Εισαγωγή στην Μετεωρολογία Τομέας Μετεωρολογίας-Κλιματολογίας, Α.Π.Θ. Δρ. Πρόδρομος Ζάνης Aν. Καθηγητής, Τομέας Μετεωρολογίας-Κλιματολογίας, Α.Π.Θ. http://meteo.geo.auth.gr/askiseis/

Μετεωρολογία:  Καιρό, καιρικά φαινόμενα  Καιρός: Η κατάσταση της ατμόσφαιρας, πάνω από μια περιοχή, για μια χρονική στιγμή. Κλιματολογία:  Κλίμα, κλιματικά φαινόμενα  Κλίμα: Η μέση καιρική κατάσταση, δηλαδή η σύνθεση του καιρού, για μια χρονική περίοδο.

Μ Ε Τ Ω Ρ Ο Λ Γ Ι Α Σημαντική και Ενδιαφέρουσα Άνθρωπο, Ψυχική Διάθεση, Καθημερινότητα Σύνθετη και Διεπιστημονική Θετικές Επιστήμες (Φυσική, Χημεία, Μαθηματικά), Γεωλογία, Ωκεανογραφία, Πληροφορική Διαχρονική και Διασυνοριακή Ανθρώπινη επιβίωση, Αριστοτέλης, Σύγχρονη Παρελθόν - Παρόν - Μέλλον, Τεχνολογία

Σημαντική και Ενδιαφέρουσα Μερικά παραδείγματα: α) Πρόβλεψη ατμοσφαιρικών φαινομένων που επηρεάζουν τις ανθρώπινες δραστηριότητες (π.χ. ο καιρός, καταιγίδες που διακόπτουν θαλάσσιες και εναέριες επικοινωνίες, ξηρασίες, ακραία φαινόμενα). β) Συνέπειες ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον (π.χ. ρύπανση αέρα, μόνιμες αλλαγές στην ατμοσφαιρική σύσταση, στον καιρό και στο κλίμα). γ) Ωφελιμιστικές τροποποιήσεις ορισμένων ατμοσφαιρικών διεργασιών σε περιορισμένη χωρική κλίμακα (π.χ. διάλυση ομίχλης, χαλαζική προστασία, αύξηση και επανακατανομή βροχοπτώσεων). δ) Ανάγκη για τη διάθεση βασικών στατιστικών ατμοσφαιρικών παραμέτρων που χρειάζονται για σκοπούς μακρόχρονου σχεδιασμού (π.χ. χρήση της γεωργικής γης, σχεδιασμός κτιρίων, προδιαγραφές αεροσκαφών, εγκαταστάσεις αιολικών και ηλιακών πάρκων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας).

Σύνθετη και Διεπιστημονική Ας αναφέρουμε μερικά παραδείγματα: α) Έρευνα πάνω στην κλιματική ιστορία του πλανήτη μας προδιαθέτει συνεργασία μεταξύ επιστημόνων της ατμόσφαιρας, γεωλόγων, ωκεανογράφων και παγετονολόγων. β) Η σχέση μεταξύ ατμόσφαιρας και ωκεανών συγκεντρώνει την προσοχή επιστημόνων της ατμόσφαιρας και ωκεανολόγων. γ) Όλο και μεγαλύτερος αριθμός μαθηματικών και επιστημόνων πληροφορικής εργάζονται σε ατμοσφαιρικά προβλήματα, ιδιαίτερα στην ανάπτυξη προσομοιοτικών μοντέλων. δ) Το πρόβλημα της ρύπανσης και μόλυνσης της ατμόσφαιρας απαιτεί ειδικούς με γνώσεις ατμοσφαιρικής φυσικής, φυσικής αιωρημάτων και χημείας, και επιστημών υγείας. ε) Φυσικοί της ανώτερης ατμόσφαιρας, του ηλίου και του διαστήματος μελετούν από κοινού τους μηχανισμούς μέσω των οποίων διαταραχές στον ήλιο προκαλούν ένα μεγάλο αριθμό φαινομένων στη γήινη ατμόσφαιρα. στ) Οι ατμόσφαιρες των άλλων πλανητών σήμερα μελετούνται πειραματικά μέσω τηλεανιχνευτικών τεχνικών (remote sensing) και θεωρητικά σε σύγκριση πάντα με την ατμόσφαιρα του πλανήτη μας.

