2.3. Атмосфера

Структура атмосферы и ее температурная характеристика приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структура атмосферы и среднегодовое изменение температуры по высоте согласно 'Стандартной атмосере'

Одной из ключевых проблем охраны окружающей среды является проблема сохранения чистоты воздуха. И это не случайно, ведь за сутки человек потребляет в среднем всего около 1 кг твердой пищи, 2 кг - жидкости, а атмосферного воздуха - 12-15 кг.

Атмосфера

Основные свойства атмосферы заключаются в ее способности осуществлять кислородный обмен живых организмов, перераспределять энергию Солнца, защищать нашу планету от вредных доз космического излучения. Разделение атмосферных слоев в зависимости от электрических и химических свойств приведено в табл. 2.14.

Таблица 2.14. Разделение атмосферных слоев в зависимости от электрических и химических свойств

К наиболее существенным характеристикам природного воздуха относится концентрация основных газовых компонентов, давление, температура, ветер, влажность, концентрация аэрозолей (облаков, туманов, дымок, твердых частиц и др.), вертикальные изменения которых в несколько сот раз больше, чем по горизонтали.

Данные о температуре, давлении и влажности передаются на Землю шарами-зондами с помощью радиосигналов. Радиозондирование позволяет составлять карты метеоусловий в верхних слоях атмосферы. Высотная граница контроля увеличилась с применением радиолокационных средств. Метеоракеты и спутники позволяют получать сведения об атмосферных условиях на огромных высотах, начиная с 1951 г. Рассмотрение процесса отражения радиоволн атмосферой привело к открытию ионосферы. Особенности распростраения акустических волн при взрывах в атмосфере показали, что воздух на большой высоте почти такой же теплый, как и на поверхности Земли. Озоновый слой был обнаружен при изучении поглощения ультрафиолетового солнечного излучения атмосферой! Спектроскопический анализ света на высоте в несколько сот километров позволил определить некоторые химические составляющие воздуха на таких высотах.

Таким образом, проектирование специальных приборов, разработка микроэлектронных схем и их элементов, применение современных средств вычислительной техники позволят студентам решать сложные задачи радиозондирования и анализа атмосферы.

Кислород способствует процессам окисления, азот потребляется в процессе дыхания высших растений, животных и человека. Углекислый газ задерживает до 18% теплоотдачи планеты, он необходим растениям. Осадки являются своеобразными санитарами атмосферы.

Хотя возраст атмосферы около 2 млрд. лет и первой книгой об атмосфере является "Метеорология" Аристотеля, только в XVII в. были изобретены термометр, барометр и другие метеоприборы, а период планомерного изучения воздушной оболочки Земли составляет не более 200 лет. Исследования в конце XIX в. верхних слоев атмосферы привели, наконец, к изучению метеопроцессов в трех измерениях. В то же время многие атмосферные явления не исследованы или недостаточно изучены, банк данных о состоянии воздушного пространства над нашей планетой не обладает пока необходимым объемом качеством, традиционные методы и средства атмосферного контроля отстают от требований познания.

Ухудшили состояние атмосферы промышленные загрязнения, изменения запасов кислорода и углекислого газа и другие факторы человеческой деятельности. Вырубка лесов, сжигание огромного количества топлива, загрязнение нефтью водной поверхности - все это привело к уменьшению относительной доли кислорода. Прогнозируемый рост концентрации углекислого газа на 18% к 2000 г. может привести к повышению среднегодовой температуры планеты на 0,5° и к охлаждению стратосферы на высоте 25 км примерно на 1°. Продолжается тепловое загрязнение атмосферы, что повышает среднегодовую температуру воздуха в промышленно развитых городах на 1 ... 2° по сравнению с загородной зоной. Запыленность воздушной среды снижает солнечную радиацию и поглощает встречное излучение, исходящее от земной поверхности (твердых частиц антропогенного происхождения содержится по весу приближенно 20%). Газообразные (диоксид серы, сероводород, аммиак, оксиды азота, фенол и др.) и твердые примеси аэрозоля делят по размерам на молекулярные и радиусом от 0,05 мкм до 0,1 мм. Концентрация частиц над сельскими районами составляет около 10⁴ частиц в 1 см³, а над загрязненными городами превышает 10⁵. Аэрозольные загрязнения могут существовать от нескольких дней до недель, а метановые могут сохраняться около 20 лет. Диоксид серы, как один из основных загрязнителей природного воздуха, содержится в чистом пространстве в концентрациях до нескольких десятков мкг/м³, в воздухе над океанами 0 ... 4 мкг/м³, а над промышленными городами в 100 и даже в 500 раз выше.

Для проектирования средств контроля и обработки информации необходимо знание электромагнитных и акустических свойств атмосферы.

Электромагнитные свойства

Тропосфера (атмосфера до высоты 10 ... 18 км), в отличие от стратосферы и ионосферы, содержит большее количество паров воды, газов и имеет большую плотность.

