- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
Глава 4 Термодинамика атмосферы
Атмосфера представляет собой среду, в которой постоянно наблюдается переход одних видов энергии в другие. Раздел метеорологии, рассматривающий общие закономерности преобразования энергии и изменения состояния атмосферы под влиянием притока тепла, носит название термодинамики атмосферы.
4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
В термодинамике атмосферы наиболее широко используются выводы, вытекающие из первого начала термодинамики, или закона сохранения энергии — одного из важнейших законов естествознания. В самом общем виде закон сохранения вещества и движения в природе был сформулирован в 1748 г. М. В. Ломоносовым: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Наиболее краткой формулировкой первого начала является следующая: невозможно возникновение или уничтожение энергии, возможен лишь переход одних видов энергии в другие. Количественно это положение выражается в виде уравнения первого начала термодинамики, или уравнения притока тепла. Установим вид этого уравнения для идеального газа, к которому близки сухой и влажный ненасыщенный воздух. С этой целью выделим в атмосфере частицу сухого воздуха единичной массы. Рассмотрим изменение параметров состояния воздушной частицы под влиянием притока тепла. Обозначим через pi, ρi, Ti параметры состояния воздушной частицы, через ре, ρе, Те параметры состояния окружающего частицу воздуха (атмосферы). Вместо плотности можно ввести удельный объем υ = 1/ρ.
В общем случае ρi ≠ ρе и Ti ≠ Те, но в физике атмосферы всегда полагают pi = ре = р, т. е. давление внутри частицы равно давлению в окружающем ее воздухе (квазистатическое условие).
Сообщим воздушной частице некоторое количество тепла. При этом внутренняя энергия ui воздушной частицы увеличится на dui, и одновременно частица, расширяясь, совершит некоторую работу против внешних сил давления. Работу, совершенную воздушной частицей, обозначим через dwi. Тогда в соответствии с первым началом термодинамики
Определим отдельно dui и dwi. Сухой и влажный ненасыщенный воздух можно рассматривать как идеальный газ, поэтому
(здесь Cυ— удельная теплоемкость при постоянном объеме). Работу расширения можно представить в виде
где dυi — приращение объема (в случае единицы массы — приращение удельного объема).
С учетом двух последних соотношений уравнение первого начала термодинамики для воздуха, рассматриваемого как идеальный газ, принимает вид
Преобразуем его к такому виду, чтобы в правую часть входили лишь измеряемые величины. Для этого воспользуемся уравнением состояния воздуха
из которого следует:
Подставив pdυi в уравнение (4.1.1), получим:
Рассмотрим частный случай, а именно изобарический процесс. Так как в этом случае р = const, a dp = 0, то уравнение (4.1.3) принимает вид
С другой стороны, при изобарическом процессе dq = cpdTi (cp — удельная теплоемкость при постоянном давлении). Таким образом,
Для сухого воздуха сυ = 818 Дж/(кг • К), ср =1006 Дж/(кг • К), ср - сυ =288 Дж/(кг • К), cp/cυ = к = 1,40.
Соотношение (4.1.4) носит название уравнения Майера.
Величину сυ + Rc =cp подставим в уравнение (4.1.3). Тогда с учетом (4.1.2) получим уравнение первого начала термодинамики в виде, наиболее часто используемом в метеорологии: