Турбулентное перемешивание в атмосфере

 

Атмосферный воздух представляет собой очень подвижную среду, в которой всегда происходят движения, разные по масштабам и направлениям с разными скоростями. Турбулентный характер атмосферных движений воздуха определяется наличием шероховатости земной поверхности, неравномерностью нагревания разных участков поверхности, а также гидродинамическими свойствами атмосферных течений. Чем больше шероховатость земной поверхности, тем выше турбулентность. Чем интенсивнее происходит нагревание воздуха, тем выше турбулентность. Следствием турбулентного движения есть вертикальный и горизонтальный обмен воздуха. Это приводит к переносу в атмосфере тепла, влаги, пыли и других примесей. Турбулентное перемешивание ведет к выравниванию содержания примесей в атмосферном воздухе.

Вертикальный турбулентный обмен описывается следующим уравнением:

S = - A (dс/dz),

где S – количество субстанции, переносимой в единицу времени через единицу площади;

- dс/dz – вертикальный градиент субстанции, то есть ее изменение на единицу расстояния по вертикали;

А – коэффициент турбулентного обмена, который зависит от атмосферных условий и характера земной поверхности.

При определении турбулентных потоков в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности k, который определяется по формуле:

k = A/ρ,

где ρ – плотность воздуха, кг/м³.

Степень турбулентности может быть разной. Об этом можно судить по наблюдениям за распределением дыма, который выходит из труб предприятий. Вид струй дыма, которые выходят из труб при разной степени турбулентности атмосферы, приведен на рисунке 3.5.

k – коэффициент турбулентности

Рисунок 3.5 – Вид струй дыма при разных степенях турбулентности

 

В граничном слое атмосферы (ГСА), который распространяется от поверхности Земли в среднем на 1-1,5 км вверх, на характер движения воздуха большое влияние оказывает земная поверхность и силы турбулентного трения.

Распределение ветра с высотой в граничном слое атмосферы определяется по формулам:

 

,

,

 

где u -составляющая скорости приземного геострофического ветра;

v – составляющая, перпендикулярная приземного геострофического ветра (в северном полушарии направленная вправо);

V_g – скорость геострофического ветра в Земли;

,

ω – угловая скорость обращения Земли;

φ – широта места.

Кривая зависимости V = f(u), называется спиралью Экмана.

Верхняя граница граничного слоя (Н) определяется по формуле:

Коэффициенты А и k в условиях атмосферы изменяются в значительной мере как в времени, так и в пространстве. Они зависят от вертикального градиенту скорости ветра, термической устойчивости атмосферы, свойств земной поверхности (ее шероховатости, термической неоднородности) и др.