أكثر

1.7: بنية الغلاف الجوي - علوم الأرض

1.7: بنية الغلاف الجوي - علوم الأرض


يشير هيكل الغلاف الجوي إلى حالة الهواء على ارتفاعات مختلفة. يختلف الهيكل الرأسي الحقيقي للغلاف الجوي باختلاف الوقت والمكان بسبب الظروف الجوية المتغيرة والنشاط الشمسي.

"الغلاف الجوي القياسي للولايات المتحدة لعام 1976" (الجدول 1-5) هو تقريب مثالي وجاف وثابت لحالة الغلاف الجوي كدالة للارتفاع. لقد تم اعتماده كمرجع هندسي. إنه يقترب من متوسط ​​الظروف الجوية ، على الرغم من أنه لم يتم حسابه كمتوسط ​​حقيقي.

يتم تعريف الارتفاع الجيوبوتيتي ، H ، للتعويض عن انخفاض مقدار تسارع الجاذبية | g | فوق سطح الأرض:

( begin {align} H = R_o cdot z / (R_o + z) tag {1.14a} end {align} )

( start {align} z = R_o cdot H / (R_o-H) tag {1.14b} end {align} )

حيث متوسط ​​نصف قطر الأرض هو Rا = 6356.766 كم. سيكون لطرد الهواء (مجموعة من جزيئات الهواء تتحرك معًا) مرفوعًا إلى الارتفاع الهندسي z نفس الطاقة الكامنة كما لو تم رفعها فقط إلى الارتفاع H تحت تسارع الجاذبية الثابت. باستخدام H بدلاً من z ، يمكنك استخدام | g | = 9.8 م ث–2 ثابتًا في معادلاتك ، على الرغم من أنه في الواقع يتناقص قليلاً مع الارتفاع.

يزداد الفرق (z - H) بين الارتفاع الهندسي والجيوبوتي من 0 إلى 16 مترًا مع زيادة الارتفاع من 0 إلى 10 كم فوق مستوى سطح البحر.

في بعض الأحيان يتم دمج g و H في متغير جديد يسمى الجيوبوترية، Φ:

( start {align} phi = | g | cdot H tag {1.15} end {align} )

يُعرَّف الجهد الجيوفيزيائي بأنه العمل المنجز ضد الجاذبية لرفع 1 كجم من الكتلة من مستوى سطح البحر إلى ارتفاع H. ولديه وحدات m2 س–2.

الأجواء القياسية الأخرى هي: الغلاف الجوي القياسي الدولي (ISA 1975 ؛ ISO 2533: 1975 ، حتى 86 كم) ، منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) الغلاف الجوي القياسي (1993 ؛ حتى 80 كم) ، ومختبر البحوث البحرية (2003 ؛ NRLMSISE -00 ؛ حتى من خلال إكزوسفير).

الرياضيات المرتفعة • الارتفاع الجيوفيزيائي

ما هي "الرياضيات العالية"؟

تحتوي هذه المربعات على مواد تكميلية تستخدم حساب التفاضل والتكامل أو المعادلات التفاضلية أو الجبر الخطي أو أدوات رياضية أخرى غير الجبر. هم انهم ليس ضروري لفهم بقية الكتاب ، ويمكن تخطيها. قد يكون طلاب العلوم والهندسة الذين لديهم خلفيات حساب التفاضل والتكامل فضوليين حول كيفية استخدام حساب التفاضل والتكامل في فيزياء الغلاف الجوي.

ارتفاع الجهد الجيو

لحجم تسارع الجاذبية ، اترك | انطلق | = 9.8 م ث–2 يكون متوسط ​​القيمة عند مستوى سطح البحر ، و | g | تكون القيمة عند الارتفاع z. إذا كان R.ا هو نصف قطر الأرض ، ثم r = Rا + z هي المسافة فوق مركز الأرض.

يعطي قانون نيوتن للجاذبية القوة | F | بين الأرض والطرد الجوي:

( | F | = G cdot m_ {earth} cdot m_ {air parcel} / r ^ 2 )

حيث G = 6.67 × 10–11 م3·س–2·كلغ–1 هو ثابت الجاذبية. قسّم كلا الجانبين على مالهواء لا يتجزأ، وتذكر ذلك بالتعريف | g | = | F | / مالهواء لا يتجزأ. هكذا

( | g | = G cdot m_ {Earth} / r ^ 2 )

هذا مكافئ. ينطبق أيضًا على مستوى سطح البحر (z = 0):

( | g_o | = G cdot m_ {Earth} / R_o ^ 2 )

الجمع بين هذين المعادلات. يعطى

( | g | = | g_o | cdot [R_o / (R_o + z)] ^ 2 )

يُعرَّف الارتفاع الجيوبوتيتي H بأنه العمل لكل وحدة كتلة لرفع جسم مقابل سحب الجاذبية ، مقسومًا على قيمة تسارع الجاذبية لمستوى سطح البحر:

