Элементы термодинамики атмосферы Лектор: Меликов Б.М.

Виды вертикальных движений воздуха и причины их возникновения

В зависимости от причин образования различают следующие виды вертикальных движений воздуха: -конвекция; -восходящее скольжение; -динамическая турбулентность; -волновые движения. Конвекция - это вертикально направленные восходящие или нисходящие движения воздуха. Конвекция может быть термической и вынужденной.

Термическая конвекция – возникает в результате неравномерного нагревания солнцем подстилающей поверхности. Над более нагретыми участками поверхности воздух быстро прогревается, становится теплее окружающего и, как более легкий, начинает подниматься вверх. Рядом с таким восходящим потоком появляется нисходящий. Термическая конвекция образуется также при движении холодного воздуха по теплой подстилающей поверхности. Термическая конвекция может иметь вид неупорядоченных потоков воздуха и может проявляться в виде мощных упорядоченных восходящих и нисходящих движений воздуха. Термическая конвекция имеет хорошо выраженный суточный и годовой ход максимумом развития летом после полудня.

а) б) Рис. 1. Термическая конвекция а) неупорядоченная; б) упорядоченная.

ТВХВ а) Рис. 2. Вынужденная конвекция на холодных фронтах Вынужденная конвекция (рис. 2, 3.) образуется: а) при подтекании холодного воздуха под теплый воздух на холодных фронтах; б) при натекании теплого воздуха на крутые склоны гор (орографическая конвекция).

Рис. 3. Вынужденная (орографическая) конвекция

Конвекция распространяется до высоты от нескольких сотен метров до нескольких километров, иногда охватывает всю тропосферу. Скорость восходящих потоков может достигать 30…40 м/с и более, нисходящие- 10…15 м/с. Конвекция, как термическая, так и вынужденная, приводит к образованию облаков вертикального развития: кучевых, мощно-кучевых, кучево-дождевых и вызывает сильную болтанку воздушных судов в полете. Восходящее скольжение -это наклонное движение больших масс воздуха, которое наблюдается: а) при натекании теплого воздуха на холодный воздух на теплых фронтах (рис. 4.);

ХВ ТВ Рис. 4. Натекание теплого воздуха на холодный воздух а)

ТВ Рис. 5. Натекание теплого воздуха на пологие склоны гор б) б) При натекании теплого воздуха на пологие склоны гор (рис. 5);

конвекция ТВХВ восходящее скольжение в) При медленном подтекании холодного воздуха под теплый воздух на холодном фронте в) Рис. 6. Медленное подтекание холодного воздуха под теплый

Скорость восходящего скольжения 5…10 см/с, горизонтальная протяженность-несколько сотен и даже тысяч километров. Восходящее скольжение приводит к образованию слоистообразных облаков. Так как скорость восходящего скольжения очень мала, то болтанка ВС в зоне таких вертикальных движений отсутствует. Динамическая турбулентность – это беспорядочные восходящие и нисходящие вихри, возникающие при горизонтальном перемещении и трении воздуха о подстилающую поверхность (рис. 7).

1…1,5 км Рис. 7. Динамическая турбулентность

Скорость вертикальных движений при динамической турбулентности достигает нескольких десятков сантиметров в секунду. Наблюдается в слое от земли до высоты 1…1,5 км. В летнее время года термическая конвекция и турбулентность часто наблюдаются одновременно. Динамическая турбулентность приводит к образованию волнистообразных облаков нижнего яруса и обуславливает на этапах взлета и посадки слабую, реже умеренную болтанку.

Волновые движения воздуха возникают в слое инверсии и изотермии (на их верхней и нижней границах) вследствие разности плотности и скорости движения воздуха над и под инверсией. Подобно тому, как на поверхности моря, являющейся границей между двумя средами (водой и воздухом), возникают волны, так и граница инверсионного слоя представляет собой волнистую поверхность. При этом в вершинах волн имеют место восходящие движения, в долинах- нисходящие. При достаточном влагосодержании в гребнях волн образуются волнистообразные облака. При полете и пересечении таких волн наблюдается циклическая болтанка ВС.

