Понять небо
Шрифт:
Нетрудно представить, что если мы увеличиваем энергию газа, его температура поднимается, молекулы двигаются более энергично, словно хотят расшириться, то есть большее количество соударений между собой и твердыми телами. Также мы можем заметить, что если часть газа расширить, то будет несколько прохладней, потому что меньшее количество молекул в том же объёме, а значит меньшее количество соударений друг с другом и с граничащими твёрдыми телами. Напротив, если мы сожмем газ, то температура повысится (рис. 2).
Понимание этого очень важно для пилотов, совершающих парящие полёты.
Рис. 2. Состояние
ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА
Мы все ежедневно находимся под некоторым давлением — атмосферным. Фактически на уровне моря каждый испытывает давление 1,03 кг/см, что составляет около 200 тонн на человека средних размеров. Конечно, воздействие воздуха одинаково со всех сторон, поэтому мы не замечаем давления, если оно не меняется очень быстро.
Мы можем думать о давлении как просто о мере веса воздуха на нас. Этот вес возникает от действия гравитационных сил притяжения, действующих на воздушные массы. На уровне моря кубический метр воздуха весит примерно 1,22 кг, а это значит, что в комнате средних размеров (6 м х 3 м) воздуха около 55 кг. Учитывая как высоко распространяется атмосфера, можно объяснить величину давления на дне этого воздушного океана. Тогда становится понятно влияние высоты на давление. Чем больше высота, тем меньше давление и наоборот. Мы также знаем, что результатом большего давления есть большая плотность воздуха.
Измеряется давление барометром, который представляет собой герметически закрытую полость с низким давлением внутри. Когда атмосферное давление увеличивается, мембрана прогибается внутрь и если уменьшается — наружу. Мембрана связана с указателем (рис. 3).
… "скан" без рисунка…
Рис. 3. Барометры
Другой тип барометра использует трубку, один конец которой погружен в сосуд с ртутью, а другой герметично закрыт. В трубке низкое давление. Ртуть двигается вверх и вниз по трубке и показывает изменение давления. В англоговорящих странах атмосферное давление указывается в дюймах ртутного столба, милибарах. На картах погоды в гектопаскалях (гекто-паскаль — единица измерения атмосферного давления, выраженная в единицах силы — динах; 1 гПа = 1000 дин/см2; 1 гПа = 1 мб; 1 гПа = 0,75 мм рт. ст.).
Высотомеры, используемые пилотами, не что иное, как очень чувствительные барометры. Они чувствуют увеличение давления, когда мы снижаемся и уменьшение при подъеме. Некоторые высотомеры, используемые спортсменами-пилотами, настолько чувствительны, что показывают изменение давления всего 0,03 гПа.
Теперь отметим некоторые очень важные выводы. Когда воздух поднимается, то давление его уменьшается, воздух расширяется, остывает, плотность его уменьшается. И наоборот, снижаясь, увеличивается давление, плотность и температура (рис. 4).
Рис. 4. Расширение и сжатие воздуха
ТЕМПЕРАТУРА
Нельзя однозначно сказать, что более холодный воздух имеет меньшую плотность, а более теплый большую. Однако однозначно, что при расширении или сжатии температура воздуха изменяется. Процесс, когда изменяется температура воздуха при расширении или сжатии без отдачи или поглощения тепла извне называется адиабатическим. С увеличением температуры возникают восходящие воздушные потоки. В следующих главах мы рассмотрим причины их возникновения и принципы использования.
Возле земной поверхности, на освещенных солнцем участках, воздух нагревается. Это не адиабатический процесс, так как тепло поступает извне. Солнечный прогрев — это генератор движения в атмосфере, потому что нагретый воздух, имея меньшую плотность, поднимается от поверхности, а более холодный опускается к поверхности из-за большей плотности. В основном, воздух перетекает из областей более низкой температуры в области с более высокой.
Солнечная радиация не нагревает воздух сама по себе, а нагревает землю, которая передает тепло нижним слоям воздуха. Мы измеряем этот прогрев термометром в единицах Цельсия (С) или Фаренгейта (F). Вода замерзает при 0 °C или 32°F и закипает при 100 °C или 212°F. Формула перевода: 9/5С + 32 = F.
По стандарту температура замеряется термометром, расположенным в хорошо вентилируемом белом боксе на расстоянии 1,5 -2м от поверхности с короткой травой.
СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО
Большая часть солнечной радиации проходит сквозь воздух. Это тепло нагревает непосредственно воздух только на 0,2–0,5 °C за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много солнечной радиации поглощается или отражается назад от облаков. Количество отраженных лучей зависит от облачности в данный день. Только около 43 % солнечных лучей доходит до земли, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Солнечное тепло
Судьба их зависит от того, на что они попадут на земной поверхности. Склоны, ориентированные на юг, поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность и, особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности поглощают больше тепла, чем плоские или выпуклые.
Деревья и трава отражают зеленый свет, в то время, как песок около 20 % достигающей его радиации. Снег и лед отражают от 40 % до 90 %, а темные поверхности, такие как асфальтовые площадки или вспаханные поля — только 10–15 %.
Вся радиация, которая поглощается поверхностью, включается в процесс нагрева. Некоторое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы, когда тепло распространяется в ней путем переноса или поднятия вверх нагреваемых землей слоев воздуха. Часть тепла идет на нагрев воды, которая позже отдает его в атмосферу, как водяные пары, конденсирующиеся в облака.
Поверхность земли влияет на то, как тепло поглощается и отдается в воздух. Например, нагретый песок легко отдает тепло, в то время, как вода прогревается глубоко и не отдает тепло, пока температура не поднимется до определен ной величины. В основном, воздух нагревается от более прогретой поверхности земли.