الفلك

جزيئات الهواء لكل قدم مكعب على ارتفاع معين فوق السطح

جزيئات الهواء لكل قدم مكعب على ارتفاع معين فوق السطح



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تصبح الغلاف الجوي للأرض والأجرام السماوية الأخرى أرق كلما ارتفعت. تخيل أنك تمكنت من رؤية الذرات / الجزيئات. في أي ارتفاع فوق سطح الأرض والمريخ سترى جزيئات قليلة كافية لكل قدم مكعب حتى تتمكن من عدها؟ إذا كنت ، على سبيل المثال ، على ارتفاع 500 ميل (805 كيلومترات) فوق سطح الأرض ، فكم عدد جزيئات الهواء لكل قدم مكعب (30 سم مكعب) سترى؟

أو ، يمكن للمرء أن يسأل بالعكس: في أي ارتفاع فوق الأرض سترى ، على سبيل المثال ، 100 جزيء هواء لكل قدم؟ أي غاز لا يهم ، أطلب جميع جزيئات الغلاف الجوي داخل الحجم المحدد. وبما أن الفضاء بين الكواكب ليس فراغًا مثاليًا ، فكيف سيبدو هناك ، على سبيل المثال في منتصف الطريق بين مدار الأرض والمريخ؟


تعتمد أنواع الجزيئات / الذرات وكثافة تلك الجزيئات / الذرات كدالة للارتفاع في الغلاف الجوي العلوي للأرض إلى حد كبير على الوقت من اليوم ونشاط الشمس.

الوقت من اليوم: الغلاف الجوي العلوي للأرض به انتفاخ نهاري ملحوظ. يمكن أن يختلف اختلاف الكثافة عند ارتفاع ثابت حسب ترتيب الحجم (عامل عشرة) فقط بسبب الاختلاف بين الليل والنهار.

النشاط الشمسي: واحد لوطي من الشمس يمكن أن يجعل الغلاف الجوي العلوي للأرض ينتفخ ليس فقط بترتيب واحد من حيث الحجم كما يتضح من الانتفاخ النهاري ولكن بأعداد متعددة من حيث الحجم. تحتاج الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض إلى استخدام قدر كبير من الوقود الدافع عندما يكون نشاط الشمس مرتفعًا مقارنةً بالوقت الحالي عندما تكون الشمس هادئة نوعًا ما.


للإجابة على سؤالك ، لا توجد إجابة واحدة على سؤالك. هذا جزء من السبب (ربما السبب الرئيسي) الذي يجعل التنبؤ بموعد دخول قمر صناعي في مدار متدهور أمرًا غير دقيق. هناك نماذج متعددة من الغلاف الجوي العلوي للأرض تختلف من بسيط إلى حد ما إلى معقد بشكل يبعث على السخرية.


على الجانب البسيط ، أفضل استخدام مقياس الطيف الكتلي لمختبر الأبحاث البحرية الأمريكية ونموذج الغلاف الجوي المبعثر غير المتماسك ، أو NRLMSISE-00 للاختصار. يحتاج المرء إلى توفير خطوط الطول والعرض والتاريخ والوقت من اليوم وثلاثة معلمات تشير إلى النشاط الشمسي الأخير والحالي. وهذا من ناحية بسيطة.


الذرات صغيرة. لقد لوحظ أن هناك جزيئات من الماء في ملعقة صغيرة أكثر من عدد ملاعق صغيرة من الماء في جميع محيطات الأرض.

في الواقع ، الذرات صغيرة جدًا لدرجة أنه حتى عند الكثافة المنخفضة جدًا للفضاء بين الكواكب ، فإن عدد الذرات لا يصل أبدًا إلى مستويات منخفضة بحيث يمكن عدها. تقول ويكيبيديا أن الوسط بين الكواكب يحتوي على حوالي 5 جسيمات لكل سنتيمتر مكعب ، أو 150000 جسيم لكل قدم مكعب (ولكنها متغيرة تمامًا في كل من الزمان والمكان). حتى في الفراغات بين المجرات ، من المحتمل أن تكون أكثر من 1000 ذرة لكل قدم مكعب.

في المدار الأرضي المنخفض ، قد تكون كثافة الهواء 10 دولارات ^ {- 15} كجم ، م ^ {- 3} دولار، وهي بلايين الذرات لكل قدم مكعب. (لكنها شديدة التباين ، استجابة للنشاط الشمسي.)


جزيئات الهواء لكل قدم مكعب على ارتفاع معين فوق السطح - علم الفلك

يتكون الغلاف الجوي للأرض من الهواء. الهواء عبارة عن مزيج من الغازات و 78٪ نيتروجين و 21٪ أكسجين مع آثار بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأرجون ومكونات أخرى مختلفة. عادة ما نقوم بنمذجة الهواء على أنه غاز موحد (بدون تغيير أو تذبذب) بخصائص يتم حساب متوسطها من جميع المكونات الفردية. أي غاز له خصائص معينة يمكننا اكتشافها بواسطة حواسنا. تحدد قيم وعلاقات الخصائص حالة الغاز.

ستجد في هذه الشريحة القيم النموذجية لخصائص الهواء في الظروف الثابتة لمستوى سطح البحر ليوم قياسي. ندرك جميعًا أن ضغط الهواء ودرجة حرارته يعتمدان على موقعك على الأرض وموسم العام. وبينما يكون الجو أكثر سخونة في بعض المواسم من غيره ، يتغير الضغط ودرجة الحرارة يومًا بعد يوم ، من ساعة إلى ساعة ، وأحيانًا حتى دقيقة إلى دقيقة أثناء الطقس القاسي. القيم المعروضة على الشريحة هي مجرد قيم متوسطة يستخدمها المهندسون لتصميم الآلات. لهذا السبب يطلق عليهم القيم القياسية. نعلم أيضًا أن جميع متغيرات حالة الغاز ستتغير مع الارتفاع ، وهذا هو سبب إعطاء القيم النموذجية عند مستوى سطح البحر ، الظروف الثابتة. لأن جاذبية الأرض تبقي الغلاف الجوي على السطح ، مع زيادة الارتفاع ، تنخفض كثافة الهواء والضغط ودرجة الحرارة (للارتفاعات المنخفضة). عند حافة الفضاء ، تكون الكثافة تقريبًا صفرية. يمكن أن يكون اختلاف الهواء عن المعيار مهمًا جدًا لأنه يؤثر على معلمات التدفق مثل سرعة الصوت.

