Transcript Chapter1-Atmosfaira

Η ατμόσφαιρα της γης
www.geography4kids.com
Υψος γήινης ατμόσφαιρας



Η γήινη ατμόσφαιρα που περιβάλλει από παντού
τον πλανήτη, έχει το σχήμα ενός σφαιροειδούς που
είναι πεπλατυσμένο στους πόλους (παρόμοιο με
εκείνο της γης).
Ατμοσφαιρικό όριο: η επιφάνεια στην οποία από
άποψη κοσμικής κλίμακας χρόνου, ο αριθμός των
σωματιδίων που διαφεύγουν είναι ίσος με τον αριθμό
των σωματιδίων που εισέρχονται (θεωρητική απόψη
- 28000 km πάνω από τους πόλους, 42000 km πάνω
από τον Ισημερινό).
Παρόλα αυτά, υπάρχουν φαινόμενα τα οποία δεν μας
επιτρέπουν να εκτιμήσουμε ύψος γήινης
ατμόσφαιρας μεγαλύτερο των 3000 km.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Υψος νεφών (θύσσανοι με ύψος 10-12 χλμ,
σωρειτομελανίτες με ύψος 15 χλμ, μαργαρώδη
νέφη με ύψος 20-25 χλμ με ίχνη νερού και
φωσφορίζοντα ή φωτεινά νέφη με ύψος 80-85
χλμ).
Διάρκεια λυκόφωτος – λυκαυγούς (ύψος 79.5 χλμ)
Μετεωρίτες και διάττοντες αστέρες (ανώτατο όριο
ατμόσφαιρας στο οποίο οι μετεωρίτες γίνονται
ορατοί, 200-300 χλμ, ταχύτητα 20-80km/secμετεωρίτες).
Ζώνες σιγής του ήχου (σε ύψος 80 χλμ σημειώνεται
ανάστροφή θερμοκρασίας που δρα ως
ανακλαστήρας των ηχητικών κυμάτων).
Διαστημόπλοια (η πυράκτωση κατά την είσοδο και η
διακοπή στις τηλεπικοινωνίες αποδεικνύουν την
ύπαρξη ικανής ατμοσφαιρικής ύλης σε ύψη 200350 χλμ).
Ιονισμένες ατμοσφαιρικές στοιβάδες (ανάκλαση
7.
8.
Πολικό σέλας (φαινόμενο Η/Μ φύσης και
οφείλεται στη σωματιδιακή ακτινοβολία του
ήλιου – 200-1000 χλμ).
Δορυφορικές μετρήσεις (σε συμφωνία με άλλες
παρατηρήσεις φυσικών φαινομένων με μέγιστο
ύψος στα 3000 χλμ).
Ατμοσφαιρική μάζα
go=980.616 cm/sec2 or 9.81 m/sec2
 gφ=go(1-26373X10-7συν2φ+59Χ10-7συν22φ)
 gφ,h= ?? για πρακτικούς λόγους η επιτάχυνση
της βαρύτητας παραμένει ανεξάρτητη του
ύψους.
 Αν Ρο=1013.25mb = 1013.25 Χ 102 Ν/m2 ,
RΓ=6371 Χ 103 μ
 Ρο=ΜΑ.g / 4πRΓ2 => MA = 4.π.RΓ2.Ρο / g
 MAτμοσφ. = 5.27 X 1018 Kgr
 MOcean = 1.35 X 1024 Kgr

