Реферат: Атмосфера и методы ее исследования

Атмосфера и методы ее исследования

Федеральное агентство воздушного транспорта

Краснокутское летное училище гражданской авиации филиал

ФГБОУ ВПО УВАУ ГА(И)

КУРСОВАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ: "Атмосфера и методы ее исследования"

Выполнил:

Курсант 2 курса 204 к/о

Боровой И.Е.

Руководитель: Тишина А.Н.

г. Красный Кут

г

Содержание

Введение

. Понятие "атмосфера"

. Состав атмосферы

. Строение атмосферы. Тропосфера и её характеристика

. Тропопауза и условия полётов в ней. Общие сведения о стратосфере

. Понятие о вышележащих слоях атмосферы

. Физические свойства воздуха

. Стандартная атмосфера

. Методы исследования атмосферы

. Авиационные происшествия

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

В существовании Земли значение атмосферы огромно. Если лишить нашу планету атмосферы, все живые организмы погибнут. Ее воздействие можно сравнить с ролью стекла в парнике, которое пропускает лучи света и не выпускает тепло обратно. Таким образом, атмосфера оберегает поверхность Земли от чрезмерного нагревания и остывания. Воздушная оболочка земного шара является защитным слоем, спасающим все живое от корпускулярной и коротковолновой солнечной радиации. В атмосферной среде возникают все погодные условия, в которых живет и работает человек. Для изучения этой земной оболочки создаются метеорологические станции. Круглосуточно, в любую погоду метеорологи наблюдают за состоянием нижнего атмосферного слоя и фиксируют свои наблюдения. Несколько раз в сутки (в некоторых регионах каждый час) на станциях производят измерение температуры, влажности воздуха, давления, выявляют наличие облачности, направления ветра, каких-либо звуковых и электрических явлений, измеряют скорость ветра и количество осадков. Метеорологические станции рассеяны по всей нашей планете: в полярных областях, в тропиках, в высокогорье, тундре. На морях и океанах также производятся наблюдения со станций, расположенных на специально сооруженных устройствах на кораблях особого назначения. С начала ХХ века стали выполнять измерения параметров состояния среды в свободной атмосфере. С этой целью выполняются запуски радиозондов. Они способны подниматься на высоту 25-35 км и с помощью радиоаппаратуры отправлять на поверхность Земли данные о давлении, температуре, скорости ветра и влажности воздуха. В современном мире зачастую прибегают к использованию метеорологических спутников и ракет. Они оборудованы телевизионными установками, которые точно воспроизводят изображения поверхности планеты и облаков.

1. Понятие "атмосфера"

Атмосфера - воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси газов, и коллоидных примесей. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое; при таком определении граница между атмосферой и межпланетным пространством располагается в экзосфере, начинающейся на высоте около 700 км от поверхности Земли и может условно проводится по высоте в 1300 км. По определению, предложенному Международной Авиационной Федерацией, граница атмосферы и космоса проводится по линии Кармана, расположенной на высоте около 100 км, где аэронавтика становится полностью невозможной. NASA использует в качестве границы атмосферы отметку в 122 километра, недавние эксперименты уточняют границу атмосферы Земли и ионосферы, как находящуюся на высоте 118 километров.

Толщина атмосферы равна 36000 км, но резкой верхней границы атмосфера не имеет. 99,9% массы атмосферы сосредоточено в нижнем 100 км. слое, причём 90% приходится на первые 20 км, 50% приходится на первые 5км.

Информация о состоянии атмосферы стала систематической до высоты 16 км. Источниками информации являются: метеостанции с совершенным оборудованием, радиозонды (для определения температуры, давления влажности и ветра на высотах), МРЛ (метеорологические локаторы для обнаружения гроз, кучево-дождевых облаков, ливней), метеорологические ракеты, метеорологические искусственные спутники Земли (позволяют прослеживать пути перемещения тропических циклонов над океанами, обнаруживать очаги опасной конвективной кучево-дождевой облачности и грозовой деятельности в районах, лишённых метеостанций) и комплексные автоматизированные метеостанции (АРМС, КРАМС, КАСметео). Для исследования атмосферы применяются самолёты-зондировщики, самолёты-лаборатории, метеорологические и геофизические ракеты, которые снабжаются специальной аппаратурой. Проводится огромная работа по автоматизации и обработки метеоинформации для нужд авиации. Существуют 3 мировых метеоцентра (в Москве, Вашингтоне и Мельбурне). В соответствии с проектом Всемирной службы погоды (ВСП) идёт развитие мировой сети метеостанций и системы сбора и обработки метеоинформации, нужной для обеспечения полётов на всём земном шаре.