يتكون الغاز من عدد كبير من الجزيئات التي تكون في حركة عشوائية ثابتة. مجموع كتلة كل الجزيئات يساوي كتلة الغاز. يحتل الغاز بعض الحجم في الفضاء ثلاثي الأبعاد. بالنسبة لضغط ودرجة حرارة معينين ، يعتمد الحجم بشكل مباشر على كمية الغاز. نظرًا لأن الكتلة والحجم مرتبطان ارتباطًا مباشرًا ، يمكننا التعبير عن الكتلة والحجم بمتغير واحد. عندما يتحرك الغاز ، من الملائم استخدام كثافة الغاز ، وهي الكتلة مقسومة على الحجم الذي يشغله الغاز. القيمة القياسية لمستوى سطح البحر لكثافة الهواء ص هو

r = 1.229 كيلوجرام / متر مكعب = .00237 سبيكة / قدم مكعب

عند العمل بغاز ثابت أو غير متحرك ، يكون من الأنسب استخدام حجم معين ، وهو الحجم مقسومًا على الكتلة. القيمة القياسية لمستوى سطح البحر لحجم معين الخامس هو

ع = .814 متر مكعب / كيلوغرام = 422 قدم مكعب / سبيكة

ضغط الغاز يساوي القوة العمودية التي يبذلها الغاز مقسومة على مساحة السطح التي تمارس عليها القوة. القيمة القياسية لمستوى سطح البحر لضغط الهواء ص هو

ع = 101.3 كيلو نيوتن / متر مربع = 14.7 جنيه / بوصة مربعة

درجة حرارة الغاز هي مقياس للطاقة الحركية لجزيئات الغاز. القيمة القياسية لدرجة حرارة الهواء عند مستوى سطح البحر تي هو

T = 15 درجة مئوية = 59 درجة فهرنهايت

يمكن أن يمارس الغاز قوة عرضية (قص) على سطح ما ، والتي تعمل مثل الاحتكاك بين الأسطح الصلبة. هذه الخاصية "اللاصقة" للغاز تسمى اللزوجة وتلعب دورًا كبيرًا في السحب الديناميكي الهوائي. القيمة القياسية لمستوى سطح البحر من اللزوجة الجوية مو هو

mu = 1.73 x 10 ^ -5 نيوتن ثانية / متر مربع = 3.62 x 10 ^ -7 رطل-ثانية / قدم مربع

ترتبط الكثافة (الحجم المحدد) والضغط ودرجة حرارة الغاز ببعضها البعض من خلال معادلة الحالة. يمكن تغيير حالة الغاز من خلال العمليات الخارجية ، ويمكن التنبؤ بتفاعل الغاز باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية. يعد الفهم الأساسي للديناميكا الحرارية مهمًا جدًا في وصف تشغيل أنظمة الدفع.


الارتفاع والارتفاع ومستوى الطيران

أولاً ، دعونا نفرق بين بعض المصطلحات الفنية. اثنان منها سوف تكون قد سمعت بهما ، والآخر قد لا يكون لديك. على الرغم من أن الارتفاع والارتفاع يمكن استبدالهما بسهولة بلغة مشتركة ، إلا أن هناك فرقًا كبيرًا بين الاثنين في عالم الطيران.

يشير الارتفاع إلى المسافة الرأسية لجسم ما فوق الأرض. يبلغ ارتفاع هيكل برج مراقبة الحركة الجوية في مطار هيثرو 285 قدمًا. هذا يعني أن المسافة التي سيسقطها الجسم إذا أسقطته من الأعلى ستكون 285 قدمًا. واضح جدا.

يشير الارتفاع إلى المسافة العمودية لجسم ما فوق مستوى سطح البحر. العامل المهم هنا هو أن هذا يعتمد إلى حد كبير على ضغط الهواء. مع تحرك أنظمة الطقس حول العالم ، يتغير ضغط الهواء فوق مكان معين على الأرض. هذه التغييرات في الضغط تشبه الهواء في مرتبة قابلة للنفخ. تخيل وضع نموذج طائرة فوق مرتبتك وتعامل مع الأرضية على أنها مستوى سطح البحر. عندما تضخ الهواء في المرتبة ، مما يزيد من ضغط الهواء ، ترتفع الطائرة أعلى من مستوى سطح البحر. عندما تترك الهواء يخرج ، مما يقلل الضغط ، تغرق الطائرة بالقرب من البحر.

نتيجة لذلك ، يجب أن يكون الطيارون على دراية بضغط الهواء لموقعهم في العالم. للتأكد من أنها تحلق على الارتفاع الصحيح ، يجب عليهم تحديث مقياس الارتفاع وفقًا لذلك.

إذا كنت تعتقد أنه لا يزال هناك فرق بين الاثنين ، فستغفر لك. نأمل أن يكون الجزء التالي واضحًا.


التخليص الأرضي هو المفتاح

لنفترض أنك & rsquore تحلق فوق البحر على ارتفاع 3000 قدم ارتفاع على ضبط الضغط المحلي. نظرًا لأنك & rsquore فوق البحر ، فهذا يعني أيضًا أن لديك ارتفاع 3000 قدم لذلك هناك مسافة آمنة جميلة بينك وبين الماء. يحب الطيارون الهواء بينهم وبين السطح. ولكن ماذا يحدث عندما تصل إلى الأرض تسقط وتطير باتجاه بعض التلال؟

الطائرة التي تحلق على ارتفاع 3000 قدم ، عندما تحلق فوق الأرض ، قد لا يزيد ارتفاعها عن 1500 قدم. (الصورة مجاملة Mapscaping.com)

بافتراض أن ضغط الهواء يظل كما هو ، فإنك لا تزال تطير على ارتفاع 3000 قدم ارتفاع، ولكن عندما تبدأ الأرض في الارتفاع من تحتك ، فإنك ارتفاع يتناقص الآن. إذا كان لي أن أخبرك أن قمم التلال والجبال تقاس بالارتفاع و [مدش] المسافة العمودية فوق مستوى سطح البحر و [مدش] أنت و rsquoll تفهم سبب فائدة الارتفاع للطيارين أكثر من الارتفاع. عند الطيران بالقرب من الأرض ، يعد خلوص التضاريس أمرًا أساسيًا. إذا عرفنا ارتفاع التضاريس أسفلنا ، فمن خلال التأكد من أن لدينا مجموعة الضغط الصحيحة ، يمكننا التأكد من أننا نحافظ على مسافة آمنة بيننا وبين التضاريس.

بالنظر إلى الرسم البياني أدناه ، تلاحظ أن ضغط الهواء يتغير بانتظام في رحلة من نيويورك إلى سان فرانسيسكو. تغيير هذا باستمرار لمدة خمس ساعات سيكون مملاً. أيضًا ، إذا نسيت إحدى الطائرات تحديث طائرتها ، فقد يحدث فقد في الفصل. نتيجة لذلك ، مرة واحدة فوق ارتفاع معين ، حدد الطيارون إعدادًا قياسيًا للضغط ، 1013 هيكتوباسكال (وحدة قياس الضغط) ويطيروا في مستويات الطيران.

(الصورة مقدمة من web.gccaz.edu)

بالطيران في مستوى الرحلة (FL) ، يمكن للطائرة الطيران لآلاف الأميال دون الحاجة إلى إعادة ضبط إعدادات الضغط. عند التسلق بعيدًا عن أحد المطارات ، ستوجه ATC الطيارين إلى الصعود إلى مستوى طيران معين. خذ الأخيرين 0 & rsquos من الارتفاع ولديك FL و mdash ، أي 23000 قدم يصبح FL230. سيغير الطيارون إعدادات الضغط إلى 1013 حصانًا وتطير الطائرة الآن على مستوى طيران. عند الاقتراب من مطار الوجهة ، سيوجههم ATC لتعيين إعداد الضغط المحلي ، QNH ، ومن ذلك الحين فصاعدًا ، يطيرون على ارتفاعات.