Συνολική μάζα της ατμόσφαιρας



Το 99 % της συνολικής μάζας της ατμόσφαιρας αντιστοιχεί
στα 40 κατώτερα km.
Το 95 % της συνολικής μάζας της ατμόσφαιρας
αντιστοιχεί στα 20 κατώτερα km.
Το 75 % της συνολικής μάζας της
ατμόσφαιρας αντιστοιχεί στα 10 κατώτερα
km.
 Το
50 % της συνολικής μάζας της
ατμόσφαιρας αντιστοιχεί στα 5
κατώτερα km.
Χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας
H ατμόσφαιρα της Γης, στα κατώτερα στρώματά της
αποτελείται από,
1. Ξηρός καθαρός ατμοσφαιρικός αέρας (απαλλαγμένος
από υδρατμούς, κονιορτούς, αερολύμματα)
1. Ν, Ο, Ar, CO2 (99.98%)
2. Οξείδια αζώτου, θείου, αμμωνία, νιτρικό-θειώδες
οξύ, ροδόνιο, ιώδιο, ραδιενεργά στοιχεία, κ.α.
2. Υδρατμούς
3. Ατμοσφαιρικά αιωρήματα
Η αναλογία των συστατικών είναι σταθερή μέχρι το ύψος
των 100Km = η ατμόσφαιρα είναι καλά ανακατεμένη
(αν όχι, λόγω ειδικού βάρους των αεριων τι θα
γινόταν ????)
Χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας
Αποτελείται κυρίως από:

Μίγμα αερίων (ξηρός αέρας)

Άζωτο (78%) (αδρανές, αραίωση οξυγόνου)

Οξυγόνο (21%) (ανανεώνεται με διεργασίες
στην λιθόσφαιρα, βιόσφαιρα, υδρατμοί.
Οξυγόνο  ατμόσφαιρα μέσω
ΦΩΤΟΔΙΑΣΠΑΣΗΣ + ΦΩΤΟΣΥΝΘΕΣΗΣ,
δεσμεύεται από ΚΑΥΣΕΙΣ

Όζον (<1%, ύψος 0-66km, οζονόσφαιρα=1535km)

CO2 (εισέρχεται στην ατμόσφαιρα από,

CO2 (εισέρχεται στην ατμόσφαιρα από,

Διεργασίες ζωντανών οργανισμών

Αποσύνθεση οργανική ύλης

Καύσεις οργανικής ύλης (άνθρακας, πετρέλαιο,
ξύλα, υγραέριο, κ.α.)

Δεσμεύεται από,
 Φωτοσύνθεση (3%)
 Διάλυση στο νερό (ωκεανοί)
 Νεκρά οργανικά υπολλείματα -> χούμο
Το CO2 είναι σημαντικό για την θερμοοικονομία του
πλανήτη μας διότι, συμβάλει στη θέρμανση της
κατώτερης ατμόσφαιρας και την ψύξη της
ανώτερης ατμοσφαιράς.
Χημική σύνθεση της
ατμόσφαιρας


Νερό (αέρια, υγρή, στερεή φάση – προέρχονται από
την εξάτμιση υδροσυλλογών και απο τη διαπνοή των
φυτών, περί τα 4%, σημαντικοί φορείς θερμικής
ενέργειας  αίτιο γένεσης πολλών μετεωρολογικών
φαινομένων.)
Στερεά ή υγρά σωματίδια (αερολύμματα ή
aerosols)
 Κονιορτοί
 Αιωρήματα εδαφικής προέλευσης (έρημος +
δράση ανέμου)
 Στάχτη, σποδός, αιθάλη (εκρήξεις ηφαιστείων,
πυρκαγιές, βιομηχανικές και οικιακές καύσεις)
 Διαπλανητική σκόνη (αιωρείται στην ατμόσφαιρα
από την καύση των εισερχόμενων μετεωριτών,
1000 τόνοι/ημέρα, μέγιστο συγκέντρωσης στα
70-90km)
Χημικές ενώσεις
 Φυσικές διεργασίες (μεθάνιο, υδρόθειο,
υδρογονάνθρακες, κ.α.)
 Καύσεις και βιομηχανικές διεργασίες (οξείδια
θείου, άνθρακα, αζώτου, προϊοντα λειτουργίας
κινητήρων, κ.α.)
 Οργανικά αιωρήματα
 Γύρη φυτών, βακτήρια, μύκητες, σπόρια,
εντομα, κ.α.
Ομοιόσφαιρα (σταθερή αναλογία συστατικών μέχρι
τα 100 χλμ) – τροπόσφαιρα, στρατόσφαιρα και
μεσόσφαιρα.
Στρατόσφαιρα + μεσόσφαιρα = μέση ατμόσφαιρα
Ετερόσφαιρα (μεταβλητή αναλογία συστατικών >
100 χλμ.)