Περιεχόμενα   Κεφάλαιο πρώτο – Η ατμόσφαιρα της Γης: μάζα και σύσταση ατμόσφαιρας, κατακόρυφη κατανομή μετεωρολογικών παραμέτρων και διαίρεση της ατμόσφαιρας, ισοβαρικές επιφάνειες, χάρτες καιρού, γεωδυναμικό ύψος Κεφάλαιο δεύτερο – Υγρασία του αέρα: τάση υδρατμών, θερμοκρασία του σημείο δρόσου, απόλυτη, ειδική και σχετική υγρασία, αναλογία μείγματος, υετίσιμο ύδωρ Κεφάλαιο τρίτο – Στοιχεία θερμοδυναμικής του ατμοσφαιρικού αέρα: καταστατική εξίσωση ξηρού και υγρού αέρα, ειδικές θερμότητες, πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα, αδιαβατικές και μη-αδιαβατικές μεταβολές στην ατμόσφαιρα, κατακόρυφη θερμοβαθμίδα, θερμοδυναμική του νερού

Κεφάλαιο 1: Η ατμόσφαιρα της Γης

Έκταση της ατμόσφαιρας της γης Το ανώτατο όριο της ατμόσφαιρας θα πρέπει να είναι μία επιφάνεια στην οποία στη μονάδα του χρόνου ο αριθμός των σωματιδίων-μορίων που διαφεύγουν να ίσος με αυτών που επιστρέφουν. Θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ύψος της ατμόσφαιρας που κυμαίνεται από 28000 km στους πόλους σε 42000 km στον ισημερινό. Διάφορα όμως φαινόμενα όπως διάττοντες αστέρες μετεωρίτες , πολικό σέλας δεν μας επιτρέπουν να εκτιμήσουμε το ύψος της ατμόσφαιρας πάνω από 3000 km.

Συνολική μάζα της ατμόσφαιρας της γης 50% έως 5 km 75% έως 10 km 95% έως 20 km 99% έως 40 km 1 hPa = 1 mbar = 100 Pa 1 Pa = 1 N m-2 = kgr m-1 s-2 1 N = 1 kgr m s-2 Μάζα ωκεανών =1.36 x 1021 kgr Μάζα στερεού τμήματος =5.98 x 1024 kgr

Σύσταση της Ατμόσφαιρας   Στα χρόνια του Β’ Παγκοσμίου πολέμου μόνο 20 ατμοσφαιρικά στοιχεία ήτανε γνωστά. Μέσα σε μία μόνο δεκαετία μετά το πέρας του Β’ Παγκοσμίου πολέμου η επιστημονική έρευνα για τις επιδράσεις της αέριας ρύπανσης οδήγησε στην ανακάλυψη και νέων ατμοσφαιρικών στοιχείων (~100). Σήμερα είναι γνωστά περισσότερα από 3000 στοιχεία ότι υπάρχουν στην ατμόσφαιρα της γης. → Αέρια στοιχεία 4 φορές περισσότερα οργανικά από ανόργανα Οργανικά στοιχεία: υδρογονάνθρακες, χημικά βιομηχανίας, προϊόντα καύσης → Αιωρούμενα σωματίδια Οργανικό υλικό, ανόργανα ιόντα και οξείδια, καπνός → Υδρογονοσταγονίδια (βροχή, χιόνι, νέφη, ομίχλη) Ιοντικές ενώσεις (ΝΟ-3, SO-4) Σχεδόν πάντα όξινα Ποια είναι τα βασικά στοιχεία της γήινης ατμόσφαιρας; Ποια στοιχεία πιστεύεται ότι υπήρχαν στην πρώτη ατμόσφαιρα της γης;

Σύσταση της τροπόσφαιρας Στοιχεία Συγκέντρωση Χρόνος ζωής /έτη N2 0.781 1.6 x 107 O2 0.209 9000 Ar 0.0093 4.5 x 109 H2O 0 – 0.04 5 ημέρες CO2 370 ppmv 5 CH4 1700 ppbv 10 H2 550 ppbv 4 N2O 320 ppbv 150 CO 40 – 200 ppb 0.2 O3 20 – 100 ppbv 0.05 C2H6 1 ppbv SO2 0.1 ppbv NO2 2 ημέρες Κύρια στοιχεία Ιχνο-στοιχεία

