Atmosferski tlak in cirkulacija

Atmosferski tlak in cirkulacija

Nedjeljka Žagar

Spored:

11-12 Tlak in preračun tlaka na nivo morja

14-14:30 Meritve tlaka, obisk meteorološke hišice FMF 14:30-15 Meteorološki www

15-16 Analiza porazdelitve tlaka pri tleh (vaja)

16-16:30 Diskusija tlaka z gostom gosp. Andrejom Velkavrhom, ARSO 16:30-17 Tlak in vreme: kratek uvod v cirkulacijo ozračja

17- 17:30 Diskusija: meteorologija kot fizikalni izziv

Fizika atmosfere

Razume'

Opisa' matema'čno

Modelira' z računalniki

Uporabi' C_p dT

dt −α ^dp

dt = dQ dt

Izmeri'

Kako?︎

Koliko?︎

Kdaj?︎

Kje?︎

Zakaj?︎

Napovedova'

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

•  Zakaj ni burje na Koroškem?

•  Zakaj ima burja sunke?

•  Zakaj se v Ljubljani pojavlja več megle kot v Portorožu?

•  Zakaj je skoraj vedno bolj mrzlo na Kredarici kot v Kranju?

•  Zakaj v povprečju veliko bolj piha na Rogli kot v Celju?

•  Zakaj količina padavin v Sloveniji pada z zahoda proE vzhodu države?

•  Zakaj so poletne nevihte običajno v popoldanskih urah?

•  Kaj določa velikost zrn toče?

•  Zakaj so ob lepem vremenu nizki, cvetači podobni oblaki v Prekmurju na isE višini?

Oblačnost povezana z burjo na Jadranu

Pozimi 2012 so izvajane posebne meritve burje v Vipavksi dolini v sodelovanju z dijaki Škofijske gimnazije v Vipavi

Burja v Vipavski dolini

http://www.space.si/slovenija-iz-vesolja/

•  Ali bi se morala voda pri odtekanju iz kadi na južni polobli vrteE v obratni smeri kot na severni?

•  Zakaj so evropska mesta značilno toplejša od mest v severni Ameriki na isE zemljepisni širini?

•  Ali ima ozračje plimo in oseko? Kako ju lahko izmerimo?

•  Kje je najbolj mrzla točka na zemlji?

•  Zakaj temperatura pada z višino?

•  Zakaj letalo običajno prileE hitreje iz ZDA v Evropo kot v nasprotni smeri čeprav leE z enako hitrostjo?

•  Zakaj letala leEjo na okoli 10 km višine?

•  Kako letalo ve, na kateri višini se nahaja?

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

•  Kako opravljamo meritve po svetu, da bi bile primerljive?

•  Kako smo skoraj v realnem času izmenjevali podatke o vremenu po celem svetu pred pojavom Interneta?

•  Kaj merijo meteorološki sateliE?

•  Kako izmerimo veter nad morjem?

•  Kaj je razlika med meteorološkimi meritvami in meteorološkimi napovedi?

•  Kako se pripravi vremenska napoved?

•  Ali bomo kdaj sposobni spreminjaE vreme?

•  Če napovedi postajajo ves čas boljše, kako daleč lahko sežejo?

Nekaj meteoroloških vprašanj za razmislek

Meteorološki sateliE v uporabi in v razvoju:

hWp://www.wmo.int/pages/prog/sat/satellitestatus.php

SateliE za opazovanje atmosfere in površja Zemlje

Atmosferski procesi ustvarjajo čudovite motive za

vesoljske posnetke, posebej če je ozračje vlažno

Meteorologija: znanost o ozračju

Opisuje, razlaga in skuša čimbolje napovedovati pojave v ozračju Najbolj prepoznavna po vsakodnevni meteorološki dejavnosti:

napovedovanje vremena

Osnovne teoretične veje meteorologije:

•  Dinamična meteorologija (uporaba splošnih zakonov gibanj v namen razlage gibanj in z njim povezanih sprememb cirkulacije)

•  Fizikalna meteorologija (termodinamika, sevanje, oblaki in delci, optični in električni pojavi)

•  Kemijska meteorologija oz. atmosferska kemija (meddelovanja med delci, aerosoli, vlago in dinamiko ozračja)

Percepcija meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHCLUB.COM/PHOTO/HIGH-TECH-WEATHER-STATION

Percepcija in pomen meteorologije

VIR: HTTP://MY.ENGLISHCLUB.COM/PHOTO/HIGH-TECH-WEATHER-STATION VIR: AGENCIJAZAOKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO

Pridobitev prognosEčnih kart danes

VIR: AGENCIJAZAOKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO © ECMWF

Pridobitev prognosEčnih kart danes

VIR: AGENCIJAZAOKOLJE REPUBLIKE SLOVENIJE, ARSO © ECMWF

V postopku, ki pripelje do t.i. sinoptične vremenske karte se vsak dan uporabi okoli 100 milionov satelitskih opazovanj atmosfere (poleg enačb in ostalih komponent prognostičnegam modela, skritih v

“črni škatli” oz. superračunalniku)

Osnovne spremenljivke za opis procesov v ozračju

•  Tlak, p (Pascal, Pa=N/m², hPa, mbar)

•  Temperatura: T (°C, K=273.15+°C, °F=°C× ⁹⁄₅ + 32 )

•  Gostota: ρ (kg/m³), specifični volumen: α=1/ ρ

•  Veter: V(u,v,w), smer in hitrost vetra: (m/s, vozli, 1 vozel≅1.8 m/s, °)

•  Masa: m (kg, g), Volumen: V (m³)

•  Vlažnost: r (g/kg), q (g/kg), R (%)

•  C_p , C_v ,L : različne specifične toplote (J/kg/K) (x, z, y, t) – lokacija v KKS in času

(λ, ϕ, z, t) – lokacija v sfernem KS R_E, (ponekje a, ali R_z): radij Zemlje

Tlak zraka

Tlak = Sila / Površina

Tlak zraka = teža stolpca zraka nad

točko Teža stolpca zraka

1 m 1 m

vrh ozračja

nivo morja Stolpec zraka površine 1 m² ki sega od

tal do vrha ozračja.

Teža = masa x težnostni pospešek stolpca znaša okoli 100 kN na m2 Sledi, tlak na nivoju morja je

sila/površina = 1013.25 hPa

Sestava ozračja

Permanentni (stalni) plini

Plin Simbol ^Volumens

ki delež % Pomembnost Dušik N

₂

78.08% biosfera

Kisik O

₂

21% Dihamo ga!

Argon Ar 0.9% majhna

Masni delež=Volumenski delež • M

_i

/M (M=molska masa, v povprečju na morskem nivoju okoli 29 kg/kmol; M

_i

=molekulska masa)

Do približno 10 km višine so stalni med seboj dobro premešani

(razmerje približno stalno)

Sestava ozračja

Plini s spreminjajočim se deležem

Plin Simbol Vol. %

(•10

⁶

=ppmv)

Pomembnost Vodna para H

₂

O 0-4

Povzroča vremenske pojave,

toplotni transport, toplogredni plin

Ogljikov dioksid (narašča)

CO

₂

0.038

Toplogredni plin, biosfera (fotosinteza)

Metan (narašča) CH

₄

0.00017

Toplogredni plin

Dušikov oksid N

₂

O 0.00003

Toplogredni plin,

Ozon O

₃

0.000004

Ozonski sloj (koristen)

Delci (aerosol) 0.000001

Nastanek oblakov, energetska bilanca Zemlje, vulkanski izbruhi

ppmv=volumski delež na milijon delov zraka

Ozračje je zelo tenka ovojnica okoli Zemlje

99% zraka je v spodnjih 30 km Povprečni radij je 6370 km

Debelina ozračja je okoli 0.5% radija zemlje.

Pogled iz vesoljske ladje 6370

Masa ozračja znaša okoli 5.3 x 10¹⁸ kg.

Sila teže in tlak

Tlak zraka = teža stolpca zraka nad točko

1 Pa = 1 N / m²

Tlak na nivoju morja je masa ozračja*g/m²

= 1013.25 hPa oz. 101325 N/m²

Sila teže in tlak

Tlak zraka = teža stolpca zraka nad točko

1 Pa = 1 N / m²

Tlak na nivoju morja je masa ozračja*g/

m² = 1013.25 hPa oz. 101325 N/m²

Tlak in sila teže

Zakaj ne čuEmo sile teže zraka?

Ker tlak zraka deluje v vseh smereh.

101325 N/m²

101325 N/m² ravnovesje

Zrak kot plin

Teža stolpca zraka

1 m 1 m

vrh ozračja

nivo morja Zrak se obnaša približno kot plin.

Se pravi, spremembo tlaka povzroča zvišanje/znižanje gostote, in zvišanje/

znižanje temperature

RT p = ρ

p - tlak

R - plinska konstanta T – temperatura

ρ - gostota

po enoti mase

Spremembe tlaka

Zaradi sprememb gostote

Zaradi sprememb temperature

T narašča ρ narašča

RT p = Δ ρ

Δ

T R

p = Δ Δ ρ

1 m 1 m 1 m 1 m

1 m

1 m 1 m

1 m

Sprememba tlaka zaradi Δ ^T

Na kateri lokaciji bo tlak večji (1 ali 2)?