Ατμόσφαιρα και θερμοκρασία

Θερμόσφαιρα(μέχρι 400
km)


Μεσόσφαιρα(μέχρι 80-85
km)


Στρατόπαυση
Στρατόσφαιρα(μέχρι 45
km)


Μεσόπαυση
Τροπόπαυση(!!!)
Τροπόσφαιρα (12±4 km,
7-8km πάνω από τους
πόλους και 16-17km πάνω
από τον ισημερινό)
Τροπόσφαιρα



Γνωστή και ως κατώτερη ατμόσφαιρα (80% της
ατμόσφαιρας και σχεδόν όλη την ποσότητα των
υδρατμών)
0-1.5χλμ = στρώμα τριβής – ημερήσιες μεταβολές
ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας
Τροπόσφαιρα χαρακτηρίζεται από,





Ομοιόμορφη ελάττωση θερμοκρασίας με το ύψος
(6.5οC/Km)
Αύξηση ταχύτητας ανέμων με το ύψος (λόγω
ελάττωσης ....?? ... τριβής)
Σημαντική περιεκτικότητα σε υδρατμούς
Αξιόλογες κατακόρυφες κινήσεις αέρα
Συνεχή εναλλαγή ατμοσφαιρικών φαινομένων –
καιρός
Τροπόπαυση




Μεταβατική ζώνη μεταξύ 
τροπόσφαιρας και
στρατόσφαιρας.
To κομμάτι που μας
ενδιαφέρει στη
Μετεωρολογία είναι τα
κατώτερα 20-25 km.
Στην τροπόπαυση η
θερμοκρασία παραμένει
σταθερή (-70 - -80οC

ισημερινό, -50 - -60οC
στους πόλους.
Είναι μια ασυνεχή
επιφάνεια και το ύψος της
μεταβάλλεται από τόπο σε
τόπο.
Πολική τροπόπαυση (7-8
km) και τροπική (16-17
km) στα μέσα γ. Πλάτη
βρίσκονται 2
τροποπαύσεις με
κατακόρυφη απόσταση
περί τα 2.5-5.0km. Από
το διάκενο διέρχεται
διέρχεται το jet-stream
Μέχρι εκεί έχουμε
εμφάνιση του ‘καιρού’
αεροπλάνα κινούνται
στην περιοχή αυτή.
Στρατόσφαιρα





Ατμοσφαιρικό στρώμα που βρίσκεται πάνω από
την τροπόσφαιρα και διαχωρίζεται από αυτήν με
την τροπόπαυση
Βάση ιδιοτήτων και θερμοκρασιακών μεταβολών
διακρίνεται σε ανώτερη (έως 50-55km) και
κατώτερη (έως 35km) στρατόσφαιρα.
Κατώτερη στρατόσφαιρα = θερμοκρασιακή
ευστάθεια, οριζόντιες κινήσεις ανέμων (μεγάλη
ισχύ ανέμων και ταχύτητα), χαμηλές
θερμοκρασίες, μεγάλη ξηρασία.
Ανώτερη στρατόσφαιρα = αύξηση θερμοκρασίας
(0οC στα 55km) λόγω όζοντος
Κατά τη διάρκεια χειμώνα και άνοιξη,
εκδηλώνονται πολύ βίαιες θερμοκρασιακές
Στρατόπαυση

Υπερκείμενο της στρατόσφαιρας με μέγιστη τιμή στην
θερμοκασιακή μεταβολή.
Μεσόσφαιρα


Δραματική μείωση της θερμοκρασίας (-90oC) λόγω
απουσίας όζοντος, μέχρι και το ύψος των 80-85km.
Κυριαρχείται από δυνάμεις βαρύτητας, ενδογενούς
πίεσης, υπεριώδους ακτινοβολίας.
Μεσόπαυση



