Šilumos apykaita atmosferoje ir paklotiniame paviršiuje PDF

Šildymo sistemos pataisymas pranašauja oro atšilimą Merfio dėsnis 3 SKYRIUS Šilumos apykaita atmosferoje ir paklotiniame paviršiuje  Šilumos apykaita atmosferoje ir paklotiniame paviršiuje Oro temperatūros k...

Šildymo sistemos pataisymas pranašauja oro atšilimą Merfio dėsnis 3 SKYRIUS Šilumos apykaita atmosferoje ir paklotiniame paviršiuje  Šilumos apykaita atmosferoje ir paklotiniame paviršiuje Oro temperatūros kaitos priežastys Šilumos apykaitos formos: Advekcija - oro ir jo savybių Spindulinė pernaša horizontalia kryptimi. Molekulinė Turbulencinė Vandens fazinių virsmų šiluma Adiabatiniai procesai  Adiabatiniai būvio pasikeitimai atmosferoje Adiabatiniai procesai - tai procesai, vykstantys be šilumos apykaitos su supančia aplinka. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį idealiom dujom šilumos prietaka (dQ) yra naudojama vidinės dujų energijos didinimui (dU=cvdT), ko pasekoje išauga oro temperatūra, ir mechaninio darbo, nukreipto prieš išorinį slėgį, dėl ko išauga dujų tūris dA = pdV, atlikimui. dQ = cvdT + pdv, dT - oro temperatūros pokytis; cv – specifinė oro šilumos talpa, kai tūris pastovus; dv - tūrio pokytis Adiabatinio proceso metu dQ=0, todėl: -cvdT = pdv Jei oro masė adiabatiškai plečiasi, tai ji atlieka darbą nukreiptą prieš išorinį slėgį ir todėl jos vidinė energija, o tuo pačiu ir oro temperatūra bei slėgis mažės. http://www.youtube.com/watch?v=dQeCEqkE9eE Oro tūriui adiabatiškai kylant į viršų jis patenka į mažesnio išorinio slėgio sluoksnius ir plečiasi, naudodamas vidinę energiją. Oro tūrio temperatūra mažėja. SVARBU!!!! Oro tūriui adiabatiškai leidžiantis, jis patenka į didesnio išorinio slėgio sluoksnius ir yra suspaudžiamas, o išorinių jėgų atliekamas darbas pereina į vidinę energiją. Oro tūrio temperatūra auga.  Atmosferoje oro plėtimasis ir dėl to vykstantis temperatūros bei slėgio kritimas dažniausiai Orui judant žemyn, jis yra susijęs su aukštyneigiu oro suspaudžiamas, todėl didėja judėjimu. Aukštyneigis slėgis ir temperatūra. judėjimas dažniausiai vyksta: Žemyneigiai oro judesiai daugiausia siejami su: šiltam orui kylant į viršų dieninės konvekcijos metu ar dėl vėsesnio oro leidimusi oro turbulencijos; dieninės konvekcijos metu ar lengvesniam šiltam orui dėl oro turbulencijos; kylant virš šalto; oro leidimusi šaltos oro masės orui kylant kalnų šlaitais; priekinėje dalyje; orui konverguojant prie oro leidimusi kalnų šlaitais; žemės paviršiaus; oro konvergencija viršutinėje banginių procesų atmosferoje troposferoje; metu. banginiais procesais atmosferoje.  Sausaadiabatiniai temperatūros pokyčiai Sausaadiabatiniai – procesai vykstantys neprisotintame vandens garais ore Sausaadiabatinio proceso arba Puasono lygtis: R d / cp T  p =   T0  p0  Jei procesas yra adiabatinis ir slėgis kinta nuo p0 iki p, tai žinant pradinę oro temperatūrą T0 galima apskaičiuoti temperatūrą T proceso gale. Rd/cp= 0,286 yra bedimensinis dydis, kur Rd - dujų konstanta, cp - specifinis šiluminis talpumas  Sausaadiabatinis gradientas a visada lygus 0,98°C/100m Sausaadiabatinis gradientas nėra tiesiogiai susijęs su vertikaliu temperatūros gradientu. Negalima jų painioti!!! Oro masės plėtimasis bei temperatūros mažėjimas sausaadiabatinio kilimo metu  Drėgnaadiabatinis temperatūros kitimas Drėgnaadiabatiniai – procesai vykstantys prisotintame ore. Kylant drėgnam