Адиабатические процессы в атмосфере

Адиабатическим процессом - называется термодинамический процесс, при котором изменение температуры в некотором объеме воздуха происходит без теплообмена с окружающей средой. При адиабатических процессах расширение воздуха сопровождается его охлаждением, а сжатие-нагреванием. В атмосфере адиабатические процессы наблюдаются при вертикальных движениях воздуха. При восходящих потоках воздух, попадая из более плотных слоев атмосферы в менее плотные, расширяется. На работу расширения тратится внутренняя тепловая энергия, вследствие чего поднимающийся воздух охлаждается. При движении вниз воздух попадает под большее давление и сжимается. Производимая при этом работа внешних сил переходит в тепловую энергию, поэтому опускающийся воздух нагревается.

Различают сухоадиабатические и влажноадиабатические процессы. Сухоадиабатические процессы происходят в сухом или влажном, но ненасыщенном воздухе. Влажноадиабатические процессы-во влажном насыщенном воздухе. Количественной мерой изменения температуры сухого воздуха при адиабатическом процессе является сухоадиабатический градиент - изменение температуры в сухом или влажном ненасыщенном воздухе при его подъеме или опускании на каждые 100 м высоты. Расчет показывает, что величина При поднятии воздуха вверх на каждые 100 м высоты происходит понижение его температуры на 1 С, а при опускании воздуха вниз-повышение температуры также на 1 С на 100 м высоты.

В воздухе, насыщенном водяными парами, изменение температуры при подъеме происходит по иному. Если вверх поднимается насыщенный воздух, то при понижении температуры за счет расширения, часть водяных паров конденсируется. В результате этого выделяется скрытая теплота конденсации (597 кал/г), которая существенно уменьшает охлаждение воздуха. Поэтому насыщенный воздух при подъеме на 100 м охлаждается на величину меньшую, чем 1 С. Эта величина называется влажноадиабатическим градиентом.

Изменение температуры при адиабатических процессах можно изобразить графически при помощи линий, называемых адиабатами. Линия, которая показывает изменение температуры в поднимающемся или опускающимся сухом воздухе, называется сухой адиабатой (рис. 8). Линия, характеризующая изменение температуры в поднимающемся насыщенном воздухе, называется влажной адиабатой. (рис. 9). Влажные адиабаты, в отличие от сухих, являются изогнутыми линиями, потому что величина непостоянная, при поднятии насыщенного воздуха увеличивается, приближаясь к

Щ Т Щ а) б) Т Сухие адиабаты Влажные адиабаты Рис. 8; 9. Сухие и влажные адиабаты

Уровни конденсации и конвекции

Высота, на которой водяной пар в поднимающемся воздухе достигает насыщения, называется уровнем конденсации. Очевидно, что на уровне конденсации температура воздуха равна точке росы, а относительная влажность становится равной 100 % (t=t d, f=100 %). Высота уровня конденсации h k находится в прямой зависимости от температуры воздуха у земли и в обратной зависимости от его относительной влажности. Высоту уровня конденсации можно определить графически по аэрологической диаграммы или рассчитать по формулам: h k =17(100-f 0 )м h k =123(t-t d0 )м где: f 0, t 0, t d0 - относительная влажность, температура воздуха и точка росы у поверхности Земли.

Зная высоту уровня конденсации, можно графически изобразить кривую, характеризующую адиабатическое изменение температуры в поднимающемся воздухе при любых значениях температуры и давления. Такая кривая называется кривой состояния (рис. 11). В нижней своей части, от земли до уровня конденсации, кривая состояния имеет вид сухой адиабаты, выше уровня конденсации - влажной адиабаты.