اختبار ATMO 1

شدة وتواتر الاصطدامات بين الجزيئات.

متوسط ​​سرعة الجزيئات.

عدد الجزيئات في المتر المكعب من الهواء.

شدة وتواتر الاصطدامات بين الجزيئات.

يشير إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحقيقية للهواء.

يشير إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحقيقية للهواء.

يقيس درجة الحرارة الدنيا لليوم بدقة ، ولكن ليس درجة الحرارة القصوى لليوم.

درجة الحرارة النظرية التي يتقاطع عندها المقياس المئوي ومقياس فهرنهايت.

نقطة تجمد الهواء.

نقطة تجمد الماء.

2 أجواء من الضغط.

3 أجواء ضغط.

4 أجواء ضغط.

20 ضغط جوي.

التغيير في الضغط هو نفسه خلال كلتا الارتفاعات.

يكون التغيير في الضغط أكبر أثناء التنزه الشتوي.

من الغرب الى الشرق.

من الشرق الى الغرب.

من الشمال الى الجنوب.

أسرع في الاتجاه الأفقي منه في الاتجاه العمودي

أسرع في الاتجاه الرأسي منه في الاتجاه الأفقي

حول نفس المعدل في الاتجاهين الأفقي والرأسي

كثافة الهواء والمسافة بين الرادار وهطول الأمطار.

معدل هطول الأمطار وسرعة الرياح.

تنخفض درجة حرارة وكثافة المطر.

عدد وحجم الهباء الجوي التي تتشكل عليها قطرات المطر.

انبعاث ضوء الشمس المرئي بواسطة قطرات المطر.

انبعاث الأشعة تحت الحمراء بواسطة قطرات المطر.

منطقة من الغلاف الجوي تتساقط فيها الثلوج لأنها شديدة البرودة.

منطقة من الغلاف الجوي تتحرك فيها كتلة هوائية باردة وتحل محل كتلة هوائية دافئة.

كتلة هوائية تتناقص فيها درجة الحرارة مع الارتفاع.

قياس الحرارة المنعكسة من الأرض.

قياس الإشعاع المرئي المنعكس على الأرض.

قياس الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأرض.

قياس الأشعة تحت الحمراء المنعكسة عن الأرض.

ينبعث منها الكثير من الإشعاع المرئي.

تمتص الكثير من الإشعاع المرئي.

يكون بدرجة حرارة أعلى من السحابة الرمادية.

تكون قمة السحابة أكثر برودة وبالتالي فهي أعلى في الغلاف الجوي.

يزيد مع زيادة الارتفاع

يتناقص مع زيادة الارتفاع

يزيد مع تناقص الارتفاع

ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين

في كل مكان آخر ، هناك انعكاس في درجة الحرارة يحمي طبقة الأوزون.

هذه هي المنطقة الوحيدة من الستراتوسفير التي يمكن الوصول إليها عن طريق الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس.

هذه هي المنطقة الوحيدة في الستراتوسفير حيث يكون الجو باردًا بدرجة كافية لتشكيل سحب الستراتوسفير القطبية التي تعزز انهيار الأوزون.

لا يوجد إنتاج بشري للأوزون في أنتاركتيكا.

الستراتوسفير ، الستراتوبوز ، التروبوسفير ، التروبوبوز ، الميزوسفير ، الميزوبوز

التروبوسفير ، التروبوبوز ، الميزوسفير ، الميزوبوز ، الستراتوسفير ، الستراتوبوز

التروبوبوز ، التروبوسفير ، الستراتوسفير ، الستراتوسفير ، الميزوبوز ، الميزوسفير

سحابة من بلورات الجليد الصغيرة جدًا.

سحابة من قطرات الماء السائل.

تنبعث الهباء الجوي فقط من البراكين وحرق الوقود الأحفوري ، في حين لا تنبعث الغازات النزرة.

الغازات النزرة من صنع الإنسان بينما الهباء الجوي يحدث بشكل طبيعي في الغلاف الجوي فقط.

لا تبقى الهباء الجوي محمولة في الهواء لأكثر من بضع ساعات ، في حين أن الغازات النزرة تدوم لآلاف السنين في الغلاف الجوي.


فهم كثافة الهواء وتأثيراتها

بعبارات بسيطة ، الكثافة هي كتلة أي شيء & # 8211 بما في ذلك الهواء & # 8211 مقسومة على الحجم الذي تشغله.

في النظام المتري ، الذي يستخدمه العلماء ، عادة ما نقيس الكثافة من حيث الكيلوجرامات لكل متر مكعب.

تعتمد كثافة الهواء و # 8217 على درجة حرارته وضغطه وكمية بخار الماء في الهواء. سوف نتحدث عن الهواء الجاف أولاً ، مما يعني أننا & # 8217 سنهتم فقط بدرجة الحرارة والضغط.

بالإضافة إلى المناقشة الأساسية لكثافة الهواء ، سنصف أيضًا تأثيرات كثافة الهواء المنخفضة - مثل الناتجة عن الذهاب إلى ارتفاعات عالية - على البشر ، وكيف تؤثر الرطوبة على كثافة الهواء - قد تتفاجأ - وتأثيرات كثافة الهواء للطائرات وكرات القاعدة وحتى سيارات السباق.

جزيئات النيتروجين والأكسجين والغازات الأخرى التي يتكون منها الهواء تتحرك بسرعة لا تصدق وتتصادم مع بعضها البعض ومع كل الأشياء الأخرى. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت سرعة حركة الجزيئات. مع تسخين الهواء ، تتسارع الجزيئات ، مما يعني أنها تضغط بقوة أكبر ضد محيطها.

إذا كان الهواء في بالون ، فإن تسخينه سيؤدي إلى تمدد البالون ، وسيؤدي تبريده إلى تقلص البالون مع تباطؤ الجزيئات. إذا كان الهواء الساخن محاطًا بالهواء فقط ، فسوف يدفع الهواء المحيط جانبًا. نتيجة لذلك ، تقل كمية الهواء في صندوق & # 8220box & # 8221 معين عندما يتم تسخين الهواء إذا كان الهواء حراً في الهروب من الصندوق. في الجو الحر ، تقل كثافة الهواء مع تسخين الهواء.

الضغط له تأثير معاكس على كثافة الهواء.

زيادة الضغط يزيد الكثافة. فكر فيما يحدث عندما تضغط على مقبض مضخة الدراجة. الهواء مضغوط. تزداد الكثافة مع زيادة الضغط.

يمكن لأنظمة الارتفاع والطقس تغيير ضغط الهواء و # 8217. مع تقدمك في الارتفاع ، ينخفض ​​ضغط الهواء & # 8217 من حوالي 1000 مليبار عند مستوى سطح البحر إلى 500 مليبار عند حوالي 18000 قدم. على ارتفاع 100000 قدم فوق مستوى سطح البحر ، يكون ضغط الهواء # 8217 حوالي 10 مليبار فقط. تؤثر أنظمة الطقس التي تؤدي إلى ارتفاع ضغط الهواء أو انخفاضه أيضًا على كثافة الهواء ، ولكن ليس بقدر الارتفاع.

