить.

8. Точка росы, температура, при которой пар, имеющий данную упругость (), станет насыщенным паром. Или – это такая температура, при которой начинается конденсация воды, содержащейся во влажном воздухе (образование росы).

Конденсирующийся пар выступает в виде росы на поверхности твердых тел. Если таковых недостаточно, то в присутствии центров конденсации (пыли) образуется туман. В отсутствии центров конденсации водяной пар может переохлаждаться ниже точки росы. Для насыщенного пара

𝑙= , где

= E(t)

ln φ= –=-

Величина – (дефицит точки росы)характеризует относительную влажность ().

В частности, при 0,
Большое значение для расчетов поглощения инфракрасной радиации, образования осадков и прочее имеет количество осажденной воды (Q)- количество водяного пара в (г) в вертикальном столбе воздуха сечением 1 .

Q =

Q определяют либо по аэрологическим наблюдениям, либо по ИСЗ, либо по наземным радиотеплолокационным наблюдениям полосы излучения водяного пара с 𝜆=1.35см

.

9. Измерение влажности воздуха

Для измерения относительной влажности воздуха пользуются волосными гигрометрами. В них применяются обезжиренные волоски (гигроскопические), длина которых меняется с изменением влажности.

Другой прибор для измерения атмосферной влажности воздуха - психрометр. Он состоит из 2-х одинаковых термометров, но ртутный шарик одного обернут мокрой тряпочкой. При продувке воздуха с помощью вентилятора, встроенного в прибор(механический), вода, испаряясь, охлаждает этот термометр, и он показывает более низкую температуру, чем сухой.

Разность температур служит мерой относительной влажности. Если φ=100

= 0.

Атмосферное давление и плотность.

Атмосферный воздух – смесь газов. Содержание газа в воздухе можно определить как через частичную его концентрацию, так и через парциальные давления и плотность. Парциальные (partialis – лат – частичный ) – давление идеальной газовой смеси, которое оказывал бы газ, находясь один в объёме всей смеси. Прежде, чем перейти к дальнейшему изложению материала, вспомним некоторые понятия из школьного курса физики, а так же установим обозначения величин, используемых при написании формул.

1.  Количества вещества () характеризует число структурных элементов, содержащихся в данной системе. Это могут быть атомы, молекулы, ионы, электроны и другие частицы. основных единиц СИ. Её размерность []=моль.

2.  1 моль – такое количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов сколько атомов в 12 г изотопа углерода (). В количестве вещества, равном 1 моль, содержится 6.022 структурных элементов.

,

где m – масса газа, кг;

М – молярная масса вещества(газа), ;

Молярная масса сухого воздуха 28.964;

Молярная масса влажного воздуха .

() 1А. Е.М,

где - атомная масса (вес) молекулы вещества.

Атомная масса – относительная величина. Она определяется по отношению к массе атома углерода (), которая принимается равной 12.000000. Для абсолютного определения атомной массы введена Атомная Единица Массы (А. Е.М), равная 1/12 массы атома углерода

1а. е.м.==1.6605655(86)кг

3.  молярный объем вещества

, (/моль)

где V – объем газа,

4.  – удельный объем газа

= = = ,

где – плотность газа,

Парциальное давление () и плотность вычисляются по формулам

= kT

=

где - количество молекул i газа

N = =

k = 1.3805 () – постоянная Больцмана.

Т= 273.15 – абсолютная температура.

Согласно закону Дальтону – давление смеси идеальных газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений, т. е.

=

где к – число газов в воздушной смеси. При этом отношении – концентрация смеси; – отношение смеси воздуха.

Плотность воздуха

Согласно уравнению состояния газов Клайперона (При постоянной температуре произведения давления газа на его объём - величина постоянная) т. е.

V= const.

Из курса физики известно такое соотношение:

= ,

где R =8.31432 – универсальная газовая постоянная(молярная)

– удельный объем газа

= = =

R = kNa и и Na =

Na= 6.02253 – число Авогадро (число частиц на киломоль );

=287.05 – газовая постоянная для воздуха (удельная газовая постоянная)

С учетом этих формул

При обработке результатов наблюдений ИСЗ используется формула:

г/ или 1.2555(1,

где плотность воздуха на уровне моря 1.22г/1.22 кг/;

= – средняя высота орбиты ИСЗ;

шкала высот – высота однородной атмосферы,

.