Как уже отмечалось, тропосфера состоит из смеси газов, которые обладают своими электрическими параметрами (μ, ε, σ). Магнитная проницаемость (μ) практически равна единице. Электропроводность газов атмосферы до сантиметрового диапазона длин зондирующих электромагнитных волн практически равна нулю, а диэлектрическая проницаемость - единице. При уменьшении длин волн (менее 0,02 м) начинает сказываться частотная дисперсия, в связи с чем проводимость газов оказывается отличной от нуля, а диэлектрическая проницаемость - отличной от единицы.

Электромагнитные свойства

Так как величины ε и σ тропосферы зависят от ее метеопараметров (плотности, температуры, влажности), а они пространственно изменчивы, то тропосферу относят к неоднородным средам. Температура убывает с высотой (средний градиент 5 ... 7 К/км). Среднее давление также убывает с высотой (по всей толще тропосферы примерно на порядок). Содержание водяного пара тоже уменьшается с увеличением высоты (на высоте 1500 м его количество в среднем в 2 раза, а на высоте 18 000 м - в сотни раз меньше, чем у земной поверхности).

Ослабление электромагнитных волн в тропосфере (нормальной, с дождем, снегом, градом, туманом, аэрозолями) становится ощутимым в диапазоне сантиметровых и более коротких волн и обусловлено поглощением и рассеянием на неоднородностях.

Ослабление гамма-излучения в приземном слое атмосферы ограничивает практические возможности приема гамма-лучей в пределах расстояний до 100 м. Радиоактивность урана, тория и калия в атмосфере мала, хотя ее уровень имеет значительные колебания.

Каждую капельку метеоосадков можно рассматривать как полупроводник, в котором распространяющаяся волна наводит токи смещения, плотность которых значительна, т. к. диэлектрическая проницаемость волы примерно в 80 раз больше, чем у воздуха. В то же время плотность токов смещения пропорциональна частоте,поэтому самые значительные токи могут возникнуть на относительно высоких частотах. Возникающие в каплях потери энергии, а также рассеяние этой энергии в направлении, отличном от направления зондирования, и дают ослабление.

Основные характеристики дождя

Ослабление электромагнитных волн газами тропосферы является резонансным и обусловлено молекулярной квантовой структурой этих газов. Поглощение и рассеяние волн в дожде, граде, снеге, тумане не является избирательным и определяется методами классической электродинамики.

Ослабление волн в газах атмосферы относительно постоянно, а в парах воды оно существенно меняется в зависимости от метеоусловий (влажности и температуры воздуха). Ослабление аэрозолями существенно меньше, чем осадками и газами атмосферы. В сантиметровом и миллиметровом диапазонах ослабление наиболее сильно в дожде, слабее в тумане, еще меньше в снеге (с той же водностью, что и дождь).

Некоторые характеристики осадков приведены в табл. 2.15 и 2.16.

В табл. 2.17 даны электромагнитные спектры атмосферы.

Таблица 2.17. Электромагнитные спектры атмосферы

Акустические свойства

Ослабление (уменьшение амплитуды в е раз) упругих волн в однородной атмосфере (давление - 760 мм рт. ст.; температура - 26,5°С; относительная влажность - 37%) дано в табл. 2.18. В естественных условиях оно зависит от соотношения частоты волны и величины капель осадков, их плотности и объемной концентрации, упругих постоянных атмосферы и ее рассеивающих и поглощающих частиц.

Скорость распространения акустических волн в идеальных глазах при заданной температуре не зависит от давления и растет с увеличением температуры, а скорость в смесях газов является функцией еще и концентрации компонентов смеси. Для воздуха верхний предел частот около 500 кГц, он ограничен появлением нелинейных эффектов.

Акустические свойства

Применение ЭВМ в экологической оценке атмосферы

Анализ чистоты и прогноз загрязнения воздушной среды, оценка экологического состояния атмосферы невозможны без использования быстродействующих ЭВМ.

До появления ЭВМ процесс прогнозирования погоды осуществлялся эмпирическим путем и был весьма приближенным, т. к. решение уравнений атмосферных процессов невозможно получить посредством обычных математических выражений. Применение ЭВМ позволило получить их решение путем метода численного моделирования процесса.

Применение ЭВМ в экологической оценке атмосферы

Несомненный интерес для студентов представляет решение этих задач.

Однако сфера использования средств вычислительной техники не ограничивается указанным выше, а включает в себя организацию и построение мониторинговой системы, обработку и составление погодных карт на начальном этапе прогнозирования, а также оценку выводов о состоянии атмосферы в числовых значениях параметров (температура воздуха - низкая или высокая, влажность, вероятность дождя или снега и т. д.) для заинтересованных служб и отраслей (синоптики, предприятия агропромышленного комплекса и т. п.).

Меняются способы и сроки храпения информации с применением магнитных носителей.

При численном моделировании с использованием ЭВМ возможно изучение атмосферных процессов любого масштаба: от микрофизики роста капель в облаках и динамики мелкомасштабной конвекции, образующей кучевые облака и локальные грозы, до глобальной (космической) циркуляции атмосферы Земли.

Подшипник 6017 2RS (180117): купить однорядный шариковый Подшипник 6017 2RS sf2v.ru.