نرى أن كثافة الهواء & # 8217s تكون في أدنى مستوياتها عند ارتفاع مرتفع في يوم حار عندما يكون الضغط الجوي منخفضًا ، على سبيل المثال في دنفر عندما تتحرك العاصفة في يوم حار. تكون كثافة الهواء & # 8217s هي الأعلى في الارتفاعات المنخفضة عندما يكون الضغط مرتفعًا وتكون درجة الحرارة منخفضة ، كما هو الحال في يوم مشمس ولكنه شديد البرودة ، شتاء & # 8217s في ألاسكا. (ذات صلة: فهم ضغط الهواء)

تأثيرات الكثافة المنخفضة على البشر

إذا ارتفعت بدرجة كافية ، إما عن طريق تسلق جبل أو الصعود في طائرة لا تحتوي على كابينة مضغوطة ، فسوف تبدأ في الشعور بتأثيرات ضغط الهواء وكثافته المنخفضة.

مع انخفاض ضغط الهواء ، يستمر الأكسجين في تشكيل حوالي 21 ٪ من الغازات في الهواء كما هو الحال عند مستوى سطح البحر. ولكن ، هناك كمية أقل من الأكسجين لأن هناك كمية أقل من كل غازات الهواء. على سبيل المثال ، عندما تصل إلى 12000 قدم يكون ضغط الهواء # 8217 أقل بحوالي 40٪ من مستوى سطح البحر. هذا يعني أنك تحصل مع كل نفس على نسبة أكسجين أقل بنسبة 40٪ مقارنةً بالارتفاع الأدنى.

لم تكن هذه التأثيرات محسوسة في الطائرات لأن الكبائن مضغوطة للحفاظ على كثافة الهواء في الداخل تقريبًا كما لو كانت على ارتفاع 6000 أو 7000 قدم فوق مستوى سطح البحر.

تحتوي الروابط أدناه على مزيد من المعلومات حول تأثيرات انخفاض كثافة الهواء:

برينستون يو: ارتفاع عال: التأقلم والأمراض
WebMD: داء المرتفعات
دليل طب المرتفعات
الرطوبة وكثافة الهواء

يجد معظم الأشخاص الذين لم يدرسوا الفيزياء أو الكيمياء صعوبة في تصديق أن الهواء الرطب أخف أو أقل كثافة من الهواء الجاف. كيف يصبح الهواء أخف إذا أضفنا إليه بخار الماء؟

لقد عرف العلماء هذا لفترة طويلة. الأول كان إسحاق نيوتن ، الذي ذكر أن الهواء الرطب أقل كثافة من الهواء الجاف في عام 1717 في كتابه البصريات. لكن العلماء الآخرين لم يفهموا هذا بشكل عام حتى وقت لاحق من ذلك القرن.

لمعرفة سبب كون الهواء الرطب أقل كثافة من الهواء الجاف ، نحتاج إلى اللجوء إلى أحد قوانين الطبيعة التي اكتشفها الفيزيائي الإيطالي أماديو أفوجادرو في أوائل القرن التاسع عشر. بعبارات بسيطة ، وجد أن حجمًا ثابتًا من الغاز ، لنقل متر مكعب واحد ، بنفس درجة الحرارة والضغط ، سيكون له دائمًا نفس عدد الجزيئات بغض النظر عن الغاز الموجود في الحاوية. تشرح معظم كتب الكيمياء المبتدئة كيف يعمل هذا.

تخيل قدمًا مكعبة من الهواء الجاف تمامًا. يحتوي على حوالي 78٪ جزيء نيتروجين ، كل منها له وزن جزيئي 28 (ذرتان بوزن ذري 14). 21٪ أخرى من الهواء عبارة عن أكسجين ، مع كل جزيء له وزن جزيئي 32 (2 ذرات بوزن ذري 16). النسبة المئوية الأخيرة عبارة عن مزيج من الغازات الأخرى ، الأمر الذي لم نقلق بشأنه.

الجزيئات حرة في التحرك داخل وخارج قدمنا ​​المكعبة من الهواء. ما اكتشفه أفوجادرو يقودنا إلى استنتاج أنه إذا أضفنا جزيئات بخار الماء إلى قدمنا ​​المكعبة من الهواء ، فإن بعض جزيئات النيتروجين والأكسجين ستترك - تذكر أن العدد الإجمالي للجزيئات في قدمنا ​​المكعبة من الهواء يبقى كما هو.

جزيئات الماء ، التي تحل محل النيتروجين أو الأكسجين ، لها وزن جزيئي 18 (ذرة أكسجين بوزن ذري 16 ، وذرتان هدروجين بوزن ذري لكل منهما). هذا أخف من كل من النيتروجين والأكسجين. بمعنى آخر ، يؤدي استبدال النيتروجين والأكسجين ببخار الماء إلى تقليل وزن الهواء في القدم المكعبة ، أي تقل كثافته.

انتظر دقيقة ، قد تقول ، & # 8220 أعرف أن الماء أثقل من الهواء. & # 8221 صحيح أن الماء السائل أثقل أو أكثر كثافة من الهواء. لكن الماء الذي يجعل الهواء رطبًا ليس سائلاً. إنه بخار الماء وهو غاز أخف من النيتروجين أو الأكسجين. (ذات صلة: فهم الماء في الغلاف الجوي).

مقارنة بالاختلافات الناتجة عن درجة الحرارة وضغط الهواء ، فإن الرطوبة لها تأثير ضئيل على كثافة الهواء و # 8217. لكن الهواء الرطب أخف من الهواء الجاف عند نفس درجة الحرارة والضغط.

تأثيرات كثافة الهواء على الطائرات والكرات القاعدية وسيارات السباق

كثافته ، أو & # 8220 أثقل & # 8221 الهواء سوف يبطئ حركة الأجسام أكثر لأن الجسم يجب ، في الواقع ، أن يدفع جانبًا جزيئات أكثر أو أثقل.

تسمى مقاومة الهواء هذه & # 8220drag ، & # 8221 والتي تزداد مع كثافة الهواء. اكتشف لاعبو البيسبول أن الركض في المنزل يسافر لمسافة أبعد في الهواء الأقل كثافة في دنفر على ارتفاعات عالية مقارنة بملاعب الكرة في المرتفعات المنخفضة. يؤدي انخفاض السحب إلى إبطاء الكرة بمعدل أبطأ ، مما يعني أنها تنتقل لمسافة أبعد. (ذات صلة: لماذا تطير كرات البيسبول بعيدًا على ارتفاعات عالية).

