Teoría Atmosférica
La ciencia atmosférica es la ciencia que estudia la atmósfera. Estudia las condiciones específicas de la atmósfera, incluida su composición, distribución y cambios, la estructura, propiedades básicas y patrones de movimiento de los estados dominantes de la atmósfera.
El movimiento de la atmósfera es causado por el intercambio de energía térmica en la atmósfera. La energía térmica proviene principalmente del sol. El intercambio de energía térmica hace que la temperatura de la atmósfera suba y baje. El movimiento del aire y las actividades cambiantes del sistema de presión del aire provocan el intercambio continuo de energía y materia entre la tierra, el norte y el sur, el suelo y el cielo, lo que da lugar a complejos cambios meteorológicos y climáticos. La ciencia atmosférica se basará en la mecánica de fluidos y la termodinámica, y llevará a cabo investigaciones en profundidad sobre diversos aspectos de la atmósfera, desde aspectos como los cambios en la presión del aire, los campos de presión del aire y los sistemas de presión del aire formados por una distribución desigual de la presión del aire, diversas condiciones de movimiento del aire en diversas capas de la atmósfera, fenómenos y propiedades del viento, etc. sistemas de circulación y sistemas climáticos, así como la naturaleza y los fenómenos del movimiento atmosférico. Fenomenalmente hablando, el tiempo es principalmente el resultado de cambios en la humedad de la atmósfera. Bajo la acción combinada de la radiación solar, el forzamiento superficial subyacente y la circulación atmosférica, la situación integral a largo plazo del tiempo se denomina clima. La ciencia atmosférica estudiará las causas del clima, las condiciones climáticas en diferentes regiones, el cambio climático y el impacto de las actividades humanas en el clima. Para toda la Tierra, cuanto más cerca del núcleo, más densos son los materiales que lo constituyen. La atmósfera es parte de la tierra. Es mucho menos denso que las partes sólidas de la Tierra. El peso de toda la atmósfera es aproximadamente 5×10 elevado a la 15ª potencia, que es menos del uno por ciento del peso total de la Tierra. En comparación con las capas superior e inferior de la atmósfera, la densidad de la capa superior es mucho menor que la de la capa inferior, y cuanto más alta es, más delgada es. Si la densidad del aire al nivel del mar es 1, entonces a una altitud de 240 kilómetros, la densidad del aire es sólo una diezmillonésima parte; a una altitud de 1.600 kilómetros, es aún más delgada, sólo una décima parte; El 90% de la masa de toda la atmósfera se concentra en el espacio situado a 16 km sobre el nivel del mar. Más arriba, al ascender a una altitud de 80 kilómetros sobre el nivel del mar, el 99,999% de la masa de la atmósfera se concentra por debajo de este límite, mientras que el resto de la atmósfera ocupa un gran espacio por encima de este límite.
Los resultados de la detección muestran que no existe una línea divisoria obvia en la parte superior de la atmósfera terrestre, sino que ésta pasa gradualmente al espacio interestelar. Aunque la atmósfera superior es más delgada que un vacío creado por el hombre, allí existen partículas de gas y son mucho más densas que la materia en el espacio interestelar. Ya no son moléculas de gas, sino átomos y partículas creadas nuevamente por la división de átomos. Tomando como límite la altitud de 80-100 kilómetros, aunque la densidad y delgadez de la atmósfera por debajo de este límite son diferentes, la composición es básicamente la misma, y están compuestas principalmente por moléculas de nitrógeno y oxígeno, es decir, aire. Más allá de este límite, cuando llega a los 1.000 kilómetros, pasa a estar dominado por el oxígeno; cuando llega a los 2.400 kilómetros, está dominado por el helio, más arriba es principalmente hidrógeno, es tan fino como la densidad de la materia; espacio interestelar.
