07_termodynamika

Ćwiczenia 7. Termodynamika
1600
Pionowy gradient stanu atmosfery – jest to zmiana
temperatury z wysokością w atmosferze w danym 1400
momencie (pionowa zmiana temperatury otaczającego
powietrza)
1200
γ = -ΔT/ΔZ
Pionowy gradient suchoadiabatyczny temperatury - 1000
zmiana temperatury jaka zachodzi w porcji powietrza
800
suchego
(tj.
bez
produktów
kondensacji)
przemieszczającego się w górę lub w dół. Zmiana stanu
600
termodynamicznego odbywa się adiabatycznie, czyli bez
wymiany ciepła z otoczeniem.
Dla powietrza suchego związek między zmianami 400
temperatury a zmianami ciśnienia jest opisywany równaniem
gazu doskonałego POISSONA
200
wys. w m.
17°
T0
=
T
AR
cp
( )
p0
p
0
; gdzie AR/cp=0.286
γ=-
inwersj
γ=0°/100m
r. stała izotermi
γ=0,5°/10
r. obojętna
γ=1°/100m
17°
14,0
12,8
13,4
15,0
14,0
16,0
16,4
17,8
18,0
19,0
17,4
18,8
200
20,0
18,4
20,0
r. obojętna
γ = γsa
r. chwiejna
(np. γ=1,0°C/100m)
Równowaga
warunkowo
stała
z
15,4
16,4
17,0
18,0
14,4
15,2
16,0
17,0
(np. γ=0.4°C/100m)
>0 – wystąpienie burzy niemożliwe
0 - -2 burze możliwe (prawdopodobieństwo <60%)
-3 - -5 burze bardzo możliwe (prawdopodobieństwo >60%)
-5 - -7 silne burze, możliwe tornada
<-7 b. silne burze, bardzo duże prawdopodobieństwo tornada (jeśli jesteś w
USA – zalecana ucieczka na Alaskę!)
γ=3°/100m
T [°C]
22°
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Diagram aerologiczny ( łącząc punkty jednostkowe na obu osiach otrzymujemy
linie równoległe (przerywane), zwane suchymi adiabatami; są one liniami
odniesienia w stosunku do aktualnej krzywej zmiany temperatury z wysokością
Gradient suchoadiabatyczny jest wielkością stałą i wynosi ok. Wys.[m]
1°C/100m
600 17,6
Gradient
wilgotnoadiabatyczny
dotyczy
powietrza
wilgotnego (U=100%); w wyniku kondensacji uwalnia się
utajone ciepło kondensacji, co powoduje wolniejszy spadek 500 18,0
temperatury
wraz
z
wysokością.
Gradient
wilgotnoadiabatyczny nie jest wielkością stałą, a jego wartość 400 18,4 17,8
17,4
zależy od temperatury i ciśnienia :
P [hPa] T[°C]
-20 0
30
300 18,8
1000
0,85 0,64
0,35
18,8
800
0,83 0,60
0,32
200 19,2
600
0,79 0,54
0,29
19,8
Stratyfikacja termiczna atmosfery:
Stratyfikacja chwiejna: rzeczywisty spadek T jest większy 100 19,6
od adiabatycznego (γ > γsa)
Stratyfikacja obojętna: rzeczywisty spadek T jest równy
0 20,0
adiabatycznemu (γ = γsa)
r. stała
Stratyfikacja stała: rzeczywisty spadek T jest mniejszy od
γ
< γsa
adiabatycznego (γ < γsa)
Konwekcja: pionowe przemieszczanie się powietrza pod
działaniem sił ciężkości i wyporu hydrostatycznego, r.
konwekcyjne zachodzą jednocześnie w gore i w dół
Poziom kondensacji: wysokość na jaką należy wznieść
cząstkę powietrza, aby zawarta w niej para wodna, w wyniku
adiabatycznego rozprężania, osiągnęła stan nasycenia ( z
dobrym przybliżeniem można obliczyć ze wzoru:
Hkon = 123 (to - td)
to- temp powietrza, td – temp punktu rosy
Temperatura potencjalna (θ): jest to temperatura jaką
osiągnie porcja powietrza o temperaturze T i ciśnieniu p
sprowadzona suchoadiabatycznie do poziomu o ciśnieniu p0 =
1000 hPa
Lifted index – różnica między temperaturą powietrza na
poziomie 500 hPa (T500) a temperaturą porcji powietrza (Ta)
podniesionej adiabatycznie z rozpatrywanego poziomu do
wysokości powierzchni izobarycznej 500 hPa. Lifted index
przyjmuje następujące wielkości:
γ=1,5°/10
19°
r. chwiejna
γ > γsa
(np. γ=1,2°C/100m)
Pseudoadiabata
wilgotna
Adiabata
sucha
Równowaga
bezwzględnie stała
Równowaga
bezwzględnie
chwiejna
T
Warunki równowagi pionowej, diagram przedstawia warunki równowagi
zarówno dla powietrza nasyconego jak i nienasyconego
Diagram z zaznaczonymi adiabatami suchymi (ukośne linie ciągle)
i wilgotnymi (krzywoliniowe, ukośne linie przerywane) oraz liniami
stosunku zmieszania (linie przerywane, o niewielkim nachyleniu)
Diagram aerologiczny wykonany na Florydzie
Materiał do opanowania na kolejne zajęcia:
Warunki konieczne do zajścia kondensacji
Produkty kondensacji przy powierzchni Ziemi i w swobodnej atmosferze
Rodzaje chmur
Zjawiska meteorologiczne
Diagram adiabatyczny (emagram)
Inwersja frontalna
Inwersja mechaniczna
Inwersja orograficzna
Inwersja z wypromieniowania
Inne pojęcia:
Adiabaty suche
Adiabaty wilgotne
Adiabatyczny proces
Ciepło utajone kondensacji
Ciepło utajone parowania
Konwekcja
Poziom konwekcji
Procesy adiabatyczne
Temperatura molekularna
Temperatura punktu rosy
Zadanie
Obliczyć pionowy zasięg konwekcji przy podanych danych wejściowych. Jakie zachmurzenie i zjawiska będą
występować przy kolejnych założeniach?
T porcji powietrza
na poziomie 0 m
T otoczenia na
poziomie 0 m
γs
γs
γs
160C
160C
160C
0,8 (0-3000)
0,8 (0-3000)
0,6 (0-3000)
0,4 (3000-4000)
0,4 (3000-4000)
0,4 (3000-4000)
180C
160C
1,2 (0-1000)
-0,2 (1000-1500)
180C
160C
1,2 (0-1000)
-0,2 (1000-1500)
0,8 (1500-8000)
0,2 (8000-12000)
0,8 (1500-8000)
0,2 (8000-12000)
180C
180C
180C
0
Założenia upraszczające: γwa = 0,6 C
Wysokość poziomu
kondensacji
800
1400
800
1100
900