Щ т hkhk б а'а' Рис. 10. Кривая состояния

Уровень конвекции – это высота, до которой может распространяться восходящий воздушный поток. На уровне конвекции температура поднимающегося воздуха равна температуре окружающего воздуха. Высота уровня конвекции находится в прямой зависимости от начальной температуры поднимающегося воздуха и вертикального температурного градиента в окружающем воздухе. Для образования облаков существенное значение имеет взаимное расположение уровней конвекции и конденсации. Если уровень конвекции располагается выше уровня конденсации, то между этими слоями, как правило, образуются облака (рис. 11).

h kond h konv h konv. h kond f =100 % Рис. 11. Влияние взаимного расположения уровней конвекции и конденсации на образование облаков Если уровень конвекции лежит ниже уровня конденсации, то восходящие потоки не приводят к образованию облаков. Уровень конвекции является также верхней границей слоя болтанки ВС, вызываемой неустойчивым состоянием атмосферы.

Аэрологическая диаграмма, ее использование для определения различных характеристик атмосферы и метеорологических условий полетов.

В метеорологических подразделениях наряду с различными метеорологическими картами погоды по данным аэрологических наблюдений составляются специальные графики, получившие название аэрологических диаграмм (АД). Бланки АД, применяющиеся в настоящее время, построены в косоугольной (АДК) или прямоугольной (АДП) системе координат. При этом один из бланков АДК применяется в холодное время года (АДКХ), а другой - в теплое время года (АДКТ). На бланках АД нанесены следующие линии:

1. Изобары - коричневые горизонтальные линии, проведенные через 10 г Па (у левых и правых их концов в виде дополнительных шкал - через 5 г Па). 2. Изотермы - на АДП коричневые вертикальные линии, на АДК коричневые линии наклоненные вправо. Проведены через 1 С. 3. Сухие адиабаты - коричневые линии, наклоненные влево. Они характеризуют изменении температуры в поднимающемся сухом воздухе. 4. влажные адиабаты – зеленые штриховые линии, характеризующие изменение температуры в поднимающемся влажном воздухе. 5. Изограммы – зеленые непрерывные, почти прямые линии, наклоненные на АДП влево, на АДК - вправо. Это линии равных значений массовой доли водяного пара (удельной влажности), характеризующие предельное насыщение воздуха водяным паром при данной температуре (в граммах на килограмм).

По данным радиозондирования атмосферы на бланках АД строят: кривую стратификации, кривую точек росы и кривую состояния. Кривая стратификации – кривая фактического распределения температуры воздуха по высотам. Ее построение производится следующим образом: на горизонтальной оси находят значение температуры, соответствующее начальному уровню подъема, а на вертикальной оси- значение давления для этого же уровня, на пересечении соответствующих изотермы и изобары ставят точку. Около нее проставляют значение высоты (км или м), остальные точки подъема строят аналогично. После нанесения всех точек их соединяют сплошной красной линией (рис. 12). Кривая точек росы (депеграмма) – характеризует распределение точек росы по высотам. Она проводится черным пунктиром, строится таким же образом, как и кривая стратификации (рис. 12). Депеграмма всегда располагается левее кривой стратификации.

Рис. 12. Построение кривых стратификации, точек росы и состояния

Кривая состояния характеризует изменение температуры в поднимающемся воздухе. Она проводится черной линией. Построение кривой состояния начинается с определения уровня конденсации (рис. 13). Для этого на изобаре, соответствующей давлению воздуха у земли P 0, откладываются наблюдаемые значения температуры воздуха у земли t 0 (точка А) и точки росы t d (точка В). От точки А поднимаемся вверх по сухой адиабате до встречи с изограммой, проходящей через точку В. Место пересечения адиабаты с изограммой (точка К) и является уровнем конденсации h k.