Σημερινή σύσταση της Ατμόσφαιρας στη Γη Βασικά στοιχεία  Άζωτο (Ν2), 78%, χρόνος ζωής: 106 χρόνια, αδρανές αέριο, πηγές: Ηφαίστεια, Βιόσφαιρα Οξυγόνο (Ο2), 21%, χρόνος ζωής: 5000 χρόνια, ζωογόνο, πηγές: φωτοσύνθεση, καταβόθρες: αναπνοή, σήψη, καύση Αδρανή αέρια, 1-0.00001 % Ήλιον (He), Νέον (Ne), Αργόν (Ar), Κρύπτον (Kr) Υδρατμός (H2O) Αδρανή αέρια, 0-2 %, ζωογόνο, πηγές: υδρόσφαιρα Ιχνοστοιχεία CO2, 350 ppmv (0.035 %), επιδράσεις: Κλίμα, θερμοκρασία, πηγές: Ηφαίστεια, βιόσφαιρα, λιθόσφαιρα Η2,CH4, N2O, CO, 0.0002%, επιδράσεις:βασικά χημικά στοιχεία σε χημικούς κύκλους, πηγές: βιόσφαιρα, καύση ΝΟ, ΝΟ2, ΝΟ3, Ν2Ο5, ΗΝΟ2, ΗΝΟ3, PAN, από pptv έως ppmv, επιδράσεις: χημεία όζοντος, κύκλος αζώτου, πηγές: βιόσφαιρα, καύση Ο3, από pptv έως ppmv, επιδράσεις: προστασία από επιβλαβή UV, πηγές: φωτοχημεία H2S, SO2, H2SO4, από pptv έως ppmv, επιδράσεις: Κλίμα, κύκλος του θείου, πηγές: ηφαίστεια, βιόσφαιρα, καύση

Μονάδες που χρησιμοποιούνται για τις συγκεντρώσεις των αέριων στοιχείων (*) Αναλογία μείγματος κατ΄όγκο ppmv: μέρη ανά εκατομμύριο (10-6) ppbv: μέρη ανά δισεκατομμύριο (10-9) pptv: μέρη ανά τρισεκατομμύριο (10-12) π.χ. 40 ppbv Ο3, 200 ppmv CO, 50 pptv NO (*) πυκνότητα μορίων ανά όγκο π.χ. μόρια ανά κυβικό εκατοστό (molecules/cm3) (*) πυκνότητα μάζας ανά όγκο π.χ. Μικρογραμμάρια ανά κυβικό μέτρο (μg/m3)

Εξέλιξη της σύστασης της Ατμόσφαιρας στη Γη (από αναγωγική σε οξειδωτική ατμόσφαιρα)  Αρχικά υπήρχε ατμόσφαιρα Ήλιου (Η, Ηe, αδρανή αέρια) Έκλυση αερίων από το εσωτερικό της Γης (H2, CH4, N2, NH3, H2O, CO, CN) Συμπύκνωση υδρατμών δημιουργεί υδάτινες μάζες Ενέργεια → αμινοξέα και οργανικές ενώσεις μέσα στις υδάτινες μάζες → ένζυμα, DNA, RNA → δημιουργία ζωής Αρχίζει να παράγεται Ο2 από τις αντιδράσεις H2O + hv → 2 H2 + O2 (φωτοδιάσπαση Η2Ο) H2O + CO2 + hv → HCHO + O2 (φωτοσύνθεση) Η2Ο σημαντικό γιατί αλλιώς δεν θα υπήρχε ζωή για να κάνει φωτοσύνθεση και η ατμόσφαιρα θα έμοιαζε με αυτή της Αφροδίτης με μεγάλες ποσότητες CO2 (ατμοσφαιρική πίεση 80 φορές μεγαλύτερη) Δημιουργία Ο3 από τα ίχνη Ο2 (1/1000 του σημερινού Ο2 θα ήτανε αρκετό για την προστασία της ζωής από την επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία) Σημερινό Ο2 = 10% του ολικού Ο2 που παράχθηκε έως τώρα ενώ το υπόλοιπο 90% καταναλώθηκε για την δημιουργία οξειδίων στο φλοιό της Γης (Fe2O3, CaCO3, MgCO3) αφαιρώντας σημαντικές ποσότητες CO2 που εκλύονταν από το εσωτερικό της Γης Πριν από 1 δισεκατομμύριο χρόνια υπήρχε τόσο Ο2 όσο υπάρχει σήμερα Ένα άλλο μέρος CO2 το απέσυραν οι ζωντανοί οργανισμοί για την μετατροπή του σε οργανική ύλη (που ένα μέρος της αποσύρεται κάτω από το έδαφος) και Ο2. Εαν όλη η θαμμένη οργανική ύλη καίγονταν τότε θα καταναλώναμε όλο σχεδόν το διαθέσιμο οξυγόνο Το άζωτο διατηρήθηκε

