Потенциал турғунлик ва нотурғунлик

Потенциал турғунлик ва нотурғунлик

Реал шароитларда катта ҳажмли ҳавонинг вертикал аралашувлари кузатилади. Бу жараён ҳаво массасининг фронт сирти бўлаб юқорилама ҳаракатида, тоғ тизмасидан ошиб ўтишида ва бошқа ҳолларда содир бўлади. Бундай ҳаракатларда аралашиш юз бераётган ҳаво қатлами нисбий намлигининг вергикал тақсимотига боғлиқ ҳолда нам ҳавонинг стратификацияси сезиларли ўзгариши мумкин. Икки ҳолни кўриб чиқамиз. Биринчи ҳолда ҳаво қатламининг кўтарилишгача бўлган стратификацияси мутлақо нотурғун.

Қатламнинг қуйи қисмидаги нисбий намлик (ТА) унинг юқори чегарасидаги (Тв)га нисбатан анча катта. Шунинг учун А заррача конденсация сатҳи (ТА )га тез эришади ва ундан юқорида нам адиабата бўйлаб кўтарилиб, секин-аста совиб боради. В заррача конденсация сатҳига (Тв ) эришгунча вертикал бўйлаб узунроқ йўлни босиб ўтади. А'В' чизиғи билан характерланувчи катлам
стратификацияси энди нам нотурғун бўлади. Иккинчи ҳолда қатламнинг бошланғич стратификацияси аввалги ҳолдаги каби мутлақо турғун (12-расм). Бироқ нисбий намлик баландлик бўйича ортиб боради. Ҳаво қатламининг кўтарилишида }шинг қуйидаги қисми (ТА ) юқорисидагига нисбатан (Тв ) конденсация сатҳига анча эрта эришади. Шундай қилиб, адиабатик кўтарилишда қатлам стратифкацияси янада турғунлашади. иккинчи ҳолда - потенциал тургун деб аталади. Биринчи ҳол ҳаво массасининг тоғ тизмасининг шамолга қараган сирти бўйлаб кўтарилишида кузатилиши мумкин. Стартификациянинг ўзгариши конвектив ҳаракатларга олиб келиб, конвектив булутлар шаюшаниши мумкин. Ҳўлланган термометрнинг ҳарорат кўрсаткичи (в') потеницал нотурғунлик ёки турғунлик мезони бўлиб хизмат қилади. Ағар бу ҳарорат қуйи сатхда юқори сатхдагига нисбатан кичик, яъни
бўлса, бу ҳол ҳаво массасининг потенциал зурғунлигига мос келади. Аксинча, яъни бўлганида, потенциал нотурғунлик кузатилади. Тенгламага мувофиқ, ҳаво заррасининг тезланиши зарра ва унинг атрофидаги ҳаво зичликларининг фарқига боғлиқ. Аввалги барча тенгламаларда намликнинг ҳаво заррасининг зичлигига таъсири ҳисобга олинмаган эди. Кўпчилик ҳолларда бу таъсир сезиларсиз бўлади. Бироқ етарлича катта ҳарорат ва нисбий намлиқца намликнинг таъсирини ҳисобга олиш ва бу бобда келтирилган барча муносабатларда Т кинетик ҳароратни Т0 виртуал ҳароратга алмаштириш керак. Ҳароратнинг вертикал градиенти у виртуал ҳароратнинг вертикал градиенти у0 га алмашгирилади:
Қуруқ адиабатик градиент зарра виртуал ҳароратининг градиенти билан алмаштирилади:
уа = ~ ~ = (1 + 0,6085>, -0,6087] ^ . (4.35)
Намликнинг зичликка таъсири ҳисобга олинганда атмосферанинг турғунлик мезонлари қуйидагича бўлади:
У и < У и , , У и = У и , . У и > Г ,Я
Нотургунлик энергияси. Термодннамик графиклар Зарра атрофдаги ҳаво ҳароратидан фарқли ҳароратга эга бўлганда ҳар бир сатҳда унга сузувчанлик кучи таъсир қилади. Бунинг натижасида бирлик массали ҳаво заррасини вертикал бўйича элеменгар с1г масофага кўчириш учун иш бажарилади.