– ускорение силы тяжести на высоте .

Плотность атмосферы изменяется от 1.22г/ на уровне моря, до 4.1г/ на h=10 км до 1.9 на H=30 км, 1.2 на H= 50км, 8.8= 100км, 8 на h= 300км и 1г/ на h=1000км. То есть, её изменение идет по экспоненциальному закону.

Значения плотности атмосферы не остаются постоянными на данной высоте.

Так по результатам наблюдений ИСЗ установлено, что максимальные и минимальные значения плотности отмечают явную тенденцию повторяться с интервалом 28 дней. Вероятная причина этого – влияние Солнца: потоки заряженных частиц, выбрасываемых из возмущенных областей Солнца, летят к Земле по радиальной траектории (напоминает струю из вращающегося водяного колеса). Земля, двигаясь по орбите, попадает в такой поток частиц, которые вызывают различные возмущения в атмосфере (м. Бури и др.).

На изменения плотности влияет так же время суток более плотная атмосфера на ночной, не освещенной Солнцем, стороне Земли и менее – на дневной. Атмосфера более плотная зимой или же – летом. (Циклоны, антициклоны)

Давление воздуха.

Собственный вес столба воздуха создает атмосферное давление, которое уменьшается по мере удаления от поверхности Земли. При подъеме на каждые 8 м. атмосферное давление падает на 100 Па = 1 мбар. = 0.75 мм. рт. ст. (0,0938 мм. рт. ст./1м).

Масса столба воздуха в 1 кг давит на 1 земной поверхности и на все предметы на ней на уровне моря с силой 101.3 Па или 760 мм. рт. ст., где 1 мм. рт. ст. = 1.333224 мбар.= 133.32 Па.

Если предположить, что температура воздуха с высотой не меняется, то атмосферное давление уменьшается с высотой по экспоненциальному закону. До высот около 100км. давление (при постоянной температуре рассчитывается по формуле

, где

– атмосферное давление и плотность воздуха на уровне моря (у поверхности Земли) и на высоте (h).

– ускорение с. т. на высоте (h)

e=2.71828

Это барометрическая формула высоты. При точных вычислениях атмосферного давления следует учитывать понижение t воздуха с высотой. Для высот до 11000 м. (тропосфера) следует пользоваться международной формулой

h в км, 288 = 273.+15;

101.305кПа и 15 - нормальные среднегодовые значения давления и температуры воздуха на уровне моря.

С высоты давление меняется так (в мм. рт. ст.)

На Hкм = 0 – 760 мм. рт. ст. Hкм=100км – 4.4мм. рт. ст.

5 – – 3.8

10 – – 1.5

20 –– 7.5

70 – 0.06

Для каждой местности нужно знать нормальное значение атмосферного давления, относительно каждого (по повышению или понижению) судят об изменениях в погоде. Его можно рассчитать по формуле:

= 760(1- )

Так для местности с = 0.2 км =742.2 мм. рт. ст.

= 0.1 км = 751.0 мм. рт. ст.

На всю поверхность площадью S= 4 действует сила S. Первоисточник этой силы ускорение силы тяжести ,

6371км, = 760 мм. рт. ст.

По второму закону Ньютона = m , отсюда масса атмосферы

= = 5.2кг.

1 мм. рт. ст. = 133.3224 Па = 1.332224 мбар.

1 Па = = =

1 дж =

1 атм = 1.01325 бар = 101,325 кПа

Уравнение состояния воздуха.

а) Для сухого воздуха

M = = 28.964 кг/к

Согласно уравнению Клайперона pv =RT

= = = 287.05 (14.1)

= при t=0 и p = 1013.250 мбар.(760 мм. рт. ст.)

1.2929 кг/

б) Для влажного воздуха (парообразного)

M = моль

= 461.51 (14.2)

Выражения (14.1) и (14.2) позволяют вычислить плотность влажного воздуха как плотностей , т. е.:

+ = = (1-0.378)

По малости отношение l/p и с учетом v= получим:

p – влажный воздух.

Объединив переменные и в одну, называемую виртуальной температурой, получим: