Budowa atmosfery

1

Dział 1: Budowa atmosfery. Ciśnienie i temperatura.

Pochodzenie i ewolucja atmosfery ziemskiej. Budowa atmosfery: podział na warstwy ze
względu na: przebieg temperatury, skład chemiczny, własności elektromagnetyczne i
dynamiczne. Ozonosfera. Temperatura - stosowane w meteorologii skale, pomiary
temperatury. Ciśnienie - jednostki, przyrządy pomiarowe. Równanie stanu powietrza suchego.
Statyka atmosfery: równanie hydrostatyki, stopień baryczny, formuły barometryczne.

Pochodzenie i ewolucja atmosfery ziemskiej

Atmosfera pierwotna
Powstała w okresie formowania Ziemi. Prawdopodobna zawartość: wodór, hel, związki
wodoru - metan i amoniak. Zanik atmosfery wskutek ucieczki gazów pierwotnych.
Atmosfera wtórna
Powstała po uformowaniu skorupy ziemskiej, ok. 4.4 mld lat temu. Powstała wskutek
uwalniania pary wodnej (85%), dwutlenku węgla (10%) i azotu (amoniak) z wnętrza Ziemi
(działalność wulkaniczna). Gęsta atmosfera o silnym efekcie szklarniowym, średnia
temperatura szacowana na ok. 70 C.
Stygnięcie atmosfery – kondensacja pary wodnej, powstanie oceanów.
Powstanie tlenu - fotodysocjacja pary wodnej wskutek promieniowania UV, fotosynteza

Budowa atmosfery

Skład chemiczny:
homosfera (do ok. 80-100 km)
heterosfera
Temperatura:
troposfera (do ok. 10 km)
stratosfera (10-50 km)
mezosfera (50-80 km)
termosfera
egzosfera (powyżej 500 km)
Własności elektryczne i magnetyczne
jonosfera (80-900 km)
magnetosfera
Własności dynamiczne
warstwa graniczna: do ok. 1-3 km, powyżej atmosfera swobodna

Skład chemiczny homosfery (do wysokości ok. 80 – 100 km)

Gazy o stałym udziale

Gazy o zmiennym udziale

Masa
cząst.
[g/mol]

Zawartość
[% obj]

Masa cząst.
[g/mol]

Zawartość
[% obj]

Azot (N

2

)

28.013

78.08

Para wodna (H

2

O)

18.015

0 – 4

Tlen (O

2

)

31.999

20.95

Dwutlenek węgla (CO

2

)

44.01

0.0360

Argon (Ar)

39.948

0.93

Metan (CH

4

)

16.043

0.00017

Neon (Ne)

20.183

0.0015

Ozon* (O

3

)

47.998

0.000003-
0.001

Hel (He)

4.003

0.0005

Tlenek węgla* (CO)

28.01

0.00002

Krypton (Kr) 83.80

0.0001

Dwutlenek siarki* (SO

2

) 64.06

0.000002

Ksenon (Xe) 131.30

0.000005

Dwutlenek azotu* (NO

2

) 46.00

0.000002

*

średnie wartości w obszarach zanieczyszczonych

Meteorologia

Łobocki

Budowa atmosfery

2

Ozonosfera

•

Produkcja ozonu: max. na wys. 25 km

•

100

×

większe stężenia ozonu niż przy powierzchni Ziemi

•

90% całego ozonu atmosferycznego znajduje się w stratosferze

•

Absorbuje promieniowanie UV i podczerwień w paśmie ok. 10

µ

m

•

Absorpcja promieniowania UV powoduje znaczny wzrost temperatury w stratosferze

•

Znaczenie biologiczne: ochrona przed mutagennym działaniem promieniowania UV

•

Stężenie ustalane wydajnością procesów tworzenia i rozpadu ozonu:

O

2

+ O

→

O

3

O

3

+ uv

→

O

2

+ O

O

3

+ O

→

2O

2

O

3

+ O

3

→

3O

2

Liczba atomowa, masowa, masa atomowa, cząsteczkowa i molowa

•

Liczba atomowa (porządkowa) -

– liczba protonów w jądrze atomu

•

Liczba masowa – liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze atomu danego
izotopu / pierwiastka