neprisotintam orui, kartu su temperatūros kritimu, ore esantys vandens garai artėja prie sočiųjų vandens garų būvio. Ties kondensacijos lygiu garai tampa sočiaisiais. Ore pradeda vykti garų pertekliaus kondensacija, ko pasekoje išsiskiria gan didelis šilumos kiekis, kuris yra vadinamas fazinių virsmų šiluma arba kondensacijos šiluma. Slaptoji vandens fazinių virsmų šiluma, kJ/kg arba J/g Tirpimas (užšalimas) Garavimas Sublimacija (kondensacija) Vanduo, 0 °C 334 2501 2835 Vanduo, 25 °C 2441 Vanduo, 100 °C 2258  Prisotintam orui leidžiantis, jis šyla, °C/100 m vyksta kondensacijos produktų 1 garavimas. Garavimui yra sunaudojama 0,8 šiluma. 0,6 Temperatūros kitimas (°C/100 m) vandens 0,4 garais prisotinto oro kilimo metu - vadinamas drėgnanadiabatiniu gradientu 0,2 °C –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 Drėgnaadiabatinio gradiento Kuo aukštesnė oro temperatūra, o tuo reikšmės priklausomybė nuo pačiu didesnis drėgmės kiekis, tuo vandens garais prisotintos oro lėčiau temperatūra kinta. masės temperatūros Prie ypač žemų temperatūrų vandens garų ore yra nedaug ir jų išskiriama kondensacijos šiluma yra nedidelė. Todėl esant žemai oro temperatūrai drėgnaadiabatinis gradientas artėja prie sausaadiabatinio Drėgnaadiabatinis procesas Kondensacijos lygis Sausaadiabatinis procesas  Ekvivalentinė temperatūra – tai temperatūra, kurią įgautų oro tūris, jei visi jame esantys vandens garai susikondensuotų į vandens lašelius. Ekvivalentinė temperatūra apskaičiuojama taip: kur Te – ekvivalentinė temperatūra (K); T – reali oro temperatūra (K); L – slaptoji (kondensacijos) šiluma (kJ/kg); cp – oro specifinė šilumos talpa, esant pastoviam slėgiui (kJ/(kg×K)); r – mišinio santykis.  Potenciali temperatūra Potenciali temperatūra - temperatūra, kurią įgautų oras, jei jis sausaadiabatiškai nusileistų iki 1000 hPa slėgio izobarinio paviršiaus. Pagal Puasono lygtį potenciali temperatūra () bus lygi: 0.286  1000   = T   p  Potencialią temperatūrą galima pakankamai tiksliai apskaičiuoti pagal supaprastintą formulę:  = T + 0,01z, kur z - taško aukštis virš jūros lygio (metrais) Ekvivalentinė potenciali temperatūra (Θe). Tai tokia temperatūra, kurią įgautų oro tūris, jei susikondensavus jame esantiems vandens garams jis sausaadiabatiškai nusileistų iki 1000 hPa izobarinio paviršiaus.  Pseudoadiabatinis procesas Iškrenta krituliai Sausaadiabatinis leidimasis Drėgnaadiabatinis kilimas Sausaadiabatinis kilimas Proceso pabaigos temperatūra tapo aukštesne, nei pradžios. , Turbulencija Oro judėjimas, kai atskiri oro tūriai juda lygiagrečiai aplinkiniams oro tūriams vadinamas laminariniu. Atmosferoje oro judėjimas pasižymi turbulentiškumu, t.y. atskiri oro tūriai ore maišosi, judėdami ne lygiagrečiais keliais. Turbulencijos elementas Reinoldso skaičius (Re) kur ρ – oro tankis (kg/m3), v – oro judėjimo greitis (m/s), l – linijinė srauto arba turbulenciją sukeliančios kliūties dydį apibūdinantį charakteristika (m) (pavyzdžiui, turbulencinio srauto skersmuo), η – dinaminis klampos koeficientas (kg/(m×s))  Turbulencijos tipai: Dinaminė Terminė Vėjo greičio skirtumas tarp gretimų oro tūrių vadinamas vėjo poslinkiu. Ričardsono skaičius – sausaadiabatinio ir vertikalaus temperatūros gradientų skirtumas (ºC/100m), dv/dz – vėjo poslinkis (m/s), g – laisvojo kritimo pagreitis (m/s2), Θ – potenciali temperatūra (K). Jei stratifikacija pastovi Ričardsono