A partir de la superficie terrestre, la atmósfera se extiende a gran altura, miles de kilómetros. Según cálculos basados en datos de detección por satélite, a una altitud de 2000-3000 kilómetros, la densidad de la atmósfera terrestre alcanza un valor de una partícula microscópica por centímetro cúbico, lo que está muy cerca de la densidad del espacio interestelar. De 2000 a 3000 kilómetros se puede considerar aproximadamente como el límite superior de la atmósfera. La presión que ejerce el peso de la atmósfera sobre cualquier superficie, es decir, la fuerza por unidad de área, se llama presión atmosférica. Su valor es igual al peso total de la columna vertical de aire que se extiende hacia arriba desde la zona inferior de la unidad hasta el límite superior de la atmósfera. La presión del aire es uno de los factores meteorológicos importantes.
Existen dos unidades de presión atmosférica comúnmente utilizadas en trabajos meteorológicos: milímetros y milibares.
(1) Milímetro (mm): Unidad utilizada para expresar la presión del aire en función de la altura de la columna de mercurio. Por ejemplo, la presión del aire es de 760 mm, lo que significa que la presión atmosférica en ese momento es igual a la presión generada por una columna de mercurio de 760 mm de altura.
(2) Milibares (mb): Unidad de presión del aire expresada por la presión de la columna de mercurio por unidad de área. En física, la unidad de presión es el bar: una fuerza de una dina por centímetro cuadrado se llama bar. Meteorológicamente hablando, esta unidad es demasiado pequeña. Tome 1.000.000 de dinas/centímetro cuadrado como 1 bar y utilice una milésima de bar como unidad de presión de aire, llamada 1 milibar. Es decir:
1 bar = 1000 milibares
Según propiedades físicas, 1 milibares = 1000 dinas/centímetro cuadrado
Según composición, temperatura, densidad, etc. Cambios verticales en las propiedades físicas, la Organización Meteorológica Mundial divide toda la atmósfera terrestre en cinco capas, de abajo hacia arriba: troposfera, estratosfera, mesosfera, capa cálida y capa de escape.
La troposfera es la capa cercana al suelo y la más afectada por el suelo. Debido a que el aire cerca del suelo se calienta y asciende, mientras que el aire frío de arriba desciende, se produce convección, por lo que esta capa se llama troposfera. Su límite inferior es el suelo y su límite superior varía con la latitud y la estación.
En la parte superior de la troposfera, hasta el nivel de 50-55 kilómetros sobre el nivel del mar, el movimiento del flujo de aire es bastante equilibrado y principalmente horizontal, por eso se llama estratosfera.
La capa que se encuentra por encima de la estratosfera y a 85 kilómetros sobre el nivel del mar es la mesosfera. Casi no hay ozono en esta capa de la atmósfera, lo que permite que una gran cantidad de radiación ultravioleta del sol atraviese esta capa de la atmósfera sin ser absorbida.
Por lo tanto, en esta capa de la atmósfera, la temperatura desciende rápidamente a medida que aumenta la altitud, y la temperatura en la parte superior ha caído por debajo de -83°C. Debido a que la temperatura de la capa inferior es más alta que la de la capa superior, lo que favorece el movimiento de convección vertical del aire, también se la llama troposfera superior o troposfera superior.
Desde la parte superior de la mesosfera hasta una altura de 800 kilómetros sobre la superficie del mar, se denomina capa cálida (caliente), también llamada ionosfera. La densidad del aire en esta capa es muy pequeña y representa sólo el 0,5% del peso total de la atmósfera en la capa de gas de 700 kilómetros de espesor. La temperatura en la capa cálida es muy alta. Según observaciones satelitales, a una altitud de 300 kilómetros, la temperatura alcanza los 1.000°C. Por eso esta capa se llama capa cálida o termosfera.
La atmósfera sobre la parte superior de la capa cálida se denomina colectivamente capa de escape, también llamada capa exterior. Es la capa más alta de la atmósfera y alcanza una altitud de hasta 3.000 kilómetros. La temperatura de esta capa de la atmósfera también es muy alta, el aire es muy fino y está débilmente limitado por el campo gravitacional terrestre. Algunas moléculas de aire que se mueven a gran velocidad pueden escapar de la gravedad de la tierra y de la resistencia de otras moléculas y escapar al espacio.