. Состав атмосферы

По своим свойствам и составу атмосферу делят на 2 основных слоя: гомосфера и гетеросфера.

Гомосфера - этот слой атмосферы располагается от земли до высоты 94-95 км. В этом слое газы находятся в молекулярном состоянии. Здесь наблюдается следующее процентное содержание газов: азот (N) - 78%, кислород (O) - 21%, аргон (Ar) - 0,9%, инертные газы - 0,1%.

Также наблюдается непостоянное количество других газов, водяной пар (HO), озон (O), углекислый газ (CO), примеси.

Гетеросфера - этот слой атмосферы на высоты свыше 95 км. В этом слое газы находятся в атомарном состоянии. С высоты 1000 км преобладает гелий (He), водород (H). Резко возрастает количество заряженных частиц (ионов).

Особая роль в температурном режиме атмосферы принадлежит следующим газам:

· HO (от 0 до 4%) - испытывает фазовые превращения, образуя облака, осадки, туманы, сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, излучаемую Землёй, поэтому HO является отеплителем атмосферы, а солнечная ультрафиолетовая радиация HO не задерживается.

·        O (≈0,000001%) - располагается от земли до высоты 50 км. Максимальная концентрация на высоте 25 км. Полная толщина слоя озона, приведённая к нормальным условиям (t =0C, P =760мм.рт.ст.) небольшая и составляет в среднем около 3мм (при тех же условиях толщина слоя азота 6200 метров, кислорода - 1560 метров). Роль озона велика - это единственный газ, который активно задерживает ультрафиолетовую радиацию Солнца, а также поглощает 20% теплового излучения Земли, поэтому в стратосфере значительно возрастает температура воздуха. Озон совершенно не пропускает на Землю ультрафиолетовые лучи с очень короткой длиной волны. Это вредные лучи. Они убивают всё живое, и при наличии их органическая жизнь на Земле была бы невозможной. Озон фильтрует и только частично пропускает ультрафиолетовые лучи с большой длиной волны. Эти лучи важны для человечества, они убивают вредные бактерии, вызывают загар, способствуют образованию в организме витамина D и т.д.

·        CO (от 0,02 до 0,05%) - утепляет атмосферу, поглощая инфракрасную радиацию, излучаемую Землёй, как HO. В промышленных районах CO больше, чем в Арктике и Антарктиде. За последние годы содержание углекислого газа увеличилось на 15%.

. Строение атмосферы. Тропосфера и её характеристика

В соответствии с вертикальным распределением температуры атмосферу принято делить на 5 основных и 4 промежуточных слоя (рис. 1, смотри в Приложении):

) тропосфера;

тропопауза;

) стратосфера;

стратопауза;

) мезосфера;

мезопауза;

) термосфера;

термопауза;

) экзосфера.

Тропосфера - слой нижней части атмосферы, простирается до высоты 10-12 км в умеренных широтах (в полярных - до 8 - 10 км, в тропиках - до 16 - 18 км.) Здесь сосредоточено 80% массы воздуха и до 90% HO, при конденсации которого образуется облака и осадки. В тропосфере наблюдаются все явления погоды.

Характерной особенностью тропосферы являются понижение температуры с высотой (0,65C на 100 метров). Для тропосферы характерны циклоны и антициклоны, а верхней тропосфере струйные течения (скорость ветра более 100 км/час, иногда 800-900 км/час).

По погодным особенностям тропосфера делится на 3 слоя:

·     Нижний - до 2,5 км;

·        Средний - от 2,5 до 6 км;

·        Верхний - свыше 6 км.

4. Тропопауза и условия полётов в ней. Общие сведения о стратосфере

Тропопауза - это переходный слой между тропосферой и стратосферой. В зависимости от сезона года и развития атмосферных процессов высота тропопаузы колеблется:

·      Над полярными областями - 8 - 10 км;

·        Над умеренными широтами - 10 - 12 км;

·        Над экватором - 16 - 18 км.

Тропопауза играет важную роль в погодных процессах в верхних слоях тропосферы, т.к. является задерживающим слоем, затрудняющим обмен воздуха между тропосферой и стратосферой.

Стратосфера - высота от 11 до 50 км., 20% массы воздуха, температура не изменяется, а в верхней части повышается до 0C (в среднем) за счёт озона. Из-за незначительного содержания HO облака не образуются, за исключением изредка на высоте 20-30 км зимой перламутровых облаков, состоящих из мелких капелек переохлаждённой воды. Ветры зимой западные, летом - восточные. Бывают струйные течения (СТ), но скорость ветра меньше.

