Задачи › Распределения, барометрическая формула, модели атмосферы

Я тучка, тучка, тучка...

  1. Я тучка, тучка, тучка...

    ВсОШ 2016/17, 11 кл.
    6/10

    В приближении адиабатической атмосферы оцените:

    1. высоту \(H\) атмосферы Земли;

    2. высоту \(h_0\) нижней кромки облаков.

    Температура на поверхности Земли \(t_0 = 27\,^\circ\)C, а относительная влажность воздуха \(\varphi = 80\%\). Считайте, что \(h_0 \ll H\).

    Указание: адиабатической называется атмосфера, в которой порции газа, перемещаясь по вертикали без теплообмена, всё время остаются в механическом равновесии.

    Рисунок

    Примечание: воздух считать идеальным двухатомным газом с молярной массой \(\mu = 29\) г/моль.

    ▶Показать разборСкрыть разбор
    Подсказка

    Для высоты атмосферы используйте закон сохранения энергии порции воздуха при подъёме: температура падает линейно с высотой. Нижняя кромка облаков — высота, на которой парциальное давление пара сравнивается с давлением насыщенного пара.

    Ответ

    1) \(H \approx 30\) км;  2) \(h_0 \approx 0{,}43\) км.

    Решение

    Для порции одного моля воздуха в адиабатическом приближении \(P_1V_1 - P_2V_2 = U_2 - U_1 + \mu g (z_2 - z_1)\), откуда \(c_p\,\Delta T = -\mu g\,\Delta z\). Температура меняется с высотой по закону \[T = T_0 - \frac{\mu g}{c_p} z = T_0 - \frac{2\mu g}{7R} z .\] Высоту атмосферы оценим по высоте, на которой температура обращается в ноль: \[H \approx \frac{7RT_0}{2\mu g} \approx 30~\text{км}.\]

    Нижняя кромка облаков — уровень точки росы. Парциальное давление пара убывает с высотой по гидростатическому закону \(\dfrac{\partial P}{\partial z} = -\rho g\). Так как \(h_0 \ll H\), плотность воздуха можно считать постоянной, \(\rho \approx P_0 \mu_{\text{H}_2\text{O}}/(RT_0)\), и \[\frac{P(z)}{P_{\text{н}}(T_0)} \approx \varphi\left(1 - \frac{\mu_{\text{H}_2\text{O}} g z}{RT_0}\right).\] Строим на одном графике зависимости \(P(z)/P_{\text{н}}(T_0)\) и \(P_{\text{н}}(T(z))/P_{\text{н}}(T_0)\) по таблице давления насыщенного пара; абсцисса точки пересечения и есть \(h_0 \approx 0{,}43\) км. На этой высоте парциальное давление пара падает примерно на \(6\%\), а температура — менее чем на \(2\%\), что оправдывает приближения.

    Рисунок

    Вся олимпиада на сайте

    Страница задачиОшибка в задаче?

Похожие задачи