Según datos de sondeos de cohetes, existe una capa extremadamente delgada de gas ionizado fuera de la atmósfera terrestre, que puede extenderse hasta una altitud de 22.000 kilómetros, llamada corona terrestre. La corona terrestre es también la zona de transición de la atmósfera terrestre al espacio. La gente lo compara vívidamente con el "sombrero" de la tierra.
Divididos por características
Primero: en función de la composición química de la atmósfera. Esta clasificación se basa en una altitud de 90 kilómetros sobre el nivel del mar. Por debajo de una altitud de 90 kilómetros, la atmósfera está mezclada uniformemente y las proporciones relativas de los distintos componentes que la componen no cambian con la altura. Esta capa se llama capa homogénea. Por encima de los 90 kilómetros, las proporciones relativas de los distintos componentes que componen la atmósfera cambian con el aumento de la altitud. Cada vez hay más gases más ligeros, como átomos de oxígeno, átomos de helio y átomos de hidrógeno, y la atmósfera ya no está mezclada de manera uniforme. Por tanto, esta capa se denomina capa heterogénea.
Segundo: Según el estado de ionización de la atmósfera, se puede dividir en capa no ionizada y capa ionizada. La atmósfera dentro de una altitud de 60 kilómetros básicamente no tiene ionización y se encuentra en un estado neutral, por lo que esta capa se llama capa no ionizada. En altitudes superiores a 60 km a 1000 km, esta capa de la atmósfera comienza a ionizarse bajo la acción de los rayos ultravioleta solares, formando una gran cantidad de iones positivos, iones negativos y electrones libres. Por lo tanto, esta capa se llama ionosfera, que juega. un papel importante en la propagación de ondas de radio. Según diversas características de la atmósfera en dirección vertical, la atmósfera se divide en varios niveles. Según las características de la distribución de la temperatura atmosférica con la altitud, la atmósfera se puede dividir en troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y capa de escape; también se le llama troposfera, estratosfera, mesosfera, capa cálida y capa exterior; Según el estado de mezcla de los componentes atmosféricos, la atmósfera se puede dividir en capas homogéneas y capas no uniformes. Según la ionización atmosférica, se puede dividir en capa ionizada y capa no ionizada. Según la reacción fotoquímica de la atmósfera, se puede dividir en la capa de ozono. Según el hecho de que el movimiento de la atmósfera está controlado por el campo geomagnético, se puede dividir en magnetosfera.
La atmósfera cercana a la Tierra se calienta principalmente al absorber la radiación del suelo, y la temperatura disminuye al aumentar la altitud. La parte inferior es caliente, la parte superior es fría y el movimiento de convección vertical del aire es obvio, por eso se llama troposfera. El espesor de la troposfera varía según la latitud y la estación: es más espesa en los trópicos y más delgada en las zonas frías; es más espesa en verano y más delgada en invierno; El espesor de la troposfera en la región ecuatorial puede alcanzar entre 16 y 18 km, en las latitudes medias es entre 10 y 12 km y en las regiones polares es entre 7 y 8 km.
Al ascender desde la superficie de la Tierra, el aire se vuelve más fino a medida que aumenta la altitud. El límite superior de la atmósfera puede extenderse hasta una altitud de 2.000 a 3.000 kilómetros. En dirección vertical, las propiedades físicas de la atmósfera son significativamente diferentes. La atmósfera generalmente se divide en cinco capas según la distribución vertical de la temperatura, el grado de perturbación atmosférica y los fenómenos de ionización.