•

Masa atomowa (cząsteczkowa) to masa jednego atomu danego pierwiastka (jednej
cząsteczki związku); wyrażana w atomowych jednostkach masy – 1/12 masy atomu
izotopu węgla

12

C

•

Masa molowa – masa NA = 6.022×10

23 atomów (cząsteczek) danego pierwiastka lub

związku

Prawo Avogadry

•

W tych samych warunkach (temperatura, ciśnienie), w takich samych objętościach różnych
gazów znajdują się takie same liczby cząsteczek

•

Wniosek: stała gazowa ma taką samą wartość dla różnych gazów

•

W warunkach normalnych (temperatura 273,5 K, ciśnienie 100 kPa),1 mol gazu zajmuje
objętość V

N

= 22,4 m

3

Równanie stanu gazu doskonałego

•

Równanie stanu gazu doskonałego

p - ciśnienie
T - temperatura (w skali termodynamicznej)
n – liczność materii
m - masa

µ

- masa molowa

- uniwersalna stała gazowa

Meteorologia

Łobocki

T

R

m

T

nR

pV

*

*

µ

=

=

A

m

N

n

N

=

=

µ

*

-1

-1

8.31 J K mol

R

=

Budowa atmosfery

3

•

Indywidualna stała gazowa

•

Inna postać równania stanu:

Równanie stanu dla mieszanin gazowych

•

Średnia masa cząsteczkowa mieszaniny

•

Równanie stanu mieszaniny gazów doskonałych

•

Prawa Daltona, ciśnienia i objętości parcjalne

•

Efektywna masa molowa i stała gazowa dla powietrza suchego

Meteorologia

Łobocki

µ

*

R

R

=

*

*

*

B

A

A

N

R

pV

nR T

R T

N

T

Nk T

N

N

=

=

=

=

pV

mRT

=

p

RT

= ρ

*

1

1

A

N

pV

R T

N

=

*

2

2

A

N

pV

R T

N

=

*

*

1

2

1

2

A

A

N

N

pV

pV

R T

R T

N

N

+

=

+

(

)

*

1

2

1

2

A

N

N

p V V

R T

N

+

+

=

1

2

1

2

k

ef

k

n

n

n

n

n

n

µ = µ +

µ +

µ

K

1 1

2

ef

v

vk

vk

k

U

U

U

µ =

µ +

µ +

µ

K

*

*

i

i

i

i

m

pV

n R T

R T

=

=

µ

p

i

=

p

V =

∑

i

V

i

V

i

=

V

p=

∑

i

p

i

V =

∑

i

V

i

p V

i

=

n

i

R

*

=

m

i



i

R

*

T

p V =

∑

i

p V

i

=

∑

i

m

i



i

R

*

T =

m



d

R

*

T

1



d

=

∑

i

m

i

m 

i

Budowa atmosfery

4

•

Udział masowy, a objętościowy

Statyka atmosfery

•

Wyprowadzenie równania hydrostatyki

ρ

∆

x

∆

z

∆

y

∆

∆ ∆

m

x y z

= ρ∆

∆

∆

∆ ∆

∆

p

mg

x y

g z

= −

= −ρ

∆

∆

∆

p

z

g

z

= −

→

ρ

;

0

dp

g

dz

= −ρ

•

Stopień baryczny: różnica wysokości, odpowiadająca jednostkowej zmianie ciśnienia

•

Atmosfera jednorodna, rozkład ciśnienia, ograniczenie grubości (gęstościowa skala
wysokości)

dp

gdz

= −ρ

dp

g dz

p

p

z

0

0

∫

∫

= −ρ

Meteorologia

Łobocki

i

mi

m

U

m

=

i

i

i i

i

A

N

m

n

N

= µ =

µ

i

i

vi

A

A

N

N

N

nU

N

N N

=

=

i

vi i

m

nU

=

µ

i

i

mi

vi

vi

ef

n

U

U

U

m

µ

µ

=

=

µ

Budowa atmosfery

5

( )

p z

p

gz

=

−

0

ρ

H

p

g

ρ

ρ

=

0

•

Atmosfera o zmiennej gęstości:

d

p

R T

= ρ

dp

g

dz

= −ρ

d

dp

p

g

dz

R T

= −

( )

d

dp

g dz

p

R T z

= −

•

Rozkład ciśnienia w atmosferze izotermicznej

∫

p

0

p

dp

p

=−

g

R

d

T

∫

0

z

d z

0

ln

d

p

gz

p

R T

= −

( )