Εξέλιξη της σύστασης της ατμόσφαιρας

Οξυγόνο στην ατμόσφαιρα – πηγές

Οι γειτονικοί πλανήτες Η Αφροδίτη είναι πιο κοντά στον Ήλιο αλλά λόγω των νεφών της απορροφά 25% της ηλιακής ακτινοβολίας (η Γη απορροφά 70%). Η πολύ πυκνή ατμόσφαιρα CO2 προκαλεί ισχυρό φαινόμενο θερμοκηπίου Ο Άρης είναι πολύ ψυχρός (όλο το νερό είναι παγωμένο), η Αφροδίτη πολύ θερμή (όλο το νερό έχει εξατμιστεί), η Γη έχει ακριβώς τις κατάλληλες συνθήκες για ύπαρξη ζωής.

Η Ζώνη Διαβίωσης Στην αρχή του ηλιακού συστήματος ο Ήλιος ήταν 30% ασθενέστερος και η Αφροδίτη είχε θάλασσα. Καθώς ο Ήλιος γινόταν λαμπρότερος το νερό εξατμίστηκε λόγω ενός ανεξέλεγκτου φαινομένου του θερμοκηπίου. Σε παλαιότερες εποχές, όταν ο Ήλιος ήταν ασθενέστερος και το CO2 λιγότερο, η Γη είχε παγώσει (π.χ., πριν 700 εκ έτη) Σήμερα η Γη βρίσκεται χρονικά στο καλύτερο σημείο (στο μέσο της ζώνης).

Όζον - Ο3 → πηγές: δευτερογενής ρύπος   → πηγές: δευτερογενής ρύπος → Από τα πιο σημαντικά προβλήματα αέριας ρύπανσης είναι αφενός η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος και αφετέρου η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος. → Στη στρατόσφαιρα απορροφά την επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία και συνεπώς η μείωση τοθ στρατοσφαιρικού όζοντος έχει άμεσο αντίκτυπο στο ποσοστό UV-Β που φθάνει στο έδαφος. → Στην ανώτερη τροπόσφαιρα δρα ως θερμοκηπικό αέριο. → Στην τροπόσφαιρα είναι η βασική πηγή της ελεύθερης ρίζας του υδροξυλίου (ΟΗ) που είναι το βασικό οξειδωτικό μέσο της τροπόσφαιρας αποτελώντας βασική καταβόθρα πολλών στοιχείων που διαφορετικά θα δρούσαν σαν θερμοκηπικά. → Κοντά στο έδαφος είναι φυτοξειδωτικό σε συγκεντρώσεις > 40 ppbv. → Το όζον είναι επίσης οξειδωτικό μέσο (π.χ. Οξειδώνει SO2 προς H2SO4). → Σε συγκεντρώσεις > 140 ppbv προκαλεί αναπνευστικά προβλήματα

Θεωρία Chapman Ox (O3+O) (1) O2 + hv  O + O (λ<242 nm) +2 (2) O + O2 + M  O3 + M 0 (3) O3 + hv  O + O2 0 (4) O + O3  2 O2 -2 (O + O + M  O2 + M ) Αντίδραση (4) πολύ αργή να καταστρέψει όζον Αντίδραση (2) γίνεται βραδύτερη με το ύψος (O3 99% of Ox <45 km) Αντίδραση (3) γίνεται ταχύτερη με το ύψος

