Атмосфера Земли

[Munin]

Объясните, пожалуйста, на пальцах, почему в нижних слоях атмосферы Земли существует большой градиент температуры, и это состояние поддерживается? Существует ли объяснение на уровне школьника?

Равновесная атмосфера ("больцмановская") имеет экспоненциально спадающую плотность и давление, и постоянную по высоте температуру.

Допустим, мы покрыли Землю такой равновесной атмосферой, а потом начали добавлять к Земле реалистичности: Солнце + суточное вращение, можно другие подробности, если понадобится. Как я понимаю, это приводит к тому, что поверхность Земли начинает воздух в разных местах то нагревать, то охлаждать, переменно по времени. Сам по себе воздух лучистым теплообменом с поверхностью и с космосом практически не занимается. Хотелось бы, чтобы это привело к состоянию, похожему на реальное распределение температуры по высоте.

Однако каким образом при этом может возникнуть на высоте многих километров поддерживающаяся температура меньше средней и даже меньше минимальной на поверхности Земли - не понимаю!!!

В равновесной атмосфере восходящие и нисходящие адиабатические потоки воздуха градиента температуры, насколько я могу понять, не увеличивают.

(Оффтоп)

В ЗФТШ 10 класса за октябрь этого года (срок сдачи прошёл) был вопрос:

Почему с увеличением высоты над поверхностью земли в тропосфере и стратосфере температура воздуха уменьшается?
Какого ответа ожидали авторы задачи?

[Emergency]

В книге "Физики продолжают шутить" была приведена статья из британской энциклопедии "Восходящие потоки" в которой было объяснение.
Мне кажется тут стоит учитывать неравновесность атмосферы по составу, а именно наличию водяного пара.

[Pphantom]

Munin в сообщении #1431223 писал(а):

Почему с увеличением высоты над поверхностью земли в тропосфере и стратосфере температура воздуха уменьшается?

В случае с тропосферой, по-видимому, предполагалось получить в ответ утверждение, что воздух в основном нагревается не непосредственно излучением Солнца, а поверхностью Земли (и получающееся распределение не является равновесным).

А вот каким образом в вопрос попала стратосфера (в которой температура с высотой увеличивается), просто непонятно.

[Munin]

Pphantom в сообщении #1431233 писал(а):

В случае с тропосферой, по-видимому, предполагалось получить в ответ утверждение, что воздух в основном нагревается не непосредственно излучением Солнца, а поверхностью Земли (и получающееся распределение не является равновесным).

Я согласен с этой идеей, но объясните, как в верхних слоях атмосферы может получиться температура, меньшая, чем средняя (и даже минимальная), чем температура поверхности Земли.

Допустим, мы начинаем с равновесной атмосферы, холодной как минимальная температура поверхности Земли. Какой дальше сценарий?

[Pphantom]

Munin в сообщении #1431235 писал(а):

Я согласен с этой идеей, но объясните, как в верхних слоях атмосферы может получиться температура, меньшая, чем средняя (и даже минимальная), чем температура поверхности Земли.

Давайте сначала о терминологии договоримся. "Верхние слои атмосферы" - это экзосфера и термосфера. В первой о температуре вообще говорить не приходится (ибо длины свободного пробега частиц порядка $10^1$ км и больше и локального термодинамического равновесия там попросту нет), температура термосферы в среднем больше, чем температура поверхности Земли (даже максимальная), она в районе $(1.0 \div 1.5) \cdot 10^3$ К, а при некоторых условиях бывает и побольше. Собственно падение температуры с высотой - это характерная особенность (фактически просто определение) тропосферы, которая заканчивается на высотах 10-20 км (в зависимости от широты и локальных условий).

Если обсуждать именно тропосферу, то распределение температуры для нее в первом приближении получится, если считать, что источником нагрева является только поверхность Земли (что примерно правда), а через верхнюю границу энергия уходит в виде излучения (что тоже примерно правда). Получается банальная задача о стационарном профиле температуры между двумя плоскостями, поддерживаемыми при разных температурах. Равновесным все это в любом случае не будет.

[EUgeneUS]

Munin в сообщении #1431223 писал(а):

Сам по себе воздух лучистым теплообменом с поверхностью и с космосом практически не занимается.

Это не так. Парниковый эффект обпспечивает нагрев нижних слоев. Чем ниже - тем сильнее они нагреты.