يعمل الهواء البارد الكثيف على إبطاء سيارة السباق ، لكن بعض سيارات السباق تكسب من الهواء الكثيف. السيارات المصممة من العجلات إلى أعلى للسباق تشبه حقًا أجنحة الطائرات المقلوبة التي يدفعها الهواء لأسفل على المسار ، مما يزيد من قبضتها على المنحنيات. يدفع الهواء الأكثر كثافة ثم إلى الأسفل بقوة أكبر. (ذات صلة: المتسابقون الآليون & # 8217 المعادلات الفائزة تشمل الطقس)

لا يقوم طيارو الطائرات بعمل جيد مثل لاعبي البيسبول عندما تنخفض كثافة الهواء. تُعاقب كثافة الهواء المنخفضة الطيارين بثلاث طرق: قوة الرفع على الطائرة وأجنحة # 8217 أو المروحية و # 8217 تقلص الدوار ، وتقل الطاقة التي ينتجها المحرك ، وتقل قوة الدفع للمروحة أو الدوار أو المحرك النفاث. وتعوض خسائر الأداء هذه بشكل أكبر عن السحب المنخفض على الطائرة في هواء أقل كثافة.

يستخدم الطيارون المخططات أو الآلات الحاسبة لمعرفة كيف ستؤثر درجة الحرارة وضغط الهواء في وقت ومكان معينين على كثافة الهواء وبالتالي على أداء الطائرة. بشكل عام ، لا تأخذ هذه الحسابات & # 8217t الرطوبة في الاعتبار لأن تأثيرها أقل بكثير من الآخرين. عندما تكون كثافة الهواء & # 8217s منخفضة ، تحتاج الطائرات إلى مدارج أطول للإقلاع والهبوط ولا تتسلق بالسرعة نفسها عندما تكون كثافة الهواء & # 8217s عالية.

تؤثر كثافة الهواء أيضًا على أداء السيارات ، حيث تؤدي الكثافة المنخفضة إلى تقليل الأداء بنفس الطريقة التي تقلل من أداء محركات الطائرات.

الشواحن التوربينية أو الشاحن الفائق هي طرق لزيادة كثافة الهواء الداخل إلى المحرك. تمنح السيارات مزيدًا من القوة على الأرض وتسمح للطائرات بالتحليق أعلى في هواء أرق مما يمكن أن تفعله بخلاف ذلك.

يستخدم الطيارون & # 8220density height & # 8221 لربط كثافة الهواء بأداء الطائرات. لمزيد من المعلومات حول ارتفاع الكثافة ، يمكنك قراءة مقال كتبته لجمعية مالكي الطائرات والطيارين & # 8217s تدريب الطيران


القسم 2.3 - الضغط

يمتد الغلاف الجوي لأعلى لمئات الأميال. إن سحب جاذبية الأرض على جزيئات الهواء (انظر الشكل 2-3 أ) يخلق ضغطًا يدفع في جميع الاتجاهات ويبلغ حوالي 14.7 رطل لكل بوصة مربعة (psi) عند مستوى سطح البحر. هذا هو ضغط الهواء في يوم قياسي عند مستوى سطح البحر. سيدعم هذا الضغط 29.92 بوصة من الزئبق في مقياس الضغط ، وهو الأداة التي توفر الضغط الجوي المحلي الذي تسمعه في نشرات الطقس التلفزيونية اليومية.

كما تعلم ، تحدث تغيرات الضغط على سطح الأرض عندما تتشكل الخلايا ذات الضغط المرتفع والمنخفض وتتحرك عبر السطح. ومع ذلك ، فإن التغيرات في الضغط الجوي تحدث للطيارين ليس فقط أثناء طيرانهم أو خروجهم من الخلايا ذات الضغط المرتفع والمنخفض ولكن أيضًا أثناء صعودهم أو هبوطهم في طائراتهم. وذلك لأن الضغط الجوي يتغير مع الارتفاع (ارتفاع أعلى - ضغط أقل ، ارتفاع أقل - ضغط أكبر).

دعونا نفكر في الغلاف الجوي الكلي للأرض. نجد أنه يمتد من السطح إلى الخارج إلى ما نسميه الفضاء. بينما نسافر للخارج (لأعلى) يكون الضغط أقل بسبب وجود عدد أقل من جزيئات الهواء فوقنا. عند ارتفاع 18000 قدم يكون الضغط حوالي نصف الضغط على السطح. إذا واصلنا السفر إلى الخارج ، فسيستمر الضغط في الانخفاض حتى لا يكون هناك ضغط يمكن قياسه ، ولجميع الأغراض العملية ، فإننا في الفضاء. قلة من الطيارين يهتمون بالارتفاعات العالية وما ينتج عنها من ضغوط منخفضة للغاية ، لأن أقصى ارتفاع تشغيل (سقف) لمعظم الطائرات الجوية الصغيرة هو 20000 قدم أو أقل. حتى على ارتفاع منخفض نسبيًا يبلغ 12500 قدم ، يُطلب من الطيارين بموجب اللوائح تنفس الأكسجين الإضافي.

تتفاعل عوامل الوزن والكثافة ودرجة الحرارة والضغط في الغلاف الجوي ولا يتغير أحدها دون التأثير على الآخرين. ومع ذلك ، فإن تغير درجة الحرارة هو السبب الرئيسي لتغير الضغط الجوي والكثافة. دعونا نلقي نظرة على كيفية تسبب درجة الحرارة في حدوث هذه التغييرات. للقيام بذلك ، يجب أن نستخدم نقطة البداية وتعرف نقطة البداية المقبولة باسم الغلاف الجوي القياسي. يعتمد الغلاف الجوي القياسي على متوسط ​​الظروف عند خط عرض 40 درجة شمالًا حيث يبلغ متوسط ​​الضغط 29.92 بوصة من الزئبق ومتوسط ​​درجة الحرارة 59 درجة فهرنهايت (F) أو 15 درجة مئوية (C).

في ظل الظروف القياسية ، تنخفض درجة الحرارة بحوالي 2 درجة مئوية أو 3.5 درجة فهرنهايت لكل زيادة قدرها 1000 قدم في الارتفاع. الاختلافات في هذا المعيار شائعة ولا يتم العثور على الانخفاض القياسي دائمًا. على سبيل المثال ، ما يسمى بانقلاب درجة الحرارة قد يتسبب في الواقع في زيادة درجة الحرارة بدلاً من انخفاضها في بعض المواقع.

تتغير درجة الحرارة أيضًا أفقيًا وعموديًا في الغلاف الجوي (انظر الشكل 2-2 ب). يعتمد مقدار تغيره في أي اتجاه جزئيًا على مدى تعرض مساحة سطح الأرض للشمس ، مصدرنا الأساسي للحرارة. تخترق أشعة الشمس الغلاف الجوي وتسخن سطح الأرض ، مما يؤدي بدوره إلى تسخين الغلاف الجوي المجاور له. تعتمد درجة حرارة الغلاف الجوي على كمية الحرارة الممتصة أو المنعكسة من سطح الأرض. تختلف أسطح الرمل والماء والغابات في مقدار الحرارة التي تمتصها وتعكسها ، لذلك سيتم تسخين الهواء فوقها بشكل مختلف.

الضغط: احادي. قوة الحركة لكل منطقة وحدة.

علاقة درجة الحرارة بالكثافة والضغط يمكن أن يكون مربكًا (انظر الشكل 2-3 ب). إذا تم تسخين قدم مكعبة من الهواء على سطح الأرض ، فسيتمدد الهواء ويرتفع في الغلاف الجوي. قد تحتل هذه القدم المكعبة من الهواء قدمين مكعّبين. سوف ينخفض ​​ضغطها وكثافتها. عندما يرتفع الهواء ويتمدد ، تنتشر الحرارة التي يحتويها على مساحة أكبر ، وتنخفض درجة حرارته مع الارتفاع. أيضًا ، مع ارتفاع الهواء ، يتلقى قدرًا أقل من الحرارة الإضافية من سطح الأرض.