Τρύπα του όζοντος στην Ανταρκτική - καθοριστικοί παράγοντες Ο παράγοντας Μετεωρολογία Σταθερός πολικός στρόβιλος Χαμηλές θερμοκρασίες (-80 oC) Στρατοσφαιρικά νέφη (PSCs) Ο παράγοντας Χημεία Ετερογενείς αντιδράσεις στην επιφάνεια των παγοκρυστάλλων των PSCs HCl + ClONO2 + (παγοκρύσταλλοι)  Cl2 + HNO3 Cl2 + hv  Cl + Cl 2 (Cl + O3  ClO + O2 ) ClO + ClO + M  (ClO)2 + M (ClO)2 + hv  Cl + Cl + O2

Διοξείδιο του άνθρακα - CO2 → φυσικές πηγές (σήψη, ωκεανοί) πολύ μεγαλύτερες από τις ανθρωπογενείς (καύση ενεργειακών πρώτων υλών), → μακροπρόθεσμα αποτελέσματα ως ρύπος στο πλανήτη (ενίσχυση φαινομένου θερμοκηπίου)

Ακτινοβολία Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει και κυματική και σωματιδιακή υφή. Από κυματική άποψη η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα σύνολο κυμάτων που ταξιδεύουν μέσω του κενού με την ταχύτητα του φωτός, c=300000 km sec-1. Η απόσταση μεταξύ δύο κορυφών του κύματος της ακτινοβολίας ορίζεται ως μήκος κύματος λ, ενώ ο αριθμός των κορυφών του κύματος που περνούν από ένα δεδομένο σημείο του χώρου σε ένα δευτερόλεπτο ορίζεται ως η συχνότητα του κύματος v. Οι μονάδες της συχνότητας είναι sec-1 ή Hz (herz, χερτζ) ενώ το μήκος κύματος εκφράζεται συνήθως σε νανόμετρα (nm) και σπανιότερα σε μικρόμετρα (μm) για την υπεριώδη και ορατή περιοχή του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η συχνότητα, v, και το μήκος κύματος λ συνδέονται με τη σχέση v = c / λ. Από τη σωματιδιακή άποψη, η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος απορροφάται, εκπέμπεται ή μετατρέπεται σε άλλες μορφές κατά διακριτές ποσότητες ή κβάντα, που ονομάζονται φωτόνια. Η ποσότητα της ενέργειας, Ε, που συνδέεται με ένα φωτόνιο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συχνότητας v είναι Ε=h v = h c / λ h= 6.624 x 10-27 erg sec c = 3 x 1010 cm sec-1 εάν λ = 300 nm = 3 x 105 cm τότε E = 397 kJ mole-1 1 mole φωτονίων ορίζεται ως 1 Einstein

Η ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος λ και το πλάτος α

Hλιακή ακτινοβολία (Wm-2nm-1) Φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας και απορρόφηση από τα συστατικά της ατμόσφαιρας Μήκος κύματος (nm) Hλιακή ακτινοβολία (Wm-2nm-1) Ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας Ακτινοβολία μελανού σώματος 5250 oC Aκτινοβολία στην επιφάνεια της θάλασσας

Απορρόφηση της γήινης υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα διάφορα αέρια

Ισοζύγιο ακτινοβολίας 100 μονάδες = 343 W/m2 Ανακλάται από τη Γη 6+20+4=30 Απώλεια στο υπέρυθρο 6+64=70 Στην ατμόσφαιρα (111-96)+(7+23)+19=+64 και χάνεται -64 Απορροφάται από τη Γη +51 Χάνεται από τη Γη -(117-96+7+23)=-51

To φαινόμενο του Θερμοκηπίου είναι μια φυσική διαδικασία που εξασφαλίζει στη Γη μια σταθερή θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους γύρω στους 15οC. Το σημαντικό είναι ότι εάν δεν υπήρχε το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της Γης, η θερμοκρασία της θα ήταν κρύα περίπου -20 oC και δεν θα μπορούσε να υπάρχει ζωή και ο άνθρωπος.

Global, annual-mean radiative forcings (Wm-2) due to a number of agents for the period from pre-industrial (1750) to present (IPCC, 2002).

Κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα

Τροπόσφαιρα   → το χαμηλότερο στρώμα με 75% της μάζας της ατμόσφαιρας όπου συμβαίνουν τα καιρικά φαινόμενα → πάχος 12±4 km που εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή, τις ημερήσιες μεταβολές της επιφανειακής πίεσης που σχετίζεται από τα συστήματα καιρού → ύψος τροπόπαυσης: 16 km στον ισημερινό και 8 km στους πόλους → ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από το έδαφος είναι η πηγή ενέργειας της τροπόσφαιρας → ο μηχανισμός της κατακόρυφης μεταφοράς είναι ο βασικός μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας προς τα ανώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας – ανάλογο το βράσιμο του νερού σε μία κατσαρόλα → άλλος σημαντικός μηχανισμός η απορρόφηση από αέρια όπως Η2Ο, CO2, CH4, N2O, CFCs, HCFCs της εκπεμπόμενης γήινης ακτινοβολίας στο υπέρυθρο – φαινόμενο θερμοκηπίου → η μεσημβρινή βαθμίδα της θερμοκρασίας στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη είναι σημαντική για την κυκλογένεση και την μεταφορά θερμότητας και ενέργειας από τον ισημερινό προς τους πόλους

Στρατόσφαιρα   → εκτείνεται έως περίπου τα 50 km που είναι η στρατόπαυση και η θερμοκρασία αυξάνει με το ύψος → ο βασικός μηχανισμός θέρμανσης είναι η απορρόφηση της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας από το όζον → αν και το μέγιστο του όζοντος είναι περίπου στα 25 km η μέγιστη θερμοκρασία παρατηρείται στη στρατόπαυση λόγω της χαμηλότερης πυκνότητας του αέρα → στη κατώτερη στρατόσφαιρα το καλοκαίρι η θερμοκρασία είναι υψηλότερη στους πόλους και χαμηλότερη στον ισημερινό ενώ το χειμώνα οι μέγιστες θερμοκρασίες παρατηρούνται στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη →στην ανώτερη στρατόσφαιρα η θερμοκρασία ελαττώνεται από το θερινό πόλο προς το χειμερινό πόλο → το χειμώνα στη πολική στρατόσφαιρα συχνά συμβαίνουν αιφνίδιες στρατοσφαιρικές θερμάνσεις που μεταβάλουν την αέρια κυκλοφορία → στην τροπική ζώνη παρατηρούμε την ημι-διετή διακύμανση (QBO) με περίοδο περίπου 26 μήνες με τους ανατολικούς ανέμους να εναλλάσσονται με δυτικούς

Μεσόσφαιρα   → η θερμοκρασία ελαττώνεται με το ύψος και εκτείνεται έως περίπου τα 80 km που είναι η μεσόπαυση, το ψυχρότερο στρώμα της ατμόσφαιρας (-80 0C) → οι βασικοί μηχανισμοί θέρμανσης είναι ο μηχανισμός της κατακόρυφης μεταφοράς και η απορρόφηση της υπέρυθρης γήινης ακτινοβολίας από το όζον και το CO2 Θερμόσφαιρα → η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος και εκτείνεται έως περίπου τα 400 km φτανοντας θερμοκρασίες από 700 0C έως και 1000 0C ανάλογα με την ηλιακή δραστηριότητα → Η αύξηση της θερμοκρασίας με το ύψος οφείλεται α) στην χαμηλή πυκνότητα του αέρα β) στην έλλειψη τριατομικών μορίων γ) στην απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας σε μήκη κύματος ανάμεσα στα125 nm και 205 nm από άτομα και μόρια οξυγόνου δ) στην ενέργεια από εξωθερμικές αντιδράσεις κατώτερη → τα χαμηλότερα στρώματα της θερμόσφαιρας αποτελούνται από μόρια N2 και άτομα και μόρια οξυγόνου ενώ στα υψηλότερα στρώματα τα άτομα και μόρια οξυγόνου υπερισχύουν

Θερμοκρασία

Πίεση

Μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος   → η θερμοκρασία ελαττώνεται με το ύψος με μία κατακόρυφη θερμοβαθμίδα -6.5 0C/km) → είναι συνηθισμένο όμως το φαινόμενο των θετικών θερμοβαθμίδων που είναι οι λεγόμενες θερμοκρασιακές αναστροφές Μεταβολή της πυκνότητας του αέρα και της πίεσης με το ύψος