Emergency в сообщении #1431225 писал(а):

а именно наличию водяного пара.

А водяной пар - основной парниковый газ.

[Emergency]

Munin в сообщении #1431235 писал(а):

как в верхних слоях атмосферы может получиться температура, меньшая, чем средняя (и даже минимальная), чем температура поверхности Земли

Это связано с существенной неравновесностью (потоки лучистой энергии) и линейчатыми спектрами газов. Собственно с этим же связан парниковый эффект от углекислого и некоторых других газов - видимый свет проходит свободно, а тепловое излучение отражается.

-- 21.12.2019, 14:40 --

EUgeneUS в сообщении #1431243 писал(а):

водяной пар - основной парниковый газ.

А еще он конденсируется.

[Munin]

Pphantom в сообщении #1431242 писал(а):

Давайте сначала о терминологии договоримся. "Верхние слои атмосферы" - это экзосфера и термосфера.

Окей, я говорил про верхние слои тропосферы.

Pphantom в сообщении #1431242 писал(а):

температура термосферы в среднем больше, чем температура поверхности Земли (даже максимальная), она в районе $(1.0 \div 1.5) \cdot 10^3$ К, а при некоторых условиях бывает и побольше.

Я так понимаю, она нагревается солнечным ветром?

Pphantom в сообщении #1431242 писал(а):

Если обсуждать именно тропосферу, то распределение температуры для нее в первом приближении получится, если считать, что источником нагрева является только поверхность Земли (что примерно правда), а через верхнюю границу энергия уходит в виде излучения (что тоже примерно правда).

О! Вот последнего пункта мне сильно не хватало!

Можете снабдить такими цифрами:
- насколько сильно излучает воздух в тропосфере?
- насколько сильно непрозрачен воздух в тропосфере?
Пренебрегая водяным паром, облаками, парниковыми газами. Усреднённо, с точностью до порядка.

-- 21.12.2019 14:51:56 --

Почему я пренебрегаю парниковыми газами? Потому что без них эффект не исчез бы. И даже не уменьшился бы на порядки.

Зато мне нужна возможность хоть что-то посчитать и оценить.

Поэтому реплики Pphantom намного более по теме, чем реплики Emergency и EUgeneUS.

[realeugene]

Munin в сообщении #1431247 писал(а):

Окей, я говорил про верхние слои тропосферы.

Тропосфера сильно перемешана, и, поэтому, в ней градиент температуры в среднем адиабатический. Стратосфера тоже достаточно перемешана для того, чтобы её химический состав был примерно постоянным (концентрация водяного пара всё-таки непостоянна и зависит от его заноса из нижележащей тропосферы), и недостаточно перемешана по вертикали для выравнивания в ней температуры, но именно в стратосфере находится озоновый слой, принимающий на себя значительную долю энергии солнечной радиации.

-- 21.12.2019, 15:05 --

Pphantom в сообщении #1431242 писал(а):

Получается банальная задача о стационарном профиле температуры между двумя плоскостями, поддерживаемыми при разных температурах.

Эта задача совершенно не банальная, так как перенос вещества и энергии в тропосфере турбулентный, а турбулентные эффекты зависят от градиента темепратур, поэтому, всё сильно нелинейно и разнообразно. Плюс ещё динамика водяного пара с его конденсацией играет важнейшую роль в этом всём.

[Munin]

realeugene в сообщении #1431252 писал(а):

Тропосфера сильно перемешана, и, поэтому, в ней градиент температуры в среднем адиабатический.

А как он возникает в изотермической атмосфере?

Впрочем, Pphantom на этот вопрос уже ответил (я неправильно воспринимал постановку задачи).

realeugene в сообщении #1431252 писал(а):

именно в стратосфере находится озоновый слой, принимающий на себя значительную долю энергии солнечной радиации.

Спасибо, тоже полезно в копилку.

[Pphantom]

Munin в сообщении #1431247 писал(а):

Я так понимаю, она нагревается солнечным ветром?

Это второй по значимости фактор (хотя и существенный, от него параметры термосферы зависят довольно сильно). А первый - поглощение излучения Солнца в УФ и рентгене.

Munin в сообщении #1431247 писал(а):

Можете снабдить такими цифрами:

Нет, мне самому конкретные данные тоже искать надо, на память я их не помню. К тому же тут достаточно малоосмысленно пренебрегать облаками, парниковыми газами и т.п., результат получится слишком далеким от реальности.

