A légköri rétegek

A légkör különbözõ szintjeit a különbözõ fizikai tulajdonságaik alapján határozzák meg. A hõmérséklet változik a magassággal, a nyomás és a légnyomással együtt a levegõ sûrûsége is csökken. Minél magasabbra megyünk, annál kevesebb molekulát találunk egységnyi térfogatban (pl. 1 m³-ben). A nedvesség és a szélsebesség is változik …

Mindezek nem látszódnak a földrõl, ha felnézünk az égre. Vagy felhõket, vagy a kék eget látjuk, bármilyen réteg nélkül. A kék szín a fehér napsugárzás kék részébõl származik. Ez azért van, mert a levegõben lévõ molekulák különbözõképpen befolyásolják a látható fény különbözõ színeit (azaz a különbözõ hullámhosszakat). De mi van a rétegekkel? Megfigyelhetjük õket egyáltalán?
Ha repülõvel megyünk, egy elképzelést kapunk arról, hogy hogyan változnak a légkör tulajdonságai a magassággal. Független a felhõk alatt lévõ helyi idõjárástól, kék eget látunk és nincsen felhõ fölöttünk, ha elérjük a 10-11 km-es magasságot. Abban az esetben, ha a tropopauzában vagyunk, vagy az alsó sztratoszférában, nincsen több felhõ, mert nincsen elegendõ víz.

1. kék ég a felhõk felett
forrás: freefoto.com

Miért változik a hõmérséklet?

A légkörben kisskálájú hõmérsékletváltozásai a helyi hatásoknak köszönhetõek. Például: a föld gyorsabban melegszik fel ill. hûl le, mint a tenger. Vagy a hegyekbõl fújó hideg szelek megváltoztathatják a határréteg hõmérsékletét. De még általánosabban, globális átlagban két oka van a fõ hõmérsékletváltozásoknak:

a) A Föld felszíne elnyeli a napsugárzást, ami felmelegíti. Minél távolabb mész a meleg földfelszíntõl a hideg ûr felé, a levegõ egyre hidegebbé válik. A hõmérséklet csökken a magassággal.

2. A hõmérsékleti profil, a légnyomás és a sûrûség a növekvõ magassággal.
Átvéve: Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

b) Ezt a szabályt érvényteleníti, vagy kiegészíti az, ha a levegõmolekulák elnyelik a napsugárzás bizonyos részét, és ezek melegítik fel a levegõt. Ebben az esetben a hõmérséklet növekszik, egészen addig, míg el nem éri a lokális maximumát. Ez a helyzet a sztratoszférában található ózonrétegben, ahol az ózon elnyeli az UV - sugárzást és a hõmérsékleti maximum (sztratopauza) meghatározza a sztratoszféra és a mezoszféra közötti határt. A mezoszférában a hõmérséklet ismét csökken. A hõmérséklet ismételt növekedése a termoszférában játszódik le, ahol a nitrogén és az oxigén elnyeli a rendkívül energia gazdag rövid UV - sugárzást, és részben ez ionizálja is a molekulákat. Ezért ezt a réteget ionoszférának is nevezzük.

Miért csökken a nyomás?

A különbség a víz és a levegõ között az, hogy a levegõ összenyomható, a víz pedig nem. Ha a tengeren a vízben vagy és 10 m víz van feletted, a nyomás akkor 1 bar, ha 20 m víz van feletted, akkor 2 bar, mert a vízmennyiség összeadódik. A levegõ egy kicsit olyan, mint ha könnyû párnákat feltornyoznád egymáson. A torony alján lévõ párnák lapossá válnának, köszönhetõen a felette lévõk súlyának. Össze lehet nyomni õket, mert sok a levegõ közöttük. Végül a talajon lévõ elsõ 30 cm-es rétegben 10 párna van, míg a nyolcadikban csak egy, habár mindegyiknek párnának ugyanakkora a súlya. Ugyanez van a légkörben is. Ennek következtében a klimatológusok nagyon gyakran nemcsak a métert használják, mint mértékegységet, a magasság mérésére, hanem a nyomást is. Az összenyomhatóság függ egy kicsit a hõmérséklettõl, de nagyjából a nyomás felezõdik 5.5 km-enként. 1000 hPa a nyomás a talajon, 500 hPa 5,5 km magasan és így tovább.
Kattints ide a nyomásszámolás részletesebb formulájához (képlet).