Χάρτες καιρού  

Χάρτες καιρού  

Ισοβαρείς στην επιφάνεια της θάλασσας  

Ισοπαχείς 1000 hPa – 700 hPa  

Γεωδυναμικό ύψος  

Γεωδυναμικά ύψη (ισουψείς) στην ισοβαρική επιφάνεια των 500 hPa  

Γεωδυναμικά ύψη (ισουψείς) στην ισοβαρική επιφάνεια των 500 hPa  

Γεωδυναμικά ύψη στην ισοβαρική επιφάνεια των 300 hPa, στις 12 Μαρτίου 1996, 12 UTC

Υγρασία του αέρα

Clausious-Clapeyron εξίσωση Τάση των υδρατμών Clausious-Clapeyron εξίσωση Η λανθάνουσα θερμότητα εξαερώσεως εξαρτάται από τη θερμοκρασία Είναι αποτελεσματική για μικρές διαφορές Τ και Το.

Τάση των υδρατμών (2)

Ορισμοί

Ορισμοί (2)

Γενικά για τη θερμοδυναμική Η θερμοδυναμική μελετά τις μεταβολές ενέργειας ενός συστήματος και τις μεταφορές ενέργειας από ένα σύστημα σε άλλο. Για να περιγράψει την κατάσταση ενός συστήματος (σε κάθε σημείο του) χρησιμοποιεί ένα πεπερασμένο αριθμό μεταβλητών κατάστασης ή θερμοδυναμικών συντεταγμένων που αντιστοιχούν στις ιδιότητες του συστήματος (π.χ. πίεση, θερμοκρασία κτλ.). Η συναρτησιακή σχέση που συνδέει τις μεταβλητές κατάστασης είναι η καταστατική εξίσωση (ή εξίσωση κατάστασης). Η θερμοδυναμική υποθέτει συνεχή μέσα. Η θερμοδυναμική βασίζεται σε δύο νόμους.

Στοιχεία θερμοδυναμικής του ατμοσφαιρικού αέρα

Καταστατική Εξίσωση P V = n R T ή P = ρ Ra T P: πίεση V : όγκος n: ο αριθμός των moles του αερίου μάζας m και μοριακού βάρους ΜΒ R: η παγκόσμια σταθερά των αερίων ίση προς 8.31 J mol-1 K-1 Rα: η ειδική σταθερά του αερίου = R/MB ρ: η πυκνότητα

Η αντίστοιχη θερμοκρασία

Το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα

Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα Αντιστρεπτή μεταβολή: Ιδεατή διεργασία μεταβολής της κατάστασης ενός συστήματος σε τρόπο ώστε να είναι δυνατή η επαναφορά στην αρχική κατάσταση. Εντροπία (ανά μονάδα μάζας): ds =dq/T , s = ⌠ dq/T όπου η μεταβολή από την αρχική κατάσταση στην τελική είναι αντιστρεπτή. Η εντροπία εξαρτάται μονοσήμαντα από την κατάσταση του συστήματος, για δεδομένη αρχική κατάσταση αναφοράς. Για κάθε απειροστή μεταβολή της κατάστασης του συστήματος, κατά την οποία το σύστημα απορροφά (ή αποδίδει) θερμότητα dq ισχύει ds ≥dq/T Αν η μεταβολή είναι αντιστρεπτή ισχύει το σύμβολο της ισότητας, ενώ διαφορετικά ισχύει το σύμβολο της ανισότητας.

Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα Ως συνέπεια των φυσικών διεργασιών, η εντροπία του σύμπαντος (ή ενός θερμικά απομονωμένου συστήματος) αυξάνεται με το χρόνο. Ως συνέπεια των φυσικών διεργασιών, η αταξία του σύμπαντος (ή ενός θερμικά απομονωμένου συστήματος) αυξάνεται με το χρόνο. Ως συνέπεια των φυσικών διεργασιών, η ενέργεια γίνεται όλο και λιγότερο διαθέσιμη για παραγωγή έργου (αρχή της υποβάθμισης της ενέργειας). Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί συσκευή η οποία, λειτουργώντας με κυκλικό τρόπο, θα έχει μοναδικό αποτέλεσμα τη μεταβίβαση θερμότητας από ένα ψυχρότερο σε ένα θερμότερο σώμα (διατύπωση Clausius).

Δυνητική Θερμοκρασία Δυνητική θερμοκρασία είναι η θερμοκρασία Θ που αποκτά ο ξηρός αέρας όταν μεταφερθεί αδιαβατικά στην πίεση των 1000 mbar. Αποδεικνύεται ότι :