Если хотите, покопайтесь вот тут, это более-менее компактное изложение соответствующих вещей, численные данные там тоже есть.

Munin в сообщении #1431247 писал(а):

Почему я пренебрегаю парниковыми газами? Потому что без них эффект не исчез бы. И даже не уменьшился бы на порядки.

Так он без них, наоборот, увеличится.

-- 21.12.2019, 15:12 --

realeugene в сообщении #1431252 писал(а):

Эта задача совершенно не банальная, так как перенос вещества и энергии в тропосфере турбулентный, а турбулентные эффекты зависят от градиента темепратур, поэтому, всё сильно нелинейно и разнообразно.

Это, конечно, верно, но в рамках простейшей модели можно считать, что от поверхности Земли до тропопаузы происходит перенос энергии снизу вверх с практически постоянным (и - из-за конвекции - достаточно большим) коэффициентом теплопроводности. Естественно, детальную структуру атмосферы так не сосчитать, но мы и гонялись за максимально простым объяснением.

[realeugene]

Munin в сообщении #1431253 писал(а):

А как он возникает в изотермической атмосфере?

А при наличии температурной неустойчивости атмосфера не может быть изотермической. Энергия - да, поступает первоначально от Солнца. Солнечная радиация поглощается в различных погодных условиях либо облаками, либо непосредственно поверхностью Земли, и она имеет сильные суточные и годовые циклы. Так что, в тропосфере всё сильно нестационарно. Энергия тербулентности в основном переходит в конце концов в локальный нагрев той же атмосмферы.

По ночам тепловая радиация охлаждает тропосферу. Или от облаков, или непосредственно от поверхности Земли. Турбулентный перенос энергии через стратосферу затруднён, молекулярная теплопроводность существенной роли не играет, по крайней мере, в нижних слоях атмосферы.

-- 21.12.2019, 15:28 --

Pphantom в сообщении #1431255 писал(а):

но в рамках простейшей модели можно считать, что от поверхности Земли до тропопаузы происходит перенос энергии снизу вверх с практически постоянным

Боюсь, эта простейшая модель грубо неверна. Этой переносимой энергии некуда деваться из тропопаузы, так как в стратосфере вертикальный градиент температуры положительный.

[Pphantom]

realeugene в сообщении #1431256 писал(а):

Боюсь, эта простейшая модель грубо неверна. Этой переносимой энергии некуда деваться из тропопаузы, так как в стратосфере вертикальный градиент температуры положительный.

Оптическая толщина в континууме ИК слоев выше тропопаузы мала, так что излучение просто уходит наружу.

[realeugene]

Вот есть энергетический бюджет поверхности Замли. Треть поглощённой солнечной радиации излучается обратно тепловым излучением. Половина выносится в более высокие слои тропосферы со скрытой теплотой парообразования водяного пара. Остаток - это непосредственно перенос тепла теплоёмкостью воздуха. И перенос тепла и перенос водяного пара в тропосфере конвективный. Водяной пар, конденсируясь в облаках, отдаёт теплоту парообразования окружающему воздуху.

https://earthobservatory.nasa.gov/featu ... /page5.php

Pphantom в сообщении #1431262 писал(а):

Оптическая толщина в континууме ИК слоев выше тропопаузы мала, так что излучение просто уходит наружу.

Но давление и связанная с ним оптическая плотность в этих полосах, всё-таки, не резко падает с высотой.

Вот тут написано, что атмосфера почти прозрачна для теплового излучения с высоты уже 5-6 километров.
https://earthobservatory.nasa.gov/featu ... /page6.php

[Pphantom]

realeugene в сообщении #1431290 писал(а):

Вот есть энергетический бюджет поверхности Замли.

Ну да. И что?

realeugene в сообщении #1431290 писал(а):

Но давление и связанная с ним оптическая плотность в этих полосах, всё-таки, не резко падает с высотой.

Падает-то резко, просто заметных особенностей в районе тропопаузы нет. А зачем они должны быть?

Представьте себе такую конструкцию. Вместо тропопаузы над поверхностью Земли находится полностью прозрачная для всех видов излучения "крышка", единственная функция которой - не давать газу, находящемуся под ней, через нее проходить. Выше крышки газа вообще нет. Что принципиально изменится в профилях параметров газа под крышкой?