4.9. Энергия неустойчивости На каждом уровне на частицу, имеющую температуру, отличную от
температуры окружающего воздуха, действует сила плавучести, под
действием которой совершается работа по вертикальному перемещению
частиц единичной массы на элементарное расстояние dz. С учетом (4.30) эта
работа равна:
(4.36)
С учетом основного уравнения статики и уравнения состояния для сухого воздуха, получим:
(4.37)
Проинтегрируем (5.37) в пределах от Р1, где Еi=0 до Р2, где Еi=Е и получим:
(4.38)
где Е - энергия неустойчивости слоя между уровнями, на которых давление
равно Р1 и Р2.
В случае неустойчивой стратификации разность (Ti-Тe)>0 или > и
энергия неустойчивости положительна. Если Ti<Тe, то в этом слое энергия неустойчивости отрицательна. Кривая стратификации лежит при этой правее кривой состояния.
4.10. Термодинамические графики
При анализе результатов метеорологических наблюдений и зон-
дирования атмосферы широко используют так называемые термодинамичес-
кие графики. Большое распространение получила аэрологическая диаграмма
(рисунок 13). На прямоугольном бланке диаграммы по оси абсцисс отложена
температура (t 0C), по оси ординат - давление в логарифмической шкале
(lgР).
На бланке нанесены также необходимые для анализа состояния атмосферы
следующие семейства кривых:
Рис. 13. Аэрологическая диаграмма.
Сплошные линии с большим углом наклона – сухие адиабаты, с меньшим
углом наклона – влажные адиабаты, пунктирные лини – изолинии массовой
доли водяного пара для состояния насыщения.
- изотермы - прямые, параллельные оси ординат (проведены через 1 0С
для значений температуры -80 до 400);
- изобары - прямые, параллельные оси абсцисс (через 10 гПа для
значений давления от 1050 до 10 гПа);
- сухие адиабаты - кривые состояния сухой или влажной ненасы-
щенной частицы;
- влажные адиабаты - кривые состояния влажного насыщенного
воздуха;
- изограммы - кривые равных значений массовой доли водяного пара в
состоянии насыщения;
- расстояния (в гп.м) между главными изобарическими поверхностями
при данной средней температуре слоя;
- виртуальные добавки в состоянии насыщения.
Наряду с прямоугольными бланками на практике используют косоу-
гольные бланки аэрологической диаграммы. На нем изотермы представляют
собой наклонные прямые линии.
С помощью аэрологической диаграммы можно рассчитывать такие
характеристики состояния атмосферы как:
- термодинамические температуры (потенциальная, псевдопотенци-
альная и др.);
- уровень конденсации;
- энергия неустойчивости и др.
Основные выводы
1. основные закономерности преобразования энергии и изменения
состояния атмосферы под влиянием притока тепла описываются первым
началом термодинамики, которое приводится к виду удобному для
использования в атмосферных процессах.
2. В первом приближении термодинамические процессы в атмосфере
можно рассматривать как сухоадиабатические в сухом и влажном
ненасыщенном воздухе, как влажно-адиабатические во влажном
насыщенном воздухе. Характеристиками этих процессов являются
термодинамические температуры.
3. Критериями неустойчивости воздушной массы являются
соотношения между реальным и адиабатическими градиентами температуры,
а также энергия неустойчивости. Для протяженных по вертикали слоѐв
следует учитывать изменение по высоте относительной влажности.
Контрольные вопросы
1. Выведете уравнение первого начала термодинамики, используемое в
физике атмосферы.
2. Какой процесс называют адиабатическим? Сухоадиабатическим?
Выведете формулу уравнения сухой адиабаты (Пуассона).
3. Что представляет собой потенциальная температура? Какие ее
свойства?
4. Получите уравнение для полной энергии воздушной частицы.
5. Как связана потенциальная энергия с энтропией? С какой целью
применяют изэнтропический анализ?
6. Охарактеризуйте влажно- и псевдоадиабатический процессы.
7. Какой смысл имеет уравнение конвекции? Получите критерии
устойчивости по отношению к сухому и влажному насыщенному
воздуху.
8. Как изменяется стратификация атмосферы в суточном ходе? В
различных воздушных массах?
9. Когда и как в атмосфере возникает потенциальная неустойчивость и
потенциальная устойчивость?
10. Что представляет собой энергия неустойчивости?
11. Что представляют собой термодинамические графики? С какой целью
они применяются?