Troposfera La troposfera es la capa más baja de la atmósfera. Su altitud varía según la latitud y la estación. En términos de latitud, la latitud media baja es de 17 a 18 km; la latitud media es de 10 a 12 km; la latitud alta es de sólo 8 a 9 km. En cuanto a las estaciones, la altura de la troposfera superior es mayor en verano que en invierno. Las principales características de la troposfera; (1) La temperatura disminuye al aumentar la altitud, con una disminución de temperatura promedio de 0,65 °C por 100 metros. La razón es que la radiación solar calienta principalmente el suelo primero y luego el calor se transfiere del suelo a la atmósfera. Por lo tanto, la temperatura del aire es mayor a medida que se acerca al suelo y disminuye gradualmente a medida que se aleja del suelo. ②El aire tiene un fuerte movimiento de convección. Las propiedades del suelo son diferentes, por lo que el calentamiento es desigual. En lugares cálidos, el aire se expande y asciende cuando se calienta, y en lugares fríos, el aire se contrae y cae, provocando la convección del aire. El movimiento convectivo puede intercambiar aire entre las capas superior e inferior, promover la transferencia de calor y humedad y desempeñar un papel importante en la formación de nubes y la precipitación. ③El clima es complejo y cambiante. La troposfera concentra el 75% de la masa de aire y el 90% del vapor de agua, por lo que, acompañado de un fuerte movimiento convectivo, se forman cambios de fase del agua y fenómenos meteorológicos complejos como nubes, lluvia, nieve, etc.
La estratosfera está a 55 kilómetros de la tropopausa, que es la estratosfera. Sus principales características son: ① A medida que aumenta la altura, la temperatura cambia de una distribución isotérmica a una distribución de temperatura inversa. La temperatura en la estratosfera inferior no cambia mucho con la altitud. Por encima de los 20 kilómetros, a medida que aumenta la altitud, la temperatura aumenta significativamente y aparece una capa de inversión térmica. Esto se debe a que el contenido de ozono es mayor a una altitud de 20 a 25 kilómetros. El ozono absorbe grandes cantidades de rayos ultravioleta del sol, elevando las temperaturas. ②El flujo de aire vertical se debilita significativamente. El aire en la estratosfera se mueve principalmente horizontalmente, la mezcla vertical del aire se debilita significativamente y toda la estratosfera es relativamente estable. ③ Muy poco vapor de agua y polvo. Debido al bajo contenido de vapor de agua y polvo, los fenómenos meteorológicos de la troposfera rara vez ocurren en esta capa.
La estratosfera tiene abundante luz solar y una atmósfera transparente.
La mesosfera es la mesosfera desde la estratopausa hasta una altitud de 85 kilómetros. Sus principales características son: ① La temperatura desciende rápidamente a medida que aumenta la altura, y la temperatura en la parte superior de la capa media desciende a -83 °C ~ -113 °C. Debido a que el contenido de ozono en esta capa es muy pequeño y no puede absorber una gran cantidad de rayos ultravioleta solares, la mayor parte de la radiación de onda corta absorbida por el nitrógeno y el oxígeno es absorbida por la atmósfera superior, por lo que la temperatura disminuye al aumentar la altitud. (2) Hay un fuerte movimiento convectivo. Esto se debe a que la parte superior de la atmósfera es más fría y la parte inferior más cálida, lo que provoca un movimiento convectivo del aire. Pero como esta capa de aire es delgada, el movimiento convectivo del aire no se puede comparar con el de la troposfera.
La capa cálida es la capa cálida desde la mesopausa hasta una altitud de 800 kilómetros. Características de la capa cálida: ① A medida que aumenta la altitud, la temperatura aumenta rápidamente. Según los datos detectados, a una altitud de 300 kilómetros la temperatura puede alcanzar más de 1.000°C. Esto se debe a que toda la radiación ultravioleta solar con longitudes de onda inferiores a 0,1,75 micras es absorbida por esta capa de material atmosférico, provocando que se caliente. ②El aire está en un estado altamente ionizado. La densidad del aire en esta capa es muy pequeña. A una altitud de 270 kilómetros, la densidad del aire es aproximadamente una décima parte de la del aire terrestre. Debido a la baja densidad del aire, las moléculas de oxígeno y algunas moléculas de nitrógeno se descomponen y altamente ionizan bajo la acción de los rayos ultravioleta solares y los rayos cósmicos, por lo que la capa cálida también se llama ionosfera. La ionosfera tiene la capacidad de reflejar ondas de radio, lo cual es de gran importancia para las comunicaciones por radio.