ни ҳисобга олсак, бу иш қуйидагига тенг:
Статиканинг асосий тенгламаси ва қуруқ ҳаво учун ҳолат генгламасини ҳисобга олсак, қуйидагини ҳосил қиламиз:
Нотурғун стратификация ҳолида (Тг Те)> 0 ёки у>уа ва нотурғунлик энергияси мусбат. Агар Т,<Те бўлса, у ҳолда нотурғунлик энергияси манфий. Бу ҳолда стратификация эгри чизиғи ҳолат эгри чизиғидан ўнгрокда ётади.
Метеорологик кузатишлар ва атмосферани зондлашнатижаларини тахдил қилишда термодинамик графиклар деб аталувчи аэрологик диаграммапад кенг қўлланилади.
Тўғри тўртбурчак шаклидаги диаграмма бланкининг абсциссалар ўқи бўйлаб ҳарорат (1°С), ординаталар ўқи бўйлаб логарифмик шкаладаги босим (1§Р) жойланади. Бланкда шунингдек атмосфера ҳолатини тахдил қилиш учун керак бўлган қуйидаги эгри чизиқлар оилалари туширилган:
- изотермалар - ордината ўқига параллел тўгри чизикдар (-80 дан 40° ҳароратгача 1°С оралиқца ўтказилган);
- изобаралар - абсцисса ўқига параллел тўғри чизикдар (босимнинг 1050 дан 10 гПа қийматигача 10 гПа ораликда ўтказилган);
- куруқ адиабаталар - қуруқ ёки тўйинмаган нам зарранинг ҳолат эгри чизикдари;
- нам адиабаталар - тўйинган нам ҳавонинг ҳолат эгри чизиқлари;
- изограммалар - тўйиниш ҳолатидаги сув буғи масса улушининг тенг қийматлари эгри чизиқлари;
- қатламнинг берилган ўртача ҳароратида асосий изобарик сиртлар орасидаги масофа (гп.м да);
- тўйиниш ҳолатидаги виртуал қўшимчалар.
Тўғри тўртбурчак бланклар билан бир қаторда амалиётда аэрологик диаграммаларнинг оғма бурчакли бланклари ҳам қўлланилади. Унда изотермалар оғма тўғри чизиқлардан ташкил топади.
Аэрологик диаграммалар ёрдамида атмосфера ҳолатининг қуйидаги характеристикаларини ҳисоблаш мумкин:
- термодинамик ҳароратлар (потенциал, псевдопотенциал ва бошқалар);
- конденсация сатҳи;
- нотурғунлик энергияси ва бошқалар.
Катта оғиш бурчакли узлуксиз чизиқлар - қуруқ адиабаталар, кичик оғиш бурчакли чизиқлар - нам адиабаталар, пунктир чизиқлар - тўйиниш ҳолатидаги сув буғи масса улушининг изочизиқлари.
Асосий хулосалар
1. Энергия айланиши ва иссиқлик узатилиши таьсирида атмосфера ҳолати ўзгаришинининг асосий қонуниятлари термодинамиканинг биринчи қонуни билан тавсифланади ва у атмосфера жараёнларини тушунтириш учун қулай кўринишга келтирилади.
2. Дастлабки яқинлашувда атмосферадаги термодинамик жараёнларни қуруқ ва тўйинмаган нам ҳавода қуруқ адиабатик, тўйинган нам ҳавода нам адиабатик деб қабул қилиш мумкин. Термодинамик ҳароратлар ушбу жараёнларнинг характеристикалари ҳисобланади.
3. Ҳароратнинг реал ва адиабатик градиентлари орасидаги нисбат, шунингдек нотурғунлик энергияси ҳаво массасининг нотурғунлик мезонлари ҳисобланади. Вертикал бўйлаб чўзилган қатламлар учун нисбий намликнинг баландлик бўйича ўзгаришини ҳисобга олиш зарур.
•Планк қонуни - мутлак қора жисм нурланиш спектрида энергиянинг тўлқин узунликлари бўйича тақсимоти қонуни.
•Кирхгоф қонуни - термодинамик мувозанат шароитида жисмнинг маълум тўлқин узунлиги Л ва мутлақ ҳарорати Т учун нурлантириш қобилияти ехт нинг жисм ютиш қобилияти кх,т га шароитлардаги мутлақ қора жисмнинг (идеал ҳарорат нурлатувчи) нурлантириш қобилияти Ех тга тенг.
•Стефан-Больцман қонуни - мутлақ қора жисм учун тўлиқ нурлантириш қобилияти нурланиш оқимининг жисм мутлақ ҳарорати Т га боғланиши ифодаси: В^дТ4, бу ерда д – Стефан-Больцман доимийси.