. Понятие о вышележащих слоях атмосферы

Мезосфера - высота от 50 до 80 км., 0,25% массы воздуха, с высотой температура понижается до - 80 - 90C. Наблюдаются иногда серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов. Ветры до 500 - 600 км/ч, зимой - западные, а летом - восточные.

Термосфера - высота от 80 до 100 км., 0,006% массы воздуха, температура растёт непрерывно и достигает значения 1000 - 2000C и более, вследствие интенсивного поглощения атомарным кислородом (O) и азотом (N) коротковолновой радиации Солнца, каждый квант которой несёт большую энергию. Ветры круглый год западные. Характерной особенностью атмосферы являются происходящая там ионизация воздуха. Наблюдаются полярные сияния.

Экзосфера - выше 800 км., масса атмосферы ничтожна. Молекулы и атомы газов вследствии их малого количества имеют колоссальные скорости и могут, преодолевая земное притяжение, уходить в межпланетное пространство.

. Физические свойства воздуха

К физическим свойствам относится: температура, давление, плотность воздуха, влажность воздуха.

TK=tC+273

Температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой, ноль по этой шкале - это абсолютный ноль. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение молекул. Абсолютный ноль по шкале Кельвина соответствует -273º по шкале Цельсия.

Приборы для измерения температуры; термометры (срочный, максимальный, минимальный); термограф (самописец). Для устранения влияния прямых солнечных лучей термометры помещают в специальные будки, имеющие жалюзийные стенки, которые состоят из рядов наклонённых пластинок, не соприкасающихся друг с другом (рис. 2, смотри в Приложении).

Атмосферное давление ‹‹P›› - это гидростатическая сила, действующая на единицу горизонтальной поверхности (1 см). Это сила равна весу столба воздуха от данного уровня до верхних пределов атмосферы.

Единицы давления: мм.рт.ст. (миллиметр ртутного столба) - в авиации; ГПа (Гектопаскаль) или МБ (миллибар) - в метеорологии; Па (Паскаль) - международная единица.

мм.рт.ст. = 133,3 Па = 1,333 ГПа (МБ)

Приборы для измерения давления: ртутно-чашечный барометр (гПа, мм.рт.ст.; рис.3, смотри в Приложении); барометр-анероид (мм.рт.ст.); барограф-самописец (суточный, недельный); дистанционный электромеханический прибор (БРС-1) мм.рт.ст.

Основной частью барометра-анероида (рис.4, смотри в Приложении) является круглая металлическая коробка 1 с волнистыми (гофрированными) основаниями. Путем откачивания воздуха внутри этой коробки создано сильное разрежение. При повышении атмосферного давления коробка сжимается, и ее верхняя (прогибающаяся) поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину 2. При уменьшении давления пружина разгибается, и верхнее основание коробки приподнимается. К пружине с помощью передаточного механизма 3 прикреплена стрелка-указатель 4. Эта стрелка перемещается по шкале 5. Градуировку шкалы анероида осуществляют и выверяют по показаниям ртутного барометра.

Плотность воздуха (ρ) представляет собой отношение массы воздуха к его объему (г/м):

ρ=m/V,

где m-масса воздуха, V-объём воздуха.

Плотность воздуха непосредственно не измеряется. Она может быть определена с помощью уравнения состояния газа:

ρ=P/RT,

где R - универсальная газовая постоянная, P - атмосферное давление, T - температура воздуха, К.

В стандартной атмосфере ρ=1,225 кг/м над уровнем моря.

Влажность воздуха - содержание в нём водяного пара, выраженное в абсолютных и относительных единицах.

Водность - содержание капельножидкой или кристаллической воды в 1м облака.

Приборы для измерения влажности: психрометр (рис.5, смотри в Приложении): психрометрический метод измерения влажности основан на принципе измерения температуры воздуха сухим и смоченным термометрами. Характеристики влажности рассчитывают по специальным психрометрическим таблицам; гигрометр плёночный (рис.6, смотри в Приложении) и волосной измеряет относительную влажность; гигрограф (самописец) служит для непрерывной регистрации изменений относительной влажности.

Также к физическим свойствам воздуха относятся такие понятия, как инертность, вязкость и сжимаемость.

Инертность - свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем она выше, тем выше инертность и сила сопротивления среды при движении в ней самолета.

Вязкость - определяет сопротивление трения об воздух при движении самолета.

Сжимаемость - определяет изменение плотности воздуха при изменении давления. На малых скоростях движения летательного аппарата (до 450 км/ч - 500 км/ч) изменения давления при обтекании его воздушным потоком не происходит, но при больших скоростях начинает проявляться эффект сжимаемости. Особенно сказывается его влияние при полёте на сверхзвуковой скорости.