skaičius yra teigiamas, o jei nepastovi – neigiamas. Kuo mažesnė Ri reikšmė, tuo palankesnės sąlygos turbulencijai vystytis. Ričardsono skaičius apjungia dinaminę ir terminę turbulencijos dedamąsias Turbulentinės difuzijos metu vyksta šilumos, drėgmės bei judesio kiekio (mv) apykaita su aplinkiniais oro sluoksniais. Bet kokios substancijos (vandens garai, aerozoliai ir kt.) kiekį atmosferoje nusako substancijos masės dalis (s), t.y. substancijos masė oro masės vienete. Substancijos kiekio mažėjimas kelio vienetui, vadinamas substancijos gradientu (ds/dz). Dėl turbulentinės apykaitos, bet kuri substancija, esanti ore, sklis ta kryptimi, kuria jos kiekis mažėja. Vandens garai Aerozoliai Judesio momentas Šiluma Substancijos pernašą nusako turbulentinis substancijos srautas (kg/sˣm²) - substancijos masė pernešama per ploto vienetą per laiko vienetą. Vykstant substancijos pernašai vertikalia kryptimi: Q= -A ds/dz, kur Sv - substancijos srautas, A - turbulentinės apykaitos koeficientas, priklausantis nuo oro sąlygų ir Žemės paviršiaus pobūdžio, ds/dz - vertikalus substancijos gradientas. Šilumos pernašą vertikalia kryptimi nusako potencinės temperatūros kaita. Šilumos srautas lygus: Q= -A cp d/dz kur cp – specifinė oro šilumos talpa prie pastovaus oro slėgio, Θ – potenciali temperatūra. Augant potencinei temperatūrai su aukščiu (temperatūros gradientas mažesnis už adiabatinį) šilumos srautas nukreiptas žemyn. Jei potencinė temperatūra mažėja su aukščiu (temperatūros gradientas didesnis už adiabatinį) šilumos srautas nukreiptas į viršų. Jei potencinė temperatūra nesikeičia (temperatūros gradientas lygus adiabatiniam) šilumos pernašos nėra.  Konvekcija Atmosferos konvekcija – vertikalus (aukštyneigis ar žemyneigis) oro tūrių judėjimas, atsirandantis dėl tankio skirtumų. Mažiau tankus (šiltas ir drėgnas) oras kyla į viršų, tuo tarpu tankus oras (šaltas ir sausas) leidžiasi žemyn. Konvekcija, kuri formuojasi dėl savaiminio įšilusio oro tūrio kilimo į viršų vadinama laisvąja (arba termine) konvekcija. Konvekcija, vykstanti dėl išorinių jėgų poveikio, vadinama priverstine (arba dinamine) konvekcija. https://www.youtube.com/watch?v=mq2iZD8tUNI  Laisvosios konvekcijos metu oras kyla tol, kol jo temperatūra būna aukštesnė už aplinkos oro. Konvekcija nutrūksta tame aukštyje, kur kylančio oro ir aplinkos oro temperatūra išsilygina (konvekcijos lygis). Konvekcijos pagreitis priklauso Tj-Ta > 0, oras kyla į viršų nuo judančio ir aplinkos oro temperatūrų skirtumo: Tj-Ta < 0, oras leidžiasi žemyn Tj-Ta Tj-Ta = 0, oras nejuda Konvekcijos pagreitis  Neprisotintame ore: jei vertikalus temperatūros gradientas mažesnis nei 1°C/100m, konvekcija silpnėja kol sustoja; jei lygus 1°C/100m - konvekcija išlieka, bet nestiprėja su aukščiu; jei didesnis nei 1°C/100m - konvekcijos pagreitis augs. Prisotintame ore: konvekcijai vykti reikalingas vertikalus temperatūros gradientas turi būti didesnis nei drėgnaadiabatinis. Kadangi drėgnaadiabatinis temperatūros gradientas mažesnis nei sausaadiabatinis, tai nepastovi atmosferos stratifikacija drėgnam orui gali tapti pastovia sausam ir neprisotintam orui. Šilto oro advekcijos atveju didėja oro masės pastovumas Šalto oro advekcijos atveju didėja oro masės nepastovumas Pastovios stratifikacijos sluoksnis – atmosferos sluoksnis, kuriame vertikalus sauso oro temperatūros gradientas yra mažesnis už sausaadiabatinį (0,98 °C/100 