П0П0 Б А тдтд т 0 т 0 Сухая адиабата Изотерма tktk А Изобара Изограмма К уровень конденсации Рис. 13. Определение высоты уровня конденсации (АК - сухая адиабата, ВК - изограмма)

Выделение площади положительной и отрицательной энергии неустойчивости. Энергия неустойчивости – это потенциальная энергия атмосферы, определяемая распределением температуры воздуха с высотой. От ее наличия и величины зависит характер вертикальной устойчивости атмосферы. Энергия неустойчивости положительна, если воздух может самостоятельно подниматься вверх (неустойчивое равновесие). Энергия неустойчивости отрицательно, если воздух поднимается вверх только при получении энергии извне (устойчивое равновесие). Положительная энергия неустойчивости переходит в кинетическую энергию вертикальных движений воздуха. По ее величине судят о возможности ливней, гроз и града.

Равновесное состояние атмосферы можно определить с помощью аэрологической диаграммы, на которой строят кривую стратификации и кривую состояния. Если кривая состояния располагается правее кривой стратификации – энергия неустойчивости положительна и состояние атмосферы неустойчивое. Если кривая состояния располагается левее кривой стратификации – энергия неустойчивости отрицательна и состояние атмосферы устойчивое (рис. 14).

а) б) Рис. 14. Устойчивое (а) и неустойчивое (б) равновесие воздуха: 1-кривая стратификации; 2-кривая состояния

Определение уровня конвекции. Как известно, уровнем конвекции называется высота, до которой может распространяться восходящий воздушный поток. За этот уровень на АД принимается точка пересечения кривых стратификации и состояния (рис. 13). Анализ и прогноз условий развития конвективной облачности, ливней, гроз, болтанки. Известно, что мощно-кучевые и кучево-дождевые облака создают наиболее опасные условия для полетов. Если воздушная масса от исходного уровня и до больших высот стратифицирована неустойчиво, то следует ожидать развития кучево-дождевых или грозовых облаков. При этом необходимо, чтобы вершина располагалась выше изотермы -25 С.

Нижнее основание этих облаков располагается вблизи уровня конденсации, верхняя граница - на высоте уровня конвекции. Чем выше уровень конвекции, тем мощнее по вертикали облачность и тем вероятнее развитие кучево-дождевых (грозовых облаков), с которыми связаны грозы, ливневые осадки, болтанка и обледенение воздушных судов. Если же энергия неустойчивости отрицательная и занимает большую площадь, то развития кучево-дождевой облачности ожидать не следует. Нижнее основание этих облаков располагается вблизи уровня конденсации, верхняя граница - на высоте уровня конвекции. Чем выше уровень конвекции, тем мощнее по вертикали облачность и тем вероятнее развитие кучево-дождевых (грозовых облаков), с которыми связаны грозы, ливневые осадки, болтанка и обледенение воздушных судов. Если же энергия неустойчивости отрицательная и занимает большую площадь, то развития кучево-дождевой облачности ожидать не следует.

Оценка возможного обледенения воздушных судов. Для этого необходимо проанализировать температуру воздуха в облаках и осадках, учитывая следующие положения: а) сильное обледенение наблюдается при температурах 0 С…-10 С; б) умеренное обледенение наблюдается при температурах -11 С….-20 С; в) слабое обледенение наблюдается при температуре -21 С….-30 С.

Определение слоев инверсии и изотермии. Эти слои определяются по наклону кривой стратификации. Если наблюдается рост температуры с высотой, то отмечается слой инверсии (γ ˂ 0 С/100 м). Если же температура воздуха с высотой не изменяется, то отмечается слой изотермии (γ=0 С/100 м). Слои инверсии и изотермии являются задерживающими слоями. Они гасят вертикальные движения воздуха и препятствуют переносу различных жидких и твердых частиц, имеющихся в атмосфере, в более высоких слои.