Διαχωριστική επιφάνεια αναμεσα στη μεσόσφαιρα και
στην θερμόσφαιρα.
Εντοπίζεται στα 80km με θερμοκρασίες περί τους 150οC. Είναι η ψυχρότερη περιοχή της γήϊνης
ατμόσφαιρας.
Σε μεγάλα γ. Πλάτη παρατηρούνται τα φωτεινά ή
φωσφορίζοντα νέφη με τον ήλιο στις 5ο-10ο κάτω από
Θερμόσφαιρα



Η θερμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από τη συνεχή
αύξηση της θερμοκρασίας (727οC) μέχρι το ύψος
των 400km.
Ανάλογα με τη δράση του ήλιου και την παρουσία
ηλιακών εκλάμψεων, η θερμοκρασία μπορεί να
φτάσει τους, 1427οC.
H αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται στη,





Μεγάλη αραίωση του αέρα,
Στην έλλειψη τριατομικών μορίων
Στην παρουσία ηλιακής ακτινοβολίας με μήκη κύματος
μικρότερα των 1750Α
Στην ενέργεια που εκλύεται από διάφορες εξώθερμες
χημικές αντιδράσεις.
Δεν έχουν διαπιστωθεί διεργασίες ψύξης και η μόνη
ψύξη συντελείται μέσω αγωγή της θερμότητας προς
τα κάτω.
Εξώσφαιρα



Παύει η αύξηση της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας
– ισόθερμη περιοχή.
Η βάση της βρίσκεται στα 400-500km (εξαρτάται από
την ηλιακή ακτνοβολία/δραστηριότητα).
Μέση διαδρομή μορίων, 1.6km.
Ιονόσφαιρα - Ιοντόσφαιρα




Εκτείνεται από τα 70-1000km με μέγιστη πυκνότητα
ηλεκτρονίων και ιόντων στα 300km, περίπου.
Πραγματοποιείται μερικώς ιονισμός των
ατμοσφαιρικών συστατικώναπό τις διάφορες
ακτινοβολίες του ήλιου ή τις σωματιδιακές
ακτινοβολίες.
Σε διάφορα ύψη τα ιόντα-ηλεκτρόνια πυκνώνουν και
σχηματίζουν τα στρώματα, D, E, F1, F2.
Κάθε τηλεπικοινωνία πραγματοποιούνται μέσω
Μεταβολή μετεωρολογικών παραμέτρων
με το ύψος

Θερμοκρασία

Πυκνότητα

Πίεση

Θερμοκρασία


z
τροπόσφαιρα :

0
z
γ≈ 6οC/km ή 0.6οC/100m
κατακόρυφη
θερμοβαθμίδαεκφράζει τον
ρυθμό μείωσης θ/σίας του
αέρα ανά μονάδα ύψους
ΠΡΟΣΟΧΗ!!!
Η θερμοκρασία δεν μειώνεται πάντα με το ύψος (όπως συμβαίνει στην
τροπόσφαιρα). Πολλές φορές γίνεται το αντίθετο (θερμοκρασιακή
αναστροφή).
Το πάχος (d) του τροποσφαιρικού στρώματος αέρα λέγεται βάθος της
αναστροφής, το ύψος της βάσης του στρώματος από την επιφάνεια ορίζεται
ως υψος αναστροφής, ενώ το γ ορίζει το μέγεθος της αναστροφής.




Με την υπόθεση ότι η θερμοβαθμίδα διατηρείται
σταθερή,
Τ(z)=T(z0)-γ(z-z0), όπου γνωρίζοντας τη τιμή της
θερμοκρασίας στο Z0 μπορώ να βρώ τη τιμή σε
οποιαδήποτε ύψος.
Τα συνηθισμένα θερμόμετρα μπορούν να
μετρήσουν μέχρι ύψος 60km, πάνω από αυτό το
ύψος, η θερμοκρασία υπολογίζεται από την
αντίστοιχη τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης (Ρ), τη
πυκνότητα (ρ) και το μοριακό βάρος (Μ) του
αέρα,