Encima de la capa cálida, la capa de escape se llama capa de escape. Es la capa más externa de la atmósfera y es la capa de transición entre la atmósfera y el espacio interestelar, pero no existe una línea divisoria obvia. En esta capa, el aire es extremadamente fino y la posibilidad de colisiones de partículas atmosféricas es muy pequeña. La temperatura también aumenta con la altitud. Debido a la alta temperatura, las partículas de aire se mueven muy rápido y, debido a que están lejos de la superficie terrestre y se ven menos afectadas por la gravedad terrestre, algunas partículas de aire de alta velocidad continúan escapando al espacio interestelar, de ahí el nombre de capa de escape. Según datos de cohetes espaciales, el espacio exterior a la atmósfera terrestre también está rodeado por una capa extremadamente delgada de atmósfera compuesta de gases ionizados. Esta atmósfera se llama "corona terrestre". Se extiende a una altitud de 22.000 kilómetros. Se puede ver que la atmósfera y el espacio interestelar transitan gradualmente sin límites claros. El principal impacto de la contaminación del aire en el estado físico de la atmósfera es provocar cambios anormales en el clima. A veces este cambio es obvio, a veces ocurre de forma gradual, lo cual es difícil de detectar para la gente común, pero si se permite que se desarrolle, las consecuencias pueden ser graves. La atmósfera cambia constantemente y su proceso de cambio natural es bastante lento. Los cambios causados por las actividades humanas son inminentes y han atraído gran atención en todo el mundo. El mundo ha movilizado una gran cantidad de recursos humanos y materiales para la investigación, la prevención y el tratamiento. Controlar la contaminación del aire y proteger el medio ambiente se han convertido en tareas importantes para la humanidad contemporánea.
Contaminantes atmosféricos
Con el rápido desarrollo de la productividad social humana, varios contaminantes han entrado en la atmósfera terrestre en grandes cantidades, que es lo que la gente llama "contaminación del aire".
Los contaminantes en la atmósfera han causado daño y hay alrededor de 100 tipos de contaminantes que preocupan a la gente. Los principales contaminantes se muestran en la tabla. Dividido en partículas de carbono, cenizas volantes, carbonato de calcio, ZnO (óxido de zinc), PbO2 (dióxido de plomo), PM2,5, PM10 y otras partículas de polvo, así como SO2 (dióxido de azufre), SO3 (trióxido de azufre), H2SO4 ( niebla), nO (óxido nítrico), NO2 (dióxido de nitrógeno), NH3 (NH3) y otros compuestos nitrogenados. Los óxidos de carbono como F2 (gas flúor), HCl (cloruro de hidrógeno), HF (fluoruro de hidrógeno), CO (monóxido de carbono), oxidante O3 (ozono), nitrato de peroxiacilo (PAN), etc. tienen una amplia gama de impactos y son Las principales amenazas para el medio ambiente humano son el polvo de carbón, el monóxido de carbono, los hidrocarburos, el sulfuro de hidrógeno, el amoníaco, etc.
En cuanto a las fuentes de contaminantes, incluyen principalmente los gases de escape emitidos por las chimeneas cuando se quema combustible, los gases de escape de los vehículos y los gases tóxicos que se escapan de las fábricas. Las chimeneas y los gases de escape de los vehículos representan aproximadamente el 70% del total de contaminantes. Estado
Según informes relevantes, investigadores de la Academia de Ciencias de China utilizaron un sistema de análisis y extracción de metano de burbujas de núcleo de hielo de alta precisión de diseño propio para realizar investigaciones, pruebas y análisis experimentales del núcleo de hielo de Dasuopu en la meseta Qinghai-Tíbet, y obtuvo resultados recientes de dos mil años de registros de metano atmosférico de alta resolución en latitudes medias y bajas han supuesto un gran avance en el estudio de la interacción entre los gases de efecto invernadero atmosféricos y el cambio climático global. Los investigadores estudiaron los registros de metano en el núcleo de hielo de Great Thorpe en la meseta tibetana y descubrieron que el contenido de metano en la atmósfera ha aumentado drásticamente desde 1850, aumentando 1,4 veces en los últimos 150 años. Sin embargo, entre las dos guerras mundiales, las emisiones de metano procedentes de las actividades humanas crecieron negativamente. Los expertos dijeron que esta investigación proporcionará una base para la evaluación cuantitativa de la distribución y las características de cambio de la atmósfera global.