Определение положения тропопаузы, ее высоты, температуры и давления. Тропопауза определяется по наклону кривой стратификации. Она находится на высотах, где отмечается самая низкая температура воздуха. Значения температуры, давления и высоты отсчитываются у соответствующих изотерм и изобар. Построение вспомогательной номограммы для расчета изменений потолка или предельно допустимой высоты полета за счет отклонения температуры от СА. Расчетная формула изменений потолка или предельно допустимой высоты полета самолета имеет вид ΔH пд = -К(Т – Т ст ) = -К Δ Т

Где: К - эмпирический коэффициент (для большинства самолетов равный 50 м/1 С), показывающий на сколько метров изменится предельно допустимая высота полета самолета при изменении температуры воздуха на 1 С. Т и Т ст – фактическая и стандартная температура воздуха. Предельно допустимая высота H пр для каждого типа самолета при различных полетных весах G пол в условиях СА указывается в руководствах по летной эксплуатации (табл. 1).

Наряду с аналитическим путем в практической работе оценка изменения предельно допустимой высоты может быть проведена графически стратификации атмосферы на АД. Для этих целей на бланке АД необходимо построить вспомогательную номограмму. Построение номограммы производится следующим образом (рис. 15) : а) на линии распределения температуры в СА на АД ставят точку (А), соответствующую Н пр в условиях СА для одного из полетных весов; б) задавая произвольное значение Δt, например, Δt+ 10 С, определяют соответствующие значения Н пр и по ним находят еще две точки (В, С);

в)По полученным трем точкам (А, В, С) проводят прямую, которая отражает изменение Н пр, в зависимости от температуры для заданного полетного веса; г) параллельно построенной линии проводят прямые для других полетных весов через точки Н пр в СА. Номограмма позволяет рассчитать Н пр по любым кривым стратификации, построенным на АД по данным радиозондирования атмосферы.

Стратификации в СА Кривая Изобара Изотерма А В С Δt=+10 Δt=-10 G=38 т G=39 т G=42 т G=45 т СА-81 Рис. 15. Номограмма для расчета предельно допустимой высоты полета

G пол, т Н пр, м Ил-62 Ту-154 G пол, т Н пр, м G пол, т Н пр, м Ту-134 Таблица 1. Зависимость предельно допустимой высоты полета самолета от полетного веса

Вопросы для самопроверки и контроля знаний 1. Что называется конвекцией? 2. Какие процессы приводят к образованию конвекции? 3. Какие скорости вертикальных потоков наблюдаются при конвекции? 4. До каких высот развиваются конвективные токи воздуха? 5. Что называется восходящим скольжением? 6. За счет чего образуется восходящее скольжение? 7. Какие скорости вертикальных движений наблюдаются при восходящем скольжении?

8. Что называется динамической турбулентностью? 9. До каких высот наблюдается динамическая турбулентность? 10. За счет чего возникают волновые движения? 11. Что называется адиабатическим процессом? 12. Каким образом изменяется температура с высотой в поднимающемся (опускающимся) сухом (насыщенном) воздухе? 13. Что называется сухоадиабатическим (влажноадиабатическим) градиентом и чему он равен? 14. Что называется сухой (влажной) адиабатой? 15. Почему влажноадиабатический градиент меньше, чем сухоадиабатический? 16. Что называется уровнем конвекции (конденсации), от каких факторов и как зависит его высота? 17. Что называется кривой состояния? 18. Каким образом изменяется температура воздуха у земной поверхности при изменении давления на 1 г Па?

19. Объяснить зависимость величины влажноадиабатического градиента от температуры и давления. 20. Каким образом зависят условия образования облаков от взаимного расположения уровней конвекции и конденсации? 21. Дать характеристику неустойчивого (устойчивого, безразличного) состояния атмосферы. 22. Какое влияние на восходящие движения оказывают слои инверсии и изотермии? 23. Какие виды АД используются в настоящее время? 24. Какие изолинии нанесены на бланк АД? 25. Как определяется высота уровня конденсации (конвекции) на АД? 26. В чем заключается анализ и прогноз конвективной облачности? 27. Как определить энергию неустойчивости на АД? 28. Как определить высоту верхней и нижней границ облачности? 29. Как определить предельно допустимую высоту полета самолета в зависимости от изменения температуры воздуха?