•Вин қонуни - мутлақ қора жисм нурланишининг максимал тўлқин узунлиги Хтах ва жисм мутлақ ҳарорати Т орасидаги боғланиш ифодаси.
2. Радиациянинг ютилиши - моддаларга тушувчи нурли энергиянинг бошқа энергия турларига, айниқса иссиқликка (одатда қисман) айланиши. Атмосферада қуёш радиацияси, ер нурланиши ва атмосферанинг бошқа қатламлари нурланиши ютилади. Радиациянинг бундай ютилиши танлама бўлиб, асосан сув буғи, озон, углерод икки оксиди гази, камроқ кислород, шунингдек ҳаводаги коллоид аралашмалар томонидан ютилади. Атмосферада
келаётган қуёш радиациясининг 15% га яқини ва ер сирти нурланишининг катта қисми ютилади.
3. Радиациянинг сочилиши - қуёш радиациясининг турли синдириш коэффициентига эга бўлган атмосфера газлари молекулалари ва аэрозол зарраларида сочилиши. Тартибсиз иссиқпик ҳаракати оқибатида зичлик флюктуацияларини шакллантирувчи ва бунинг оқибатида атмосфераниш' оптик биржинсли эмаслигига олиб келувчи ҳаво молекулаларидан сочилиш атмосферада радиация сочилишининг катта қисмини ташкил этади.
Бу молекуляр сочилиш Релей қонуни бўйича сочилишга жуда яқин, яъни сочилаётган радиация тўлқин узунлигининг тўртинчи даражасига тескари пропорционал. Йирикроқ аэрозоль зарраларидан сочилиш тўлқин узунлигининг кичикроқ даражаларига тескари пропорционал (Ми қонуни), туман, булут ва шивалама томчиларидан сочилиш эса тўлқин узунлигига боғлиқ бўлмай диффуз акс эттириш табиатига эга.
4. Метеорологик кўринувчанлик узоқлиги - уфқцаги чўзинчоқ қора объектнинг кундузи осмон фонидаги кўринувчанлиги.
5. Туман пардаси (димка) - кўз билан ажратиб бўлмайдиган муаллақ ҳолдаги майда сув томчилари ва муз кристалларининг йиғилиб қолиши оқибатида ер сирти яқинида ҳавонинг кучсиз хираланиши.
6. Атмосфера шаффофлиги - атмосферанинг у ёки бу тўлқин узунликли радиацияни (ёруғликни) ўтказиш қобилияти. Жисмнинг сирти орқали ўтувчи радиация жадаллигининг жисмга тушувчи радиацияга нисбати билан аниқланади. Қуёш нурлаган электромагнит энергияси қуёш радиацияси ёки нурли энергия деб аталади. Ер сиртига етиб келган қуёш радиациясининг асосий қисми иссиқликка айланади. Сайёрамиз учун қуёш радиацияси ягона энергия манбаидир. Ҳарорати мутлақ нолдан юқори бўлган барча жисмлар ўзидан радиация нурлайди. Метеорологияда нурланаётган жисмнинг ҳарорати ва нурланиш қобилияти билан белгиланадиган ҳароратга боғлиқ радиация кўрилади. Жисмнинг нурланиш цобилияти деб бирлик вақт давомида бирлик юзадан (5=1 м2) барча йўналишларда нурланаётган энергия миқдори тушунилади. Бу катталик нурли оқим ёки радиация оқими деб ҳам аталади. СИ тизимида унинг ўлчов бирлиги Ж/м2 с ёки Вт/м2.
Уз навбатида нурланаётган жисм атрофдаги жисмлардан келаётган энергияни ютади. Жисм ва атроф-муҳит орасида нурланган ва ютилган энергия фарқлари билан белгиланадиган нурли иссиқлик алмашинуви юзага келади. Иссиқлик мувозанатида иссиқлик келиши унинг йўқотилиши билан мувозанатда бўлади. Ер шари нурли мувозанат ҳолатида бўлади, чунки у куёш радиациясини ютади ва нурланиши орқали йўқотади. Радиация нурлаётган жисм совийди, яъни унинг ички энергияси нурли энергияга айланади. Радиация ютилишида эса нурли энергия ички энергия, кейинчалик эса энергиянинг бошқа турларига ай-
ланади. Жисмларнинг ютиш ва нурлаш хоссалари мутлақ қора жисмга тааллуқли Кирхгоф, Планк, Вин ва Стефан-Болцман қонунлари билан тавсифланади. Тўлқин узунлигидан қатьий назар келаётган радиацияни бутунлай ютадиган жисм мутлақ қора жисм деб аталади. Бу қонунлар бўйича нурланаётган жисмнинг ҳарорати қанча баланд бўлса, у шунча кўпроқ энергияни олади (ютади). Ҳарораг ортиши билан энергия максимуми қисқа тўлқинлар томонига сурилади. Қуёш нурланиши мутлақ қора жисмнинг нурланиш қонунлари билан тавсифланади, Ер нурланиши эса бундан бироз фарқ қилади.