( H = frac {1} { left | g_ {o} right |} int_ {Z = 0} ^ {z} | g | cdot d Z )

توصيل تعريف | g | من الفقرة السابقة يعطي:

( H = R_o ^ 2 cdot int_ {z = 0} ^ z (R_o + z) ^ {- 2} دي زد )

هذا يتكامل مع

(H = left. frac {-R_ {o} ^ {2}} {R_ {o} + Z} right | _ {Z = 0} ^ {z} )

بعد التعويض بحدود التكامل ، ووضع المصطلحين في مقام مشترك ، تكون الإجابة:

( begin {align} H = R_o cdot z / (R_o + z) tag {1.14a} end {align} )

تطبيق العينة

أوجد الارتفاع الجيوبوتيتي والجهد الجغرافي عند 12 كم فوق مستوى سطح البحر.

أوجد الإجابة

معطى: z = 12 km ، Rا = 6356.766 كم

البحث عن: H =؟ كم ، Φ =؟ م2 س–2

استخدم مكافئ. (1.14a): H = (6356.766km) · (12km) / (6356.766km + 12km) = 11.98 كم

استخدم مكافئ. (1.15): Φ = (9.8 م ث–2) · (11980 م) = 1.17 × 105 م2 س–2

التحقق من: الوحدات جيدة.

معرض: H ≤ z كما هو متوقع ، لأنك لست بحاجة إلى رفع الطرد إلى مستوى عالٍ للجاذبية الثابتة كما تفعل لتقليل الجاذبية ، للقيام بنفس العمل.

يعطي الجدول 1-5 درجة الحرارة والضغط والكثافة القياسية كدالة للارتفاع الجغرافي المحتمل H فوق مستوى سطح البحر. تغيرات درجة الحرارة خطية بين الارتفاعات الرئيسية المشار إليها بخط غامق. تم رسم درجة حرارة الغلاف الجوي القياسية في الشكل 1.10.

تحت ارتفاع جيوبوتيتيشن من 51 كم ، مكافئ. يمكن استخدام (1.16) و (1.17) لحساب درجة الحرارة والضغط القياسيين. في هذه المعادلات ، تأكد من استخدام درجة الحرارة المطلقة كما هو محدد بواسطة

( begin {align} T (K) = T (^ oC) +273.15 tag {1.16} end {align} )

T = 288.15 كلفن - (6.5 ك كم–1) · حلـ H 11 كم
T = 216.65 ك11 ≤ ح 20 كم
T = 216.65 ك + (1 ك كم–1) · (ارتفاع - 20 كم)20 ≤ H 32 كم
T = 228.65 ك + (2.8 ك كم–1) · (ارتفاع - 32 كم)32 ≤ ح 47 كم
T = 270.65 ك47 ≤ ح 51 كم

بالنسبة لمعادلات الضغط ، يجب أن تكون درجة الحرارة المطلقة T التي تظهر هي درجة حرارة الغلاف الجوي القياسية من مجموعة المعادلات السابقة. في الواقع ، يمكن استبدال هذه المعادلات السابقة في المعادلات أدناه لجعلها دالة لـ H بدلاً من T. (1.17)

P = (101.325kPa) · (288.15K / T) –5.255877ح 11 كم
P = (22.632kPa) · exp [–0.1577 · (H – 11 km)]11 ≤ ح 20 كم
P = (5.4749kPa) · (216.65K / T) 34.1631920 ≤ H 32 كم
P = (0.868kPa) · (228.65K / T) 12.201132 ≤ ح 47 كم
P = (0.1109kPa) · exp [–0.1262 · (H – 47 km)]47 ≤ ح 51 كم

هذه المعادلات أفضل قليلاً من المعادلة. (1.9a) لأنها لا تجعل الافتراض غير الواقعي لدرجة الحرارة الموحدة مع الارتفاع.

بمعرفة درجة الحرارة والضغط ، يمكنك حساب الكثافة باستخدام قانون الغاز المثالي. (1.18).

تطبيق العينة

البحث عن الأمراض المنقولة جنسيا. ماكينة الصراف الآلي. درجة الحرارة والضغط عند H = 2.5 كم.

أوجد الإجابة

المعطى: H = 2.5 كم. البحث عن: T =؟ ك ، ف =؟ كيلو باسكال

استخدم مكافئ. (1.16): T = 288.15 - (6.5 ألف / كم) · (2.5 كم) = 271.9 ك

استخدم مكافئ. (1.17): P = (101.325 كيلو باسكال) · (288.15 كيلو / 271.9 كيلو)–5.255877

= (101.325 كيلو باسكال) · 0.737 = 74.7 كيلو باسكال.

التحقق من: T = –1.1 درجة مئوية. يتوافق مع الشكل 1.10 والجدول 1-5.