0

d

gz

R T

p z

p e

−

=

•

Rozkład ciśnienia w atmosferze stałogradientowej

( )

T z

T

z

= −

0

γ

∫

p

0

p

dp

p

=−

g

R

d

∫

0

z

d z

T

0

−

z

0

0

0

ln

ln

d

T

z

p

g

p

R

T

−γ

=

γ

p= p

0



T

0

−

z

T

0



g

R

d



Meteorologia

Łobocki

Budowa atmosfery

6

•

Grawitacyjna separacja składników atmosfery

Temperatura

•

Skala Celsjusza, Kelvina i Fahrenheita

•

Pomiar: klatka meteorologiczna, termometry szklane cieczowe: stacyjny, minimalny i
maksymalny

•

Pomiary radiosondażowe

Ciśnienie

•

Definicja

•

Jednostki: hPa, mbar i mm Hg

•

Pomiary: barometr rtęciowy, aneroid, barograf. Czujniki pojemnościowe (BAROCAP)

________________________________________________________________________________

Ćwiczenia w Internecie

http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/lutgens3/
http://www.brookscole.com/cgi-brookscole/course_products_bc.pl
?fid=M20b&product_isbn_issn=053437199X&discipline_number=30

________________________________________________________________________________

Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne

1. Wiedząc, że promień Ziemi wynosi ok. 6314 km, i przyjmując, że średnie ciśnienie na poziomie

morza wynosi 1013.25 hPa, oszacuj masę całej atmosfery.

2. Korzystając z danych poprzedniego zadania i danych zawartych w tabelkach, oszacuj całkowitą

masę dwutlenku węgla zawartego w atmosferze.

3. Dlaczego stratosferyczne maksimum temperatury występuje wyżej, niż maksimum koncentracji

ozonu?

4. Wyjaśnij, w jaki sposób we wtórnej atmosferze Ziemi mógł pojawić się tlen.
5. Ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Wenus jest 90-krotnie większe, niż na Ziemi. Jaką

wartość ma stopień baryczny na powierzchni tej planety?

6. W tych samych warunkach - przy tym samym ciśnieniu i temperaturze - powietrze wilgotne

będzie lżejsze, czy cięższe od suchego? Odpowiedź uzasadnij.

7. Wykonujesz pomiary ciśnienia w 10-piętrowym budynku, w którym piętra mają wysokość 3 m.

Jaką różnicę ciśnień powinieneś zanotować w pomiarach wykonanych na parterze i na ostatnim
piętrze budynku?

8.

Ciśnienie na poziomie morza w dwóch różnych miejscach A i B jest równe i wynosi 1000 hPa. Na
jakiej wysokości będzie położona powierzchnia stałego ciśnienia 900 hPa ponad A i B, jeśli
temperatura powietrza ponad punktem A wynosi 20

°

C i nie zmienia się z wysokością, zaś ponad

punktem B wynosi 30

°

C? Jaka jest różnica wysokości położenia owej powierzchni nad tymi

punktami?

9.

Porównaj wyniki obliczeń ciśnienia atmosferycznego na wysokości: a) 2000 m, b) 5000 m,
wykonane przy założeniu (I) stałej z wysokością temperatury powietrza, równej 20

°

C i (II) stałego

spadku temperatury z wysokością o 0.65

°

C na każde 100 m różnicy poziomów, od wartości

temperatury powietrza na poziomie ziemi, równej 20

°

C.

10.

Zredukuj do poziomu morza wartość ciśnienia odczytaną ze skali barometru umieszczonego na
wysokości 350 m npm, przy temperaturze 20

°

C.

Meteorologia

Łobocki