Куёш электромагнит тўлқинларни кенг диапазонда нурлайди:
гамма-нурлардан то радиотўлқинларгача. Метеорологияда 0,1 мкм дан 4 мкм гача тўлқинлар диапазонига тўғри келадиган Қуёш радиацияси кўрилади, чунки бу тўлқинлар диапазонига Қуёш радиациянинг 99% энергияси тўғри келади. Бу тўлқинлар диапазонидаги радиация қисқа тўлқинли радиация деб аталади. Қуёш радиация энергиясининг тўлқинлар узунлиги бўйича ўзгариши
қуёш радиацияси спектри деб номланади Қуёш радиацияси спектрини шартли равишда бир неча қисмларга бўлиш мумкин. 0,1^0,39 мкм тўлқинлар диапазонидаги радиация - ультрабинафша радиация деб номланади. Бу диапазондаги радиацияга қуёш радиациянинг 9% энергияси тўғри келади. Кўринувчан радиация 0,40 дан 0,76 мкм гача тўлқинлар диапазонини эгаллайди ва бу диапазонга қуёш радиациясининг 47% энергияси тўғри келади. Инфрақизил нурланиш (0,76-И мкм) қуёш нурланишининг таҳминан 44% ини ташкил қилади. Куёш радиация спектрининг максимуми таҳминан 0,475 мкм тўлҳин узунлигига, яъни кўринувчан радиациянинг кўк-ҳаво ранг разтгларига тўғри келади. Тажрибадан аниқланган қуёш радиацияси спектрини ҳарорати таҳминан 6000 К га тенг бўлган мутлақ қора жисмнинг Планк қонуни бўйича ҳисобланган нурланиш спектри билан таққослаш, уларнинг деярли бир хиллигини кўрсатади. Спектрнинг ультрабинафша радиация диапазонида баъзи фарқпар кўзга ташланади. Бундан, қатъий айтганда, Қуёш мутлақ қора жисм эмаслиги ҳақида хулоса қилинади.
Қуёш доимийси - бу Ердан Қуёшгача бўлган ўргача масофада, атмосферанинг юқори чегарасида қуёш нурларига перпендикуляр бирлик юзага бирлик вақг давомида келган қуёш радиацияси миқцоридир. Ер усти ўлчовлари, сунъий йўлдошлар ва космик кемалардан олинган кузатишлар натижасида ҳозирги пайтда қуёш доимийсининг сон қиймати 1,367 ± 0,007 кВт/м2 га тенг эканлиги
аниқланган. Ер орбитаси чўзилган эллипс бўлганлиги учун (Қуёшдан масофа январда - 147 млн. км, июлда - 152 млн. км), йил мобайнида қуёш доимийсининг сон қиймати ±3,5% га ўзгаради. Қуёш доимийсининг қийматига Қуёш фаоллиги ва бошқа астрономик омиллартаъсир қилади. Бир йилда ер сиртининг ҳар 1 км2 майдонига ўртача 4,27-1016 Ж иссикдик етиб келади. Бундай микдордаги энергияни олиш учун 400 минг тонна тошкўмирни ёндириш керак. Баҳолашларга кўра, Ер шаридаги барча тошкўмир захиралари ёндирилса, 30 йил мобайнида Қуёшдан келган радиация оқими миқдорига тенг
бўлади. Қуёш Ерга бутун Ер шаридаги электростанциялар бир йилда ишпаб чиқарган энергия миқцорига тенг бўлган энергияни 1,5 суткада беради. Шу билан бирга, Ерга етиб келаётган қуёш радиацияси Қуёш бераётган жами нурланишнинг таҳминан 2 млрд. дан бир қисмини ташкил этади. Шундай қилиб, қуёш энергиясининг улкан потенциал заҳиралари ундан Ерда ягона энергия манбаи сифатида фойдаланиш имконини беради.