الجدول 1-5. جو قياسي.
ح (كم)T (درجة مئوية)P (كيلو باسكال)ρ (كجم م–3)

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

13

15

17

20

25

30

32

35

40

45

47

50

51

60

70

71

80

84.9

89.7

100.4

105

110

21.5

15.0

8.5

2.0

-4.5

-11.0

-17.5

-24.0

-30.5

-37.0

-43.5

-50.0

-56.5

-56.5

-56.5

-56.5

-56.5

-51.5

-46.5

-44.5

-36.1

-22.1

-8.1

-2.5

-2.5

-2.5

-27.7

-55.7

-58.5

-76.5

-86.3

-86.3

-73.6

-55.5

-9.2

113.920

101.325

89.874

79.495

70.108

61.640

54.019

47.181

41.060

35.599

30.742

26.436

22.632

16.510

12.044

8.787

5.475

2.511

1.172

0.868

0.559

0.278

0.143

0.111

0.076

0.067

0.02031

0.00463

0.00396

0.00089

0.00037

0.00015

0.00002

0.00001

0.00001

1.3470

1.2250

1.1116

1.0065

0.9091

0.8191

0.7361

0.6597

0.5895

0.5252

0.4664

0.4127

0.3639

0.2655

0.1937

0.1423

0.0880

0.0395

0.0180

0.0132

0.0082

0.0039

0.0019

0.0014

0.0010

0.00086

0.000288

0.000074

0.000064

0.000015

0.000007

0.000003

0.0000005

0.0000002

0.0000001

يتم تحديد الطبقات التالية بناءً على هيكل درجة حرارة الغلاف الجوي القياسي الاسمي (الشكل 1.10).

إكزوسفير *

ثيرموسفير

الميزوسفير

الستراتوسفير

تروبوسفير

(من 500 إلى 103) كم ض

84.9 "ارتفاع" (500 إلى 103) كم

47 H 84.9 كم

11 ≤ ح 47 كم

0 ≤ ح 11 كم

تحدث جميع السحب والطقس تقريبًا في طبقة التروبوسفير. (* لم يتم تحديده بواسطة معيار Atmos الأمريكي. الهواء رقيق جدًا في الغلاف الخارجي بحيث لا تتصرف الجزيئات كغاز ، ويمكنها الهروب إلى الفضاء.)

تتم تسمية الحدود العليا للمجالات الثلاثة السفلية:

Thermopause أو Exobase

الميزوبوز

ستراتوبوز

تروبوبوز

ض = 500-103 كم

ح = 84.9 كم

ع = 47 كم

ح = 11 كم

في المتوسط ​​، يكون التروبوبوز أقل (ترتيب 8 كم) بالقرب من قطبي الأرض ، وأعلى (بترتيب 18 كم) بالقرب من خط الاستواء. في خطوط العرض الوسطى ، يبلغ متوسط ​​ارتفاع التروبوبوز حوالي 11 كم ، ولكنه يكون أقل قليلاً في الشتاء ، وأعلى في الصيف.

تحدث الحدود القصوى النسبية الثلاثة لدرجة الحرارة نتيجة لثلاثة ارتفاعات حيث يتم امتصاص كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي وتحويلها إلى حرارة. يتم امتصاص الضوء فوق البنفسجي بواسطة الأكسجين والأوزون بالقرب من طبقة الستراتوبوز ، ويتم امتصاص الضوء المرئي على الأرض ، ويتم امتصاص معظم الإشعاعات الأخرى في الغلاف الحراري.

يُطلق على قاع طبقة التروبوسفير من 0.3 إلى 3 كيلومترات طبقة حدود الغلاف الجوي (ABL). غالبًا ما يكون مضطربًا ، ويختلف سمكه في المكان والزمان (الشكل 1.11). إنه "يشعر" بتأثيرات سطح الأرض ، مما يؤدي إلى إبطاء الرياح بسبب السحب السطحي ، وتدفئة الهواء أثناء النهار وتبريده في الليل ، والتغيرات في الرطوبة وتركيز الملوثات. نقضي معظم حياتنا في ABL. تمت مناقشة التفاصيل في فصل لاحق.

تطبيق العينة

هو مكافئ. (1.9a) مناسب لأجهزة الصراف الآلي القياسية. الضغط؟

أوجد الإجابة

الافتراض: استخدم T = 270 K في مكافئ. (1.9a) لأنه يقلل من أخطاء الضغط في أدنى 10 كم.

الطريقة: قارن على الرسم البياني حيث يكون الخط الصلب مكافئًا. (1.9 أ) ونقاط البيانات مأخوذة من الجدول 1-5.

معرض: على مدى 10 كم السفلي ، فإن المعادلة البسيطة. (1.9a) خطأ بما لا يزيد عن 1.5 كيلو باسكال. إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الدقة ، فاستخدم معادلة قياس ضغط الدم (انظر المعادلة 1.26 ، لاحقًا في هذا الفصل).


شاهد الفيديو: رحلة إلى طبقات الغلاف الجوي