مواضيع ذات صلة

  • ميكانيكا الموائع - دراسة السوائل - السوائل والغازات. يتضمن السرعة والضغط والكثافة ودرجة الحرارة كوظائف للمكان والزمان
  • خصائص المواد - خواص المواد للغازات والسوائل والمواد الصلبة - الكثافات والحرارة النوعية واللزوجة وغير ذلك
  • كثافة - كثافة المواد الصلبة والسوائل والغازات المختلفة. التعاريف وحاسبات التحويل.
  • قياس ضغط الهواء - دراسة الهواء الرطب والرطب - مخططات القياس النفسي ، مخططات مولييه ، درجات حرارة التكييف والرطوبة المطلقة والنسبية ومحتوى الرطوبة
  • الغازات والهواء المضغوط - الهواء ، والغاز الطبيعي المسال ، وغاز البترول المسال ، وخصائص الغاز الشائعة الأخرى ، وقدرات خطوط الأنابيب ، وحجم صمامات التنفيس

أنا أستطيع القراءة

الضوء هو نوع من الطاقة التي يمكن أن تنتقل عبر الفضاء.

يبدو الضوء المنبعث من الشمس أو المصباح أبيض اللون ، لكنه في الحقيقة مزيج من عدة ألوان. الألوان في الضوء الأبيض هي الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي. يمكنك رؤية هذه الألوان عندما تنظر إلى قوس قزح في السماء.

السماء مليئة بالهواء. الهواء عبارة عن مزيج من جزيئات الغاز الصغيرة وقطع صغيرة من المواد الصلبة ، مثل الغبار.

عندما يمر ضوء الشمس عبر الهواء ، فإنه يصطدم بالجزيئات والغبار. عندما يصطدم الضوء بجزيء غاز ، قد يرتد في اتجاه مختلف.

تمر بعض ألوان الضوء ، مثل الأحمر والبرتقالي ، مباشرة في الهواء. لكن معظم الضوء الأزرق يرتد في جميع الاتجاهات. بهذه الطريقة ، ينتشر الضوء الأزرق في جميع أنحاء السماء.

عندما تنظر لأعلى ، يصل بعض هذا الضوء الأزرق إلى عينيك من جميع أنحاء السماء. نظرًا لأنك ترى ضوءًا أزرق من كل مكان في السماء ، فإن السماء تبدو زرقاء.

في الفضاء ، لا يوجد هواء. لأنه لا يوجد شيء للضوء للارتداد ، فإنه يسير في خط مستقيم. لا يتشتت أي ضوء ، وتبدو "السماء" مظلمة وسوداء.


جزيئات الهواء لكل قدم مكعب على ارتفاع معين فوق السطح - علم الفلك

(1) هل الهواء له كتلة؟ كيف علمت بذلك؟ هل الهواء له وزن؟ كيف علمت بذلك؟

[الكتلة هي مقياس لكمية "الأشياء" في كائن أو مادة. تتكون المادة من ذرات وجزيئات (أو أجزاء منها) لها كتلة. لذلك فإن الهواء ، الذي يتكون من خليط من عدة أنواع مختلفة من الجزيئات ، له بالتأكيد كتلة.

الوزن هو ببساطة القوة التي تمارس على جسم أو مادة عن طريق الجاذبية. أي شيء على الأرض له كتلة له وزن & # 8212 ، أي أن الجاذبية تسحب أي شيء له كتلة & # 8212 لذا فإن الهواء له وزن بالتأكيد.]

(2) لماذا لا يسقط الهواء ببساطة على الأرض عند سحبه بالجاذبية؟

[في حالة عدم وجود أي قوى أخرى تعمل على الهواء ، فإن الجزيئات المكونة للهواء ستسقط بالتأكيد على الأرض تحت تأثير الجاذبية. نظرًا لأن الهواء لا يتصرف بهذه الطريقة ، فإنه يترتب على ذلك أن قوة أخرى يجب أن تندفع لأعلى في الهواء بنفس قوة الجاذبية التي تسحبها لأسفل تقريبًا. (من المؤكد أن الهواء يرتفع ويغرق في الغلاف الجوي ، لذلك لا يمكن للقوتين دائمًا أن تتوازن تمامًا ، لكنهما يقتربان في معظم المواقف).

القوة الوحيدة التي يمكن أن تعمل على موازنة قوة الجاذبية هي القوة التي يمارسها الضغط (والذي هو في حد ذاته القوة الجماعية لكل وحدة مساحة التي تمارسها جزيئات الهواء في حركة عشوائية ، وتصطدم بمحيطها المباشر).]

(3) في عمود وهمي من الهواء يمتد من سطح الأرض إلى "قمة" الغلاف الجوي ويغطي وحدة من مساحة السطح في قاعه ، ما هي العلاقة التقريبية بين الضغط عند أي مستوى معين في العمود وبين الإجمالي؟ الوزن (لكل وحدة مساحة) من الهواء في العمود فوق هذا المستوى؟ ماذا تعني هذه العلاقة بخصوص تغير الضغط مع الارتفاع في الغلاف الجوي؟ لماذا ا؟

[يجب أن يكون الضغط عند أي مستوى معين في العمود مساويًا تقريبًا للوزن الإجمالي (لكل وحدة مساحة) للهواء في العمود فوق هذا المستوى. إذا لم يكن هذا صحيحًا تقريبًا ، فإن الجاذبية ستجذب الهواء إلى السطح أو أن قوة الضغط ستدفع الهواء إلى الفضاء الخارجي.

إنها نقطة تافهة تقريبًا أنه كلما كنت في عمود وهمي من الهواء في الغلاف الجوي أعلى ، قلت كمية الهواء الإجمالية الموجودة في العمود الموجود فوقك. (هذا مستقل عن كثافة الهواء & # 8212 سيكون صحيحًا حتى لو زادت كثافة الهواء مع الارتفاع!) ومن ثم فإنه يترتب على ذلك أنه كلما زاد ارتفاعك ، كلما قل الضغط ضروريًا لموازنة الوزن الإجمالي للهواء فوقك تقريبًا. وبالتالي ، مع زيادة الارتفاع ، ينخفض ​​الضغط ، كما نلاحظ في الواقع.]

(4) هل الغلاف الجوي له "قمة"؟ ما هو عمق الغلاف الجوي؟ كيف تقرر كيف تجيب على مثل هذا السؤال؟

[سيكون من الصعب جدًا تحديد "قمة" واضحة للغلاف الجوي. تقترح الفكرة مستوى لا توجد فوقه جزيئات هواء ، ولكن بغض النظر عن المكان الذي نحاول فيه تحديد مثل هذا المستوى ، فإن الحركات العشوائية لجزيئات الهواء ستؤدي بشكل شبه مؤكد إلى انزلاق جزيء واحد أو جزيئات في النهاية متجاوزة "القمة" المفترضة. على الرغم من وجود كمية محدودة من الهواء في الغلاف الجوي ، إلا أن الهواء يقل بشكل تدريجي وأقل كثافة كلما صعدنا إلى أعلى ، بينما لم يصل مطلقًا إلى كثافة الصفر.