Száraz levegõben a légnyomás és a magasság közötti kapcsolat számítása

Paraméterek és mértékegységek:

z [m] = magasság

p₀ [hPa] = talajszinti légnyomás

p [hPa] = z méter magasan a légnyomás

R* = 287 J kg^-1 K^-1 = száraz levegõ gázállandója

R* = R / M_a

R = gázállandó = 8.314 J K^-1 mol^-1

M_a = levegõmolekulák súlya = 28.96 g mol^-1

g = gravitációs gyorsulás
= 9.81 m s^-2

T_m [K] = középhõmérséklet a talajhõmérséklet (T₀) és a z magasságú szint hõmérséklete (T_z) között

T_m = (T₀ + T_z) / 2

g / R* = 0.034 K m^-1

1 J = 1 N m

1 N = 1 kg m s^-2

Kapcsolat a légnyomás, hõmérséklet, és magasság között.

Ez a képlet csak száraz levegõ esetében igaz. Nedves levegõ esetében a molekulasúlyok változnak.
Az ábra készítésénél a következõ ésszerû feltevésekkel éltünk:

Hõmérséklet a talajon: 20°C
Hõmérséklet csökkenése: - 1°C / 200 m
A hõmérséklet 10000 méteren: - 30°C

Talajszinti légnyomás: 1000 hPa

Láthatjuk a nagy magasságokban számított légnyomást, 5,500 méteren a légnyomás kb. 500 hPa, 11,000 méteren körülbelül 250 hPa.

Az oldalról:

szerzõ: Elmar Uherek - MPI Mainz
utolsó módosítás: 2004-04-20

3. Mint egy párnatorony:
A levegõ hogyan nyomódik össze…
Elmar Uherek

A termoszféra valóban olyan forró?

A légköri profilok gyakran mutatnak 200-500 km magasságban a termoszférában 500-1000°C-t. Ez valóban olyan meleg? A probléma ebben az esetben a hõmérséklet definíciója. A molekuláknak a levegõben van bizonyos energiájuk. Ha ezt egy hõmérõvel mérjük, akkor a molekulák átadják az energiájuk egy részét, amikor nekiütköznek a hõmérõ felszínének. A termoszféra magasságában a molekuláknak nagyon nagy energiájuk van, ezért a hõmérsékletek helyesek, de a molekulák száma egységnyi térfogatban egy milliomod része a földfelszín közeli értéknek. Az ütközések valószínûsége (például a hõmérõvel), és a teljes energia átadása nagyon kicsi. Ennek következtében a termoszféra hõmérséklete nem más, mint a molekuláris energia mértéke. De nem tudod igazán összehasonlítani a felszíni hõmérsékletméréssel.

4. a) talajmenti idõjárási térkép
Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

4. b) ugyan az a térkép 300 hPa magasságban (körülbelül 9 km magasan). Figyeld meg a szélsebesség jeleit!
forrás : Schirmer - Wetter und Klima - Wie funktioniert das?

4. c) Nézd meg a jobb oldali kivágatot és hasonlítsd össze a szélsebességeket a talajon (alul a sötétkék), és 9 km magasan (világoskék fölül) az adott helyeken. Mennyi a szélsebesség a három helyen km/h-ban?

Hogyan változik a szél?

A fenti két idõjárási térkép (300 hPa = körülbelül 9 km és az 1000 hPa) megmutatja, hogy a nyomási gradiensek és a szélsebességek jelentõsen különböznek közel a talajhoz és a felsõ troposzférában. Ennek következtében, a repülõgépek üzemeltetéséhez egy speciális idõjárási elõrejelzési rendszer szükséges. A szélsebesség a magassággal növekszik, és a troposzféránál levõ átlagos szélsebesség a felszínen komoly vihar lenne. A sztratoszférában nemcsak a hõmérsékleti menet változik, hanem a szélsebesség is jelentõsen lecsökken.

5. A szélsebességeket hagyományosan csomóban (csomó = tengeri mérföld/óra), km/h-ban, helyesebben m/s-ban mérik.
1 m/s = 3,6 km/h
1 kn = 1,852 km/h
Az idõjárási térképen lévõ jelek elárulják nekünk a szél irányát (merrõl fúj a szél), és a szélsebességet csomóban.

6. Szélsebesség vertikális profilja.
Az adatok az USA nemzeti idõjárási szolgálat ballonos méréseibõl származnak.  Exploring Earth

7. A szélsebesség és a hõmérséklet összehasonlítása.

Kapcsolódó oldalak:

Többet olvashatsz a levegõ tulajdonságainak megváltozásáról a magasság növekedésével az:
Alsó légkör - Alap -1. Fejezet - függõleges

Az oldalról:

szerzõ: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
tudományos lektor: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
pedagógiai lektor: Michael Seesing - Duisburgi egyetem, Dr. Ellen K. Henriksen - Oslói Egyetem, Yvonne Schleicher - Erlangeni Egyetem-Nürnbergu
tolsó javítás: 2004-05-05