Температура воздуха

Основной источник тепла для воздуха атмосферы – земная поверх­ность, получающая лучистую энергию Солнца, звезд, Луны и внутреннее тепло Земли. Тепло сообщается воздуху и передается в нем путем:

– лучистого теплообмена (главным образом через длинноволновое из­лучение Земли, поглощаемое водяным паром, углекислым газом, озоном);

– вертикального перемешивания (турбулентности) воздуха, благодаря которому температура с высотой убывает на 1/3 медленнее, чем при отсутствии такого перемешивания;

– фазовых превращений воды (процессов конденсации и сублимации водяного пара, замерзания и испарения водяных капель, таяния ле­дяных кристаллов). На каждый грамм воды выделяется примерно: при конденсации – 600 кал, при замерзании – 80 кал, при сублимации – 680 кал; при испарении поглощается около 600 кал, при таянии – 80 кал;

– теплопроводности – обмена теплом при непосредственном соприкосновении земной поверхности и воздуха, когда тепловая энергия передается от одной молекулы к другой (такой теплообмен происходит в слое воздуха до 1 м из-за плохой теплопроводности воздуха);

– горизонтального и вертикального переноса (адвекции и адиабатиче­ских процессов).

Температура воздуха - одна из важнейших характеристик состояния атмосферы. Она является мерой средней скорости движения молекул воздуха. Чем больше средняя скорость движения молекул, тем выше температура воздуха. Для количественной характеристики температуры воздуха приняты следующие шкалы: Цельсия (°С), Фаренгейта (° F), Кельвина (К). В большинстве стран мира используется шкала Цельсия; в США, Англии и некоторых других странах используется шкала Фаренгейта; при теоретических расчетах пользуются абсолютной шкалой Кельвина, которая удобна тем, что на ней нет отрицательных значений температуры. В качестве реперных точек используются температуры таяния льда и кипения воды.

Переход от шкалы Цельсия к шкале Фаренгейта и наоборот проводится по формулам (2.1 и 2.2):

t °С = 5/9(t ° F - 32) (2.1.1)

t ° F = 9/5 t °С + 32. (2.1.2)

Переход от температуры в Кельвинах к температуре в градусах Цельсия и обратно производится по формулам (2.3) и (2.4):

t °С = ТК - 273 (2.1.3)

ТК = t °С + 273. (2.1.4)

Для измерения температуры применяются термометры. По принципу действия термометры подразделяют на жидкостные (ртутные и спиртовые), металлические (термометры сопротивления, биметаллические пластинки и спирали), полупроводниковые (термисторы). По назначению термометры бывают срочные, минимальные, максимальные. Размещают их в психрометрических будках или специальных кожухах (рис.2, 3).

Рис. 2. Размещение жидкостных термометров в психрометрической будке

Рис.3. Автоматическая метеорологическая станция (в жаллюзийном кожухе термометр)

Температура воздуха непрерывно изменяется как во времени, так и пространстве, эти изменения бывают периодическими (суточные и годовые изменения) и непериодическими (изменения, обусловленные атмосферными процессами: прохождением циклонов, антициклонов, атмосферных фронтов, сменой воздушных масс).

Температура воздуха может изменяться в больших пределах в зависимости от времени суток и года, от географического расположения пункта.

В приземном слое температура воздуха изменяется в течение суток, т.е. имеет суточный ход. Разность между максимальной и минимальной температурой называют амплитудой суточного хода. Она может изменяться от нескольких градусов до десятков градусов. Это зависит от времени года, широты места, высоты его над уровнем моря, рельефа местности, характера подстилающей поверхности, а также от метеорологической обстановки.

В течение года в каждом географическом пункте температура воздуха изменяется от месяца к месяцу, от максимального значения летом до минимального значения зимой, имеет годовой ход. Амплитуда годового хода температуры воздуха зависит от широты места (с увеличением широты амплитуда увеличивается), близости моря (близость к морю уменьшает амплитуду годового хода) и высоты над уровнем моря (с высотой годовая амплитуда уменьшается).

Температура воздуха изменяется как в горизонтальном направлении, так и по вертикали, что характеризуется соответственно горизонтальным и вертикальным градиентами, под которыми понимаются изменения значений температуры на единицу выбранного расстояния.

Горизонтальный градиент температуры (g_г) – это изменение температуры на расстояние 100 или 1000 км. Величина его определяется по картам, на которых проведены линии равных значений температуры, называемые изотермами.

Там, где изотермы проходят густо, g_г имеет большую величину, и температура быстро меняется с расстоянием. В одной и той же воздушной массе горизонтальный градиент небольшой и может достигать 1- 2°С /100 км. На границе воздушных масс с разными свойствами горизонтальный градиент достигает 8-10°С /100 км.

Вертикальный температурный градиент (g) – это изменение температуры на каждые 100 м высоты. Он может быть вычислен по формуле (2.5):

g = (t₀ - t_H)100/ Н, (2.1.5)

где t₀ - температура воздуха у поверхности земли;

t_H - температура воздуха на высоте Н.

С помощью вертикального температурного градиента можно определить температуру на любой высоте:

t_H = t₀ - g Н /100. (2.1.6)

Используя формулу 2.6 можно определить высоту нулевой изотермы. Вертикальный температурный градиент характеризует температурную стратификацию атмосферы. При понижении температуры с высотой g > 0°С/100 м. В стандартной атмосфере g = 0,65°С /100 м.