V i š ina (km )

5

0 10

mrzel stolpec zraka

topel stolpec zraka

1 2

Posledično, kako bo začel zrak teči na 5 km višine med

stolpcema?

Veter na 5 km

Zrak bo začel teči od toplega proti mrzlemu stolpcu zaradi

sile gradienta tlaka!

5

0 10

mrzel stolpec zraka

topel stolpec zraka

1 2

gibanje zraka

V i š ina (km )

Spremembe atmosferskih spremenljivk

polje T je stacionarno (ne spreminja se z časom)

Δ T

Δt = 0

Stacionarne lastnosti atmosferskih spremenljivk (povprečja skozi daljši čas) imenujemo klimatologija

VerEkalni profil tlaka

Tlak zraka se zmanjšuje z višino

Delec zraka v mirovanju

z z+

^Δ

z

A ρA

Δ

zg

p

_vrh

A

p

_dno

A

VerEkalni profil tlaka

Delec zraka v mirovanju

z z+

^Δ

z

A ρA

Δ

zg

p

_vrh

A

p

_dno

A

F

_dno

=p

_dno

A F

_vrh

=-p

_vrh

A

F

_teža

=-ρVg=-ρA

Δ

zg

V mirovanju, vsota sil=0

F

_vrh

+F

_dno

+

F_teza

=0

-p

_vrh

A+p

_dno

A-ρA

Δ

zg=0 p

_vrh

-p

_dno

=-ρ

Δ

zg

Δp=-ρ

Δ

zg

Δp/Δz=-ρg

HidrostaEčno ravnovesje

z

A

Prostorske spremembe tlaka

VerEkalne variacije tlaka >>

horizontalnih variacij tlaka

Kljub temu so gibanja predvsem

posledica horizontalnih variacij tlaka.

Kako?

VIR: ARSO

Osnovne enačbe za opis ozračja

FX

fv x p

u u t V

u =

∂ + ∂

∂ − + ∂

∇

⋅

∂ +

∂

φ

!

ω

Fy

fu y p

v v t V

v =

∂ + ∂

∂ + + ∂

∇

⋅

∂ +

∂

φ

!

ω φ α

−

∂ =

∂ p

Cp Q p Cp

T T t V

T − / = /

∂ + ∂

∇

⋅

∂ +

∂ ^!

ω αω

=0

∂ + ∂

⋅

∇ V^!

ω

p RT p

α

=

Sq

p q q

t V

q =

∂ + ∂

⋅

∇

⋅

∂ +

∂ ^!

ω

Navier Stokesove enačbe (2. Newtonov zakon)

Enačba plinskega stanja

Ohranitev mase (kontinuitetna enačba)

Ohranitev vodne mase

Ohranitev energije

(1. stavek termodinamike)

Matematični opis atmosferskih procesov vključno z njihvim apovedovanjem kot ga je

formulirao V. Bjerknes leta 1904

Vrednosti tlaka danes zjutraj po Sloveniji

Let. Portorož Ljubljana Kredarica

Lisca

Vrednosti tlaka danes zjutraj po Sloveniji

Let. Portorož Ljubljana Kredarica

Lisca m

Porazdelitev tlaka na postajah 16.8.2016

hPa

Porazdelitev tlaka na postajah 16.8.2016

_hPa

m

Porazdelitev tlaka na postajah 16.8.2016

hPa

Porazdelitev tlaka na postajah 16.8.2016

hPa

m

Redukcija tlaka na morski nivo

Podatki z vseh postaj se preračunajo na morski nivo

Enostavno pravilo:

v spodnjih plasteh

ozračja se tlak zmanjšuje

10 hPa vsakih 100 m

višine

Preračun tlaka na nivo morja

HidrostaEčno ravnovesje

Δ p

Δ z = − ρ ^{g ∂ p}

∂ z = − ρ ^g

p

_{nivo_morja}

= p

_postaja

e

gz_postaja

RT

p = ρ ^gT

Preračun tlaka na nivo morja: danes

p

_{Lju_nivomorja}

= p

_{Lju_izmerjen}

e

gz_Lju

RTLju

Portorož Ljubljana

Porazdelitev temperature na postajah

16.8.2016 ob 12. uri

Tlak na nivoju morja 16.8.2016 ob 12 uri

hPa

Tlak na nivoju morja 16.8.2016 ob 12. uri

hPa

Karte tlaka na nivoju morja opisujejo

vremenske sisteme