For various practical purposes, it might be good enough to say that the "top" is the level below which a certain percentage of air lies, say 99%, 90%, 80%, or whatever seems sufficient to the purpose at hand. (The tropopause or the stratopause might be handy levels to use for some purposes, for example.) ]

(5) Figure 2 (attached) shows two simplified, imaginary columns of air in the atmosphere. Both columns cover a unit of surface area at the bottom and are both divided into ten "bricks" of air. All of the bricks in the figure have the same weight. (The brick on top of each column doesn't have a "top" and so is shown extending upwards indefinitely.)

The large-scale regions of the atmosphere (i.e., 100's of km or more across) of which each column is merely a part, are at different temperatures through most of the troposphere. [I've greatly exaggerated the differences between these columns compared to the real atmosphere.]

On the average, the troposphere contains about 80% of all of the air in the atmosphere. In each column in Figure 2 , approximately where is the tropopause?

[By this standard, the tropopause would lie at the level of the top of the eighth "brick" of air, counting upward from the bottom of the column. Eight out of ten "bricks" of air lie below that level, so 80% of the mass of the air in the column lies below that level. (As in the real atmosphere, though, this level is at a different altitude in the two columns because the heights of the bricks differ between the columns.)

If the surface pressure were 1000 mb (a reasonably typical value, and a nice round number for our purposes here), then the pressure at the tropopause would be only 20% as great (in this idealized example, the total weight of air above the tropopause𔃊 bricks' worth—is only 20% as great as the total weight of air above the surface󈟚 bricks' worth). That means that the pressure at the tropopause is about 200 mb in this example. That's pretty typically in the real atmosphere, too.

By similar reasoning, we can estimate that the level where the pressure is about 500 mb, say, should be at the top of the 5th brick from the bottom. At that level, the weight of air above (5 bricks' worth) is half of what it is at the surface (10 bricks' worth), to the pressure would be half as great as at the surface.]

(6) Density is a measure of how packed together the mass of a material is. It can be defined as the mass of material (expressed in grams, kilograms, ounces, pounds, etc.) per unit of volume of the material (expressed cubic centimeters, cubic meters, liters, cubic feet, gallons, etc.).

In Figure 1 , in which column is the air at the earth's surface less dense ? كيف تستطيع أن تقول ذلك؟ In which column is the air in the lower troposphere warmer ? How can you tell (that is, what principles to you have to apply to tell)? If these two columns were located somewhere in the Northern Hemisphere at different latitudes, which one would be farther north?

[Density is a measure of how packed together or concentrated the mass of an object is. It can be calculated by dividing the mass of an object by the volume of space it occupies (giving us the mass of material in the object per unit volume of space). With this understanding, air at the surface in the left-hand column is less dense. Each brick of air has the same weight, but the bottommost brick in the left-hand column occupies more space than the bottommost brick in the right-hand column. Hence, a given amount of mass in the left-hand column is more spread out, or less concentrated—hence, less dense—than the same amount of mass in the right-hand column. Equivalently, we could imagine dividing the mass of the bottommost brick in each column by the volume of the corresponding brick. The masses of the two bricks are the same, but the left-hand brick has the greater volume (it's larger), so the mass divided by volume would be less in the brick in the left-hand column and it is hence less dense.

A handy physical relation that can help us determine in which column the air is warmer, is the ideal gas law, which states that pressure in a gas is proportional to the product of its (absolute) temperature and its density. Including a constant of proportionality allows us to write this relation as an equation:

Ideal Gas Law: pressure = constant x [(absolute) temperature] x density

(The absolute temperature is expressed in Kelvins. It is zero when random motions of molecules cease—it's not possible to get any colder than that!)

From (3) above we know that the pressure on the bottommost bricks in each column is the same because there are nine bricks above each, implying the same pressure on each. If the pressure is the same, then the gas law tells us that the produce of absolute temperature and density must be the same. But the left-hand brick is less dense, so it follows that the temperature in the left-hand brick must be greater than in the corresponding brick in the right-hand column. The same reasoning would apply to the second bricks up from the bottom in the two columns, and at least several more up the columns.

If these columns were located at different latitudes in the Northern Hemisphere, the right-hand column would probably be farther north than the left-hand column, because temperature in the lower troposphere generally decreases with increasing distance from the equator.]

(7) At the surface, in which column is the pressure relatively higher (or lower, or are they the same)? What about at level C ? Level B ? Level A ? كيف تستطيع أن تقول ذلك؟ At which of these levels is the pressure difference the greatest? Can you generalize about how the pressure difference varies with respect to altitude in this example?

[From (3) above we'd conclude that at the surface the pressure is the same—there is the same total weight of air above that level (ten bricks' worth) in both columns, and therefore the same pressure.

At levels C, B and A, the pressure is higher in the warmer, left-hand column, because at each of those levels there is more total weight of air above that level in the left-hand column than in the right-hand column. (Simply count the bricks!) The pressure difference at level C is the equivalent of about half a brick's worth. At level B it's almost a brick's worth, while at level A it's more than one brick's worth. Hence the pressure difference between the columns is greatest at level A.

The reason why there is more total weight of air above any level in the left-hand column than in the right-hand column (except at the surface) is because the bricks below each level are warmer and hence more expanded (at the same pressure) compared to the right-hand column. If bricks below a given level expand, they push the air sitting on top of them upward, and some air that lies below the given level in the cooler, right-hand column gets pushed above that level in the warmer, left-hand column. This means that the total weight of air above that level in the left-hand column is greater than it is in the right-hand column, and so the pressure at that level must be greater, too.

In general, the pressure difference increases with altitude, at least up to about level A. Above that the pressure difference between columns decreases, because the temperature difference between the columns reverses in the stratosphere (roughly above the eighth brick).]

(8) If the warmer column represents the cooler column after the large-scale region containing the cooler column is heated, how does the pressure at level B change in response to the heating? لماذا ا؟ [Note that when a large-scale region is heated or cooled, parcels can't really expand or contract sideways because their neighbors are trying to do the same thing. Rather, they expand or contract vertically only.] How does pressure at the surface change in response to the heating (at least at the point shown in the figure)? لماذا ا؟

[The pressure at level ب would go up in response to large-scale heating of air below level ب, for the reason basically described in (7) above. The surface pressure doesn't change in this example because there are still ten bricks of air of the same width (and hence covering the same area) sitting on the surface before and after the heating, and hence the same pressure. (We had to specify that the heating occurs in the large-scale region containing the column to make sure that the columns surrounding the one pictured are also heated. This prevents the bricks in any column from expanding sideways—their attempts to expand sideways cancel each other out because they're all trying to do it. This means that they can only expand upward. By not expanding sideways, the total weight above each unit of area—which is what the pressure must approximately equal—remains the same in this example.]