m) neprisotintame ore ar mažesnis už drėgnaadiabatinį gradientą prisotintame ore. Ypač didelis stratifikacijos pastovumas yra izoterminiuose ir inversiniuose sluoksniuose. Neutralios stratifikacijos sluoksnis – atmosferos sluoksnis, kuriame vertikalus oro temperatūros gradientas yra lygus sausaadiabatiniam (0,98 °C/100 m) neprisotintame ore ar drėgnadiabatiniam gradientui prisotintame ore. Nepastovios stratifikacijos sluoksnis – atmosferos sluoksnis, kuriame vertikalus oro temperatūros gradientas yra didesnis už sausaadiabatinį (0,98 °C/100 m) neprisotintame ore ar didesnis už drėgnadiabatinį gradientą prisotintame ore. Meteorologijoje išskiriama ir sąlygiškai nepastovi stratifikacija, kai vertikalus oro temperatūros gradientas tam tikrame atmosferos sluoksnyje yra mažesnis už sausaadiabatinį, bet didesnis už drėgnaadiabatinį. Jei dėl išorinių jėgų poveikio (pvz., trinties) oras, pradėjęs kilti į viršų stabilioje atmosferoje pasiekia kondensacijos lygį, jis gali patekti į nepastovios stratifikacijos sluoksnį, kuriame oro kilimas tęstųsi jau dėl paties oro terminių savybių. Viršutinė konvekcijos sluoksnio riba vadinama pusiausvyros lygiu, nes ties ja dar kartą išsilygina kylančio ir aplinkos oro temperatūros, tik virš jos jau yra šiltesnis aplinkos oras. Ypač stiprios konvekcijos atveju dėl inercijos oro maksimalus pakilimo aukštis gali kiek viršyti pusiausvyros lygį, tačiau vėliau jis nusileidžia iki jo.  Inversija – temperatūros didėjimas su Inversija aukščiu tam tikrame atmosferos sluoksnyje. Inversiją galima apibūdinti: apatinės ribos aukščiu sluoksnio storiu temperatūros šuoliu Pagal genezę inversijos skirstomos į: termines dinamines Pagal apatinės ribos aukštį inversijos skirstomos į: priežemines pakiliasias Stratifikacijos kreivė  Terminės inversijos SPINDULINĖ INVERSIJA ADVEKCINĖ INVERSIJA OROGRAFINĖ INVERSIJA Šiltesnis oras Šaltas oras  Dinaminės inversijos TURBULRNCINĖ INVERSIJA ŽEMYNEIGIŲ SRAUTŲ INVERSIJA FRONTINĖ INVERSIJA Būdinga aukšto slėgio zonai Būdinga šiltam frontui  Periodiniai temperatūros svyravimai dirvos paviršiuje ir ore Liepa Sausis 30 °C Valandos -4 25 0 3 6 9 12 15 18 21 -5 20 -6 15 -7 1 2 10 -8 0 3 6 9 12 15 18 21 Valandos -9 °C 1 2 Vidutinė temperatūros kaita per parą dirvos paviršiuje (1) ir ore 2 m aukštyje (2) Vilniuje Skirtumas tarp paros temperatūros maksimumo ir minimumo vadinamas paros temperatūros amplitude. Skirtumas tarp vidutinės šilčiausio ir šalčiausio mėnesių temperatūrų vadinamas metine temperatūros amplitude. Oro temperatūros paros amplitudė ore yra vidutiniškai vienu trečdaliu mažesnė nei dirvos paviršiuje. Temperatūros paros amplitudė: Žiemą mažesnė nei vasarą Mažėja didėjant platumai Iškiliose vietovės reljefo formose mažiausia, daubose - didžiausia Vandens paviršiaus mažesnė, nei sausumos Didėjant aukščiui mažėja Debesuotumas mažina dirvos paviršiaus temperatūros amplitudę!!! Augmenija mažina dirvos paviršiaus temperatūros amplitudę Sniego danga mažina dirvos paviršiaus temperatūros amplitudę  30 °C 1 25 2 20 15 10 Valandos 5 0 3 6 9 12 15 18 21 Oro temperatūros kaita per parą Vilniuje, skirtingo debesuotumo sąlygomis. 