Ρ=ρ . (R*/M) . T  P = ρ . Rα . Τ, R*=παγκόσμια
σταθερά αερίων, Ra = ειδική σταθερά αεριών (ξηρό
αέρα)

Οι αναστροφές αυτές είναι πολύ σημαντικές γιατί:

από δυναμικής άποψης, είναι ευσταθείς

εμποδίζουν τις ανοδικές κινήσεις

δημιουργούν ένα «ταβάνι» που είναι υπεύθυνο για
την αύξηση της ρύπανσης ή μόλυνσης των
κατώτερων στρωμάτων
Μεταβολή μετεωρολογικών παραμέτρων
με το ύψος

Θερμοκρασία

Πίεση

Πυκνότητα
Πίεση:
Υδροστατική
ισορροπία:
σε μια
κατακόρυφη
στήλη αέρα, η
διαφορά πίεσης
ανάμεσα στο
πάνω μέρος και
στο κάτω μέρος,
είναι τέτοια ώστε
να εξισορροπεί
το βάρος της
στήλης

Δύναμη λόγω
διαφοράς πίεσης
Z2
z
Z1
Βάρος
P( z2 ) A  mg  P( z1 ) A  P( z1 ) A  P( z2 ) A  gA( z2  z1 )
P( z1 ) A  P( z2 ) A  gA( z2  z1 )  0 
P( z2 )  P( z1 )
  g 
( z2  z1 )
dP
  g
dz
Ρ(z)=P0e-(gz/RaT)
Για μια μέση θερμοκρασία Τ=250οΚ, το Ρ0 ισούται
με,
Ρ(z)=P0.10-(z/17)
Που σημαίνει ότι η πίεση στην ατμόσφαιρα
ελαττώνεται κατά έναν παράγοντα του 10 για κάθε
17km ύψους...
Ισοβαρής καμπύλη: ο γεωμετρικός τόπος των
σημείων μιας γεωγραφικής περιοχής που έχουν την
αυτή τιμή ατμοσφαιρικής πίεσης στην ίδια χρονική
στιγμή ή περίοδο.
Χάρτης ισοβαρών καμπύλων  χάρτης καιρού
Μονάδες πίεσης
1mb=10-3 bar=103 dyn.cm-2=102 Nt.m-2=0.750 mmHg
1 At = 760 mmHg = 1013.25 mb, 1 Pa = Nt.m-2
Υψομετρική εξίσωση
Δz = 67.4.T.log(P1/P2)
Όσο μεγαλώνει η θερμοκρασία, τόσο αυξάνει το πάχος
του στρώματος (ισοπαχείς).
Μεταβολή μετεωρολογικών παραμέτρων
με το ύψος

Θερμοκρασία

Πίεση

Πυκνότητα

Πυκνότητα:
Για μια ισόθερμη
ατμόσφαιρα, η
πυκνότητα ελαττώνεται
εκθετικά.
d
g

dz 

RT
g
d (ln  )  
dz 
RaT
 ( z)
z
g
 d (ln  )   RaT  dz 

0
0
 g
 ( z )  0  exp 
 RaT

z

Ατμοσφαιρικά μοντέλα




Ομογενής ατμόσφαιρα
 Σταθερή τιμή πυκνότητας με το ύψος
 Κατακόρυφη θερμοβαθμίδα, 3.4οC/100m –
αυτοανοδική θερμοβαθμίδα
Ισόθερμη ατμόσφαιρα
 Η τιμή της θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα
είναι σταθερή και ανεξάρτητη της θέσεως.
Βαροτροπική και Βαροκλινική ατμόσφαιρα
 Βαροτροπική = η πυκνότητα ατμοσφαιρικού αέρα
είναι συνάρτηση της πίεσης
 Βαροκλινική = η πυκνότητα του ατμοσφαιρικού
αέρα είναι συνάρτηση της πίεσης και
θερμοκρασίας.
Ατμόσφαιρα με σταθερή θερμοβαθμίδα