Общие физические свойства атмосферы и океана

При рассмотрении свойств и состояния атмосферы и океана с точки зрения термогидродинамики можно отметить ряд общих черт этих сред. В первую очередь воздух и вода в данном случае рассматриваются как сплошные материальные системы с непрерывным распределением вещества и физических характеристик. При этом молекулярная структура вещества во внимание не принимается, а его макроскопические параметры определяются усреднением по некоторому элементарному объему и относятся к центру этого объема. Поэтому под плотностью, температурой, влажностью, соленостью и другими параметрами вещества в какой-то точке пространства в этом случае следует понимать соответствующие характеристики элементарного объема воды или воздуха с центром в указанной точке, содержащего достаточно большое число молекул.

Вторым очень важным свойством воздуха и воды является их легкая подвижность или текучесть, проявляющаяся в том, что под действием силы они легко перемещаются в свободное пространство. Только твердая преграда может помешать их растеканию вдоль поверхности планеты. В гидромеханике текучесть вещества определяется тем, что внутреннее трение в нем отлично от нуля только при движении его слоев относительно друг друга, т.е. при существовании сдвига скоростей. При относительном покое жидкости и газа внутреннее трение в них отсутствует. В том случае, когда при изучении поведения движущейся воды и воздуха не учитывают внутреннего трения, их называют идеальной жидкостью или идеальным газом. В противном случае вещество называется вязким.

Третьим важным свойством воздуха и воды является их сжимаемость, т.е. их плотность меняется в довольно больших пределах. Но здесь же между жидкостью и газом имеется существенное различие, заключающееся в том, что расстояния между молекулами в воде много меньше, чем в воздухе. Это приводит к возникновению в воде значительных молекулярных сил сцепления, особенно сильно выраженных на поверхности, отделяющей ее от другого вещества. Поэтому эти силы назвали поверхностными. Под их действием вода настолько сильно сжата, что другие силы вызывают у нее очень незначительные по сравнению с воздухом изменения объема. Зависимость удельного объема или плотности воздуха и воды от определяющих факторов выражается уравнением состояния. И воздух и морская вода представляют собой смеси со сравнительно малым количеством примесей. Поэтому во многих случаях к ним применимы закономерности, справедливые для химически чистых веществ.

К чрезвычайно важному свойству атмосферы и океана следует отнести их устойчивость, обусловленную общим характером убывания плотности по мере увеличения высоты. Нарушение устойчивого состояния вызывает интенсивные вертикальные движения как в газообразной, так и в жидкой среде, в результате которых происходит сильное изменение многих гидрометеорологических процессов.

Существенное различие между атмосферой и океаном (при исследовании их взаимодействия) заключается в том, что атмосфера в первую очередь оказывает влияние на поверхностный наименее плотный слой океана, а океан —на самый нижний плотный слой атмосферы. Если в результате взаимодействия происходит уменьшение плотности соприкасающихся сред, то это способствует уменьшению устойчивости атмосферы и увеличивает устойчивость океана. При росте плотности соприкасающихся слоев поды и воздуха происходит обратное явление.

СТРАТИФИКАЦИЯ — (от лат. stratum слой и facio делаю) распределение какого-либо параметра (температуры, плотности, окраски и т.п.)  воздуха или воды по вертикали, определяющее условия равновесия в атмосфере или океане, благоприятствующие или неблагоприятствующие развитию вертикальных перемещений воздуха или воды.

Атмосфера и океан в общем имеют устойчивую плотностную стратификацию, т.е. относительно более плотные слои воздуха и воды расположены ниже менее плотных. Однако сравнительно часто под действием тех или иных причин происходят нарушения такой картины и менее плотные массы воды или воздуха оказываются внизу. Длительное время такая аномальная стратификация сохраняться не может и в соответствии с законом Архимеда происходит вытеснение менее плотных масс газа и жидкости вверх.

Вертикальные движения воздуха и воды, вызванные плотностной стратификацией, играют чрезвычайно большую роль в атмосферных и океанических процессах. Достаточно отметить, что облака и осадки в значительной степени связаны о вертикальными движениями в атмосфере. На больших пространствах океанов и морей плотностная конвекция настолько ярко выражена, особенно в поверхностных слоях, что имеет определяющее значение в формировании гидрологического режима. Примером может служить формирование сезонного поверхностного слоя конвективного перемешивания в умеренных и полярных районах океанов и морей.

Несмотря на общую устойчивость атмосферы и океана в их тонких соприкасающихся слоях очень часто отмечаются неустойчивые состояния. При этом поступление тепла от границы раздела в ту или иную среду приводит к противоположным отклонениям в стратификации. Так, поступление тепла от океана в атмосферу и прогрев нижнего слоя воздуха приводит к большому отрицательному градиенту температуры и неустойчивой стратификации. Но прогрев поверхностного слоя воды приводит к уменьшению ее плотности и росту устойчивости стратификации океана. Выхолаживание соприкасающихся слоев воды и воздуха приводит к обратной картине: происходит повышение устойчивости пограничного слоя атмосферы и уменьшение плотностной устойчивости в поверхностном слое океана.

Изменение вертикальной стратификации атмосферы и океана может быть обусловлено многими факторами, из которых основными являются неадиабатические притоки тепла, притоки влаги и солей. Но даже при адиабатических процессах без изменения концентрации примесей стратификация может меняться. При первоначально неустойчивой стратификации сжатие приводит к росту градиента и увеличению неустойчивости, а расширение — к уменьшению градиента температуры и уменьшению неустойчивости.

В реальных условиях такие процессы имеют место в циклонах и антициклонах. Особенно часто отмечается сжатие в усиливающихся антициклонах при начальной устойчивой стратификации. В результате понижение температуры воздуха с высотой переходит в изотермию или в инверсию.

Перечисленные свойства газообразной и жидкой оболочек Земли широко используются при выводе уравнений, описывающих поведение этих сред.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.