(9) What relation can you suggest between the relative pressures at a given level aloft (say, levels A , B , or C for example) and the relative temperatures of the air أدناه that level? What about a relation between temperature and pressure at the surface, at least in this example?

[ Warmer temperatures in the lower troposphere produce higher pressures aloft. ("Aloft" means significantly far above the surface--say, middle and upper troposphere.) Colder temperatures in the lower troposphere produce lower pressures aloft. In contrast, there doesn't seem to be any direct relation between temperature in the air columns (on large scales) and surface pressure. (If there is a connection, it must be indirect limited to certain circumstances not shown here, at least not yet.)]

(10) Since heating or cooling by themselves don't seem to affect the surface pressure in these columns directly [at least according to your results from (9) ], what must happen to cause the surface pressures to change? [Hint: use the relation between pressure at any level and the total weight of air above that level.]

[To change the surface pressure we'd have to add air to or remove air from a column. Since air can't come up out of or depart through the earth's surface, and there's isn't any real "top" into or out of which air can come or go, it appears that air has to come in or go out the sides of the column. Such horizontal motions of air are simply winds .

However, it isn't enough simply to say "winds" are necessary to change the amount of air in the column, because if air enters a column as fast as it leaves the column, then there would be no net change in the amount of air in the column and hence no change in the surface pressure. We have to have either convergence--that is, more air entering the column than leaving it or divergence--that is, more air leaving the column than entering it.

On a weather map (where we're looking down on the winds from above), here are some simple examples of convergent wind patterns (where longer arrows mean faster winds, and the width of the arrows has no special meaning):

Here are some simple examples of divergent wind patterns:

(11) Assuming that the surface pressure is around 1000 mb, draw isobars between the two columns for 850 mb, 500 mb, and 300 mb. In which column are these isobars higher above sea level? At what level are they sloped the most?

[They slope the most at around level A, which is near the tropopause, above which the temperature difference between columns reverses. In the middle latitudes, the tropopause is typically where the horizontal pressure gradient is largest, too. And this is where wind speeds in the jet stream at midlatitudes are typically the fastest.]

What relation do you see between the relative altitude above sea level where you find a given pressure, and the temperature of the air below that altitude?

[Warmer air below means higher pressure aloft, and colder air below means lower pressure aloft, relative to surrounding areas.]

[From this point on, we explored the implications of the connections between temperature and pressure in air columns for a situation in which the two columns lie on opposite sides of a coastline, one over land and the other over water, not very many miles apart. During the day, the sun shines equally on the land and nearby ocean, but water is much harder to warm up than rock, sand, and soil, so the land warms up more than the water and so the air in direct contact with the land warms (by conduction) more than the air in contact with the water. Convection redistributes the heat upward so that a deeper layer becomes heated, but usually this doesn't penetrate much beyond the lower troposphere (unless the atmosphere becomes unstable, which can happen, especially over the sun-heated land). In this scenario, the right-hand column in Figure 1 below would rest on the ocean and the left-hand column would rest on land.

At this point, as noted above, there is no pressure difference between the columns (across the coastline) at the surface, but there are pressure differences between the two columns aloft. We typically indicate that the pressure at some level aloft is relatively higher than nearby areas (at the same level) by putting an "H" there, and similarly we put an "L" where the pressure aloft is relatively lower than nearby areas (at the same level). So, in this case, we could write "H" in the left-hand column at any level aloft (say, levels A and B, or even C) and "L" at the same level(s) in the right-hand column, where the pressure is lower. Farther to the right of the right-hand column the air in the lower troposphere is comparable in temperature to that in the column, so the pressure aloft would be about the same as in the column. Similarly, to the left of the left-hand column, the temperature in the lower troposphere would be similar to what it is in the column itself, so the pressure at any level aloft would be similar to what it is in the column. This means that there is little or no pressure gradient to the left of the left-hand column (over land) or to the right of the right-hand column (over the ocean).

There is, however, a pressure gradient between the two columns at various levels aloft. This pressure gradient implies a pressure gradient force that pushes that air into motion, toward the lower pressure. Because the two columns are not very far apart (say, tens of kilometers or less), the Coriolis force doesn't have time to affect the motions very much, so the flow of air is pretty much from higher toward lower pressure. There's no flow of air farther away over the ocean or over land, though, because there's no pressure gradient there to push air into motion.

The resulting wind pattern aloft is clearly convergent into the cooler column over the ocean (air is coming into the column from over land, while none is leaving oceanward). Similarly, the wind pattern aloft is clearly divergent out of the warmer column over land (air is leaving the area and headed toward the ocean, pushed by the pressure gradient force, but there is no air coming from farther inland to replace it).

The convergence into the cooler column aloft over the ocean adds air to the column, thereby increasing its weight, which raises the surface pressure over the ocean near the coast. Conversely, divergence out of the warmer column aloft over land removes air from the column, decreasing its weight, which lowers the surface pressure over land near the coast. We can now write an "H" at the base of the cooler, right-hand column over the ocean and an "L" at the base of the warmer, left-hand column over land, to indicate the pressures there relative to nearby areas (including each other) at the same level (elevation).

Now there is a pressure difference between the two columns at the surface. This pressure difference creates a pressure gradient force that pushes air into motion across the coast from the cooler column over the ocean toward the warmer one inland. (Again, the relatively small distance involved means that the Coriolis force doesn't have time to affect the winds very much before they cross the coast.) If you were standing on the coast, you'd feel a relatively cool wind blowing from the ocean toward land (that is, an onshore wind). This breeze is called the sea breeze.

The surface winds are clearly divergent out of the higher pressure area at the base of the cooler column over the ocean. Air must come from somewhere to replace this diverging air (or else a vacuum would develop there, which doesn't happen in the atmosphere). At the same time, air is converging aloft into the same column, and that converging air has to go somewhere. The solution to both problems: air descends from aloft to the surface in the cooler column.

Conversely, surface winds are clearly convergent into the lower pressure area at the base of the warmer column over the ocean. This converging air has to go somewhere. At the same time, air is diverging out of the same column aloft, and air must come from somewhere to replace it. The solution to both problems: air rises from the surface upwards.

The complete picture that we get is a circulation of air, with onshore flow at the surface, offshore flow aloft, rising air over the sun-warmed land, and sinking air over the cooler ocean nearby. Such a circulation is called a convection cell. It is driven by the temperature difference between the land and water.

At night, the opposite pattern develops. Water is harder to cool off than rock, soil, and sand, so although both the land surface and the water surface lose heat at night at similar rates (by emitting more longwave infrared radiation upward than they receive back, emitted downward by greenhouse gasses and clouds in the atmosphere), the land cools more as a result and becomes colder than the ocean surface nearby. In that scenario, the right-hand column below would represent air over land and the left-hand column would represent air over the nearby ocean. The surface wind that develops would blow from land across the coastline toward the ocean and would feel relatively cool. It is called a land breeze, and it is an offshore wind.]

Figure 1 : Two imaginary columns of air in the atmosphere, divided arbitrarily into equal-weight "bricks" of air. The top-most brick in each column extends indefinitely.


شاهد الفيديو: لماذا تنخفض درجة الحرارة كلما ارتفعنا مع أننا نقرب من الشمس (أغسطس 2022).