Las investigaciones muestran que con la emisión continua de gases de efecto invernadero, el "efecto invernadero" de la atmósfera terrestre será cada vez más fuerte. Los gases de efecto invernadero se componen principalmente de vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno, freones y otros componentes. El efecto invernadero del metano es 20 veces mayor que el del dióxido de carbono y su concentración en la atmósfera está creciendo rápidamente. Además, el estudio también predice que las temperaturas globales aumentarán en general con las emisiones masivas de gases de efecto invernadero. Al mismo tiempo, el ecosistema terrestre se verá amenazado por la migración de ecosistemas de latitudes medias y cinturones agrícolas hacia los polos y la reducción de la biodiversidad aumentará la frecuencia de desastres climáticos repentinos, lo que afectará directamente la supervivencia y el desarrollo humanos.
A finales del siglo XX, con el crecimiento de la población mundial y la intensificación de las actividades humanas, se liberaron cada vez más gases de efecto invernadero a la atmósfera, provocando que el contenido de gases de efecto invernadero en la atmósfera aumentara. doble.
Los expertos señalan que estos gases de efecto invernadero controlarán el flujo de energía natural a través del sistema climático, afectando así el cambio climático global. Prácticamente todos los gases que los humanos emiten a la atmósfera deben eliminarse mediante procesos naturales, y el proceso de eliminación en sí debe lograrse dañando el clima, el medio ambiente y los ecosistemas existentes. La humanidad es cada vez más consciente de que nadie puede escapar de la lista de autores de la contaminación ambiental y nadie puede quedar fuera de la lista de víctimas de la degradación ambiental. Todo el mundo no sólo es víctima de la contaminación ambiental, sino también productor y controlador de la contaminación ambiental. La protección del medio ambiente no es sólo un eslogan o un tema, sino también una ciencia sistemática, una conciencia, un concepto y una forma de vida. La protección del medio ambiente requiere no sólo del gobierno, los expertos y los académicos, sino también una amplia participación pública. La protección del medio ambiente debe comenzar desde la infancia y todos los ciudadanos deben desarrollar el hábito de proteger el medio ambiente desde una edad temprana. El concepto del gobierno debe ser firme, su propaganda debe ser detallada y debe librar una guerra prolongada.
Principios
En el mundo, cualquier objeto del universo irradiará ondas electromagnéticas. Cuanto mayor es la temperatura del objeto, más corta es la longitud de onda de la radiación. La temperatura de la superficie del sol es de aproximadamente 6000 K y la longitud de onda electromagnética que emite es muy corta, llamada radiación solar de onda corta (incluida la luz visible del violeta al rojo). El suelo se calienta con la radiación de onda corta del sol y se enfría con ondas electromagnéticas que se irradian todo el tiempo. La longitud de onda electromagnética emitida por la Tierra se alarga debido a la baja temperatura, lo que se denomina radiación terrestre de onda larga. La radiación de onda corta y la radiación de onda larga tienen diferentes experiencias al atravesar la atmósfera terrestre: la atmósfera es casi transparente a la radiación solar de onda corta, pero absorbe fuertemente la radiación terrestre de onda larga. Si bien la atmósfera absorbe radiación de onda larga del suelo, también irradia radiación de onda larga con longitudes de onda más largas (porque la temperatura de la atmósfera es más baja que la del suelo). La parte que desciende hasta el suelo se llama radiación inversa. El suelo se calienta al recibir radiación inversa, o la atmósfera mantiene caliente el suelo. Éste es el principio del efecto invernadero atmosférico.