1 – apsiniaukę; 2 - giedra. Tarpparinė temperatūros kaita – paros vidutinės oro temperatūros pasikeitimas. Lemiamas faktorius – oro masių advekcija Tarppariniai temperatūros svyravimai: didėja didėjant platumai priklauso nuo vietovės padėties jūros atžvilgiu Temperatūros pokyčiai nesusiję su paros ciklu vadinami neperiodiškais debesuotumo pasikeitimas oro masių advekcija  Metinė temperatūros amplitudė (°C) Metinė oro bei dirvos temperatūros amplitudė didėja didėjant platumai. Metinės (kaip ir paros) temperatūros amplitudės virš sausumos daug didesnės nei virš vandens. Vandens šiluminis talpumas 5 kartus didesnis nei sausos dirvos  Šalnos Šalna - tai oro temperatūros kritimas iki 0°C ir žemiau, kai vidutinė paros temperatūra yra teigiama. Šalnos dirvos paviršiuje formuojasi, kai oro temperatūra 2 m aukštyje dar yra teigiama, o dirvos paviršiuje 0°C ir žemesnė. Genetiniai šalnų tipai: advekcinės spindulinės Advekcinės šalnos susidaro dėl šalto oro, kurio temperatūra žemesnė nei 0°C advekcijos. Spindulinės šalnos formuojasi dėl efektyviojo spinduliavimo atšalant dirvai ir gretimiems atmosferos sluoksniams. Advekcinės spindulinio atvėsimo šalnos susijusios su šalto oro advekcija, vykstant papildomam oro atvėsimui dėl efektyviojo spinduliavimo  Šilumos sklidimas į dirvos gilumą Šilumos sklidimo greitis dT dQ = − dz - šiluminis laidumas (W/(m×K)) Žanas Baptistas Furje 1768-1830 Prancūzų matematikas Furje dėsnių sąlygos 1. Šiluma į dirvos gilumą perduodama tik molekuliniu būdu 2. Dirva vienalytė 3. Dirvos temperatūra kinta tik vertikalia kryptimi 4. Dirvos paviršius horizontalus  Furje teorijos išvados 1. Temperatūros svyravimo periodas dirvoje nekinta su gyliu 2. Didėjant gyliui aritmetine progresija, dirvos temperatūros amplitudė mažėja geometrine progresija °C  33 −z 31 Az = A0 e kTk 29 27 25 A0 - dirvos paviršiaus temperatūros 23 svyravimo amplitudė 21 Az - temperatūros svyravimo amplitudė 19 17 gylyje z 15 val. Tk - svyravimo periodas 0 3 6 9 12 15 18 21 k - dirvos temperatūrinio laidumo žemės paviršius 10 cm 20 cm koeficientas Dirvos temperatūros paros eiga įvairiuose gyliuose (1-20 cm) Puvočiuose (Varėnos raj.) 1997 07 08  3. Paros ir metinių dirvos temperatūros maksimumų ir minimumų vėlavimas įvairiuose gyliuose lyginant su dirvos paviršiumi yra proporcingas gylio didėjimui °C 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 val. 0 3 6 9 12 15 18 21 žemės paviršius 10 cm 20 cm Dirvos temperatūros paros eiga Dirvos temperatūros kaita vertikalėje pagal Kauno įvairiuose gyliuose (1-20 cm) agrometeorologijos stoties duomenis Puvočiuose (Varėnos raj.) 1997 07 08 4. Sluoksnio su pastovia paros temperatūra dirvoje gylio santykis su pastovios metinės temperatūros dirvoje gyliu atitinka santykį 1/ 365 Šilumos perdavimo vandenyje bei dirvoje skirtumai vanduo dirva Molekulinis, turbulencinis Tik molekulinis (bangavimas, srovės) bei šilumos perdavimas konvekcinis (tankio skirtumai) šilumos perdavimas  Žemės paviršiaus šilumos balansas R + QH + QG + QE = 0 R – spinduliuotės balansas, išreiškiamas kaip sugertosios Q(1-A) ir efektyviojo spinduliavimo Be skirtumas; QH – jutiminės šilumos srautas (turbulencinis ir molekulinis) tarp paviršiaus ir atmosferos; QG – šilumos srautas tarp paviršiaus ir gilesnių dirvos ar vandens sluoksnių; QE – slaptosios šilumos srautas, susijęs su faziniais vandens persitvarkymais Sniego tirpimo šiluma Šiluma gaunama su krituliais  5 dalykai, be kurių žinojimo ir supratimo tolimesnės studijos apsunks 1. Adiabatiniai procesai 2. Konvekcijos formavimasis ir vyksmas 3. Žemės paviršiaus balansas ir jo sudedamosios dalys 4. Furje teorijos išvados 5. Inversijų formavimasis