При повышении температуры воздуха с увеличением высоты g < 0°С/100 м, а слой воздуха, в котором происходит повышение температуры с увеличением высоты, называется инверсией (рис.4). Если температура с увеличением высоты не меняется, g = 0⁰С/100 м, а слой воздуха с постоянной температурой называется изотермией (рис.5).

Слои воздуха с замедленным падением температуры, изотермия и инверсия препятствуют вертикальному турбулентному теплообмену, поэтому их называют задерживающими. Вертикальная протяженность таких слоев составляет от нескольких десятков метров до нескольких сотен метров, иногда километров.

С задерживающими слоями нередко связаны явления, усложняющие полет. Это слоистообразные облака, туманы, высотные дымки, скопление аэрозольных элементов, образование опасных сдвигов ветра в приземных слоях и турбулентных вихрей на границах слоев инверсий.

Инверсии бывают: радиационные, адвективные, фронтальные, сжатия или оседания.

В результате охлаждения приземного слоя воздуха, в основном, ночью в теплое время года и на протяжении суток в холодное время года образуются радиационные инверсии. Благоприятными метеорологическими условиями являются безоблачная или малооблачная, безветренная погода. Толщина радиационной инверсии – от нескольких десятков метров до нескольких сотен метров.

Рис.4. Слой инверсии Рис.5. Слои инверсии и изотермии в атмосфере

Адвективные инверсии возникают при перемещении теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность. Рост температуры с высотой наблюдается выше слоя трения, где резко уменьшается турбулентность, способствующая перемешиванию воздуха в нижних слоях. Адвективные инверсии образуются чаще всего в холодное время года на высотах 1 – 1,5 км, их вертикальная мощность достигает нескольких десятков метров.

При прохождении атмосферных фронтов наблюдаются фронтальные инверсии. В зонах атмосферных фронтов холодный воздух располагается внизу, а теплый воздух выше холодного. Такие инверсии достигают мощности несколько сот метров.

В центральных частях малоподвижных антициклонов формируются инверсии сжатия или оседания, которые образуются в результате расходимости потоков воздуха у земной поверхности от центра высокого давления в стороны, а вышележащие слои оседают вниз и адиабатически нагреваются за счет сжатия. Оседающий нагретый воздух растекается на некоторой высоте (чаще всего 1 – 3 км), образуя слой инверсии вертикальной мощностью несколько сот метров. Эти инверсии могут занимать большие площади, а разность температур у земли и на верхней границе слоя инверсии может достигать нескольких десятков градусов.

Температура воздуха оказывает прямое и косвенное влияние на работу авиации. Прямое – это характер погоды, в значительной степени обусловливаемый температурой. Очень низкие и очень высокие температуры, наблюдаемые у поверхности земли, сильно усложняют работу технического состава по подготовке авиационной техники, а также усложняют ее эксплуатацию. Температура, близкая к 0ºС может привести к замерзанию воды в радиаторах, а также к образованию гололеда. Лед на ВПП осложняет руление, взлет и посадку ВС. Торможение на скользкой ВПП может привести к выкатыванию ВС за пределы рабочей части ВПП. При полете в облаках при температуре ниже 0ºС может произойти обледенение ВС, что представляет большую опасность для летящего ВС. Как высокие, так и очень низкие температуры накладывают определенные ограничения в отношении необходимой взлетной мощности.

Косвенное – это зависимость плотности воздуха от его температуры: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха, которая определяет режимные характеристики полета ВС.

Скоростной напор (q) играет важную роль в оценке различных режимных характеристик полета.

q = ρV² /2, (2.1.7)

где ρ – плотность воздуха; V - скорость полета относительно воздуха.Из этого выражения видно, что скоростной напор зависит от плотности воздуха.

Согласно уравнению состояния идеального газа Клапейрона – Менделеева:

ρ= P/RT, (2.1.8)

где Р – давление воздуха, R - универсальная газовая постоянная, Т – температура газа (абсолютная). Отсюда видно, что при повышении температуры воздуха плотность уменьшается и, следовательно, уменьшается скоростной напор. При понижении температуры скоростной напор увеличивается.

Изменение скоростного напора вызывает изменение тяги двигателей, подъёмной силы, лобового сопротивления и, следовательно, горизонтальной и вертикальной скоростей ВС. При полете на постоянной высоте по барометрическому высотомеру, тяга двигателя целиком зависит от температуры воздуха на данной высоте. В случае отклонения температуры воздуха от стандартной, тяга двигателя уменьшается, в случае отрицательного отклонения - увеличивается. Изменение тяги с высотой в реальной атмосфере зависит от величины вертикального градиента температуры g. Чем больше g, тем медленнее уменьшается и медленнее падает сила тяги. В слоях изометрии и инверсии r воздуха с высотой убывает быстрее и это обуславливает интенсивное уменьшение тяги с высотой.

Отклонение температуры воздуха от стандартной на 10ºС в сторону повышения приводит к понижению практического потолка ВС на 400-500м.

В значительной степени зависят от температуры взлётно-посадочные характеристики ВС. Для взлета необходимо, чтобы подъемная сила была больше веса самолета, т.е. скорость отрыва V _отр равнялась:

V _отр = 2 GRT/ С_{у отр} S Р, (2.1.9)

где G – вес самолета; S – площадь крыла в плане; С_{у отр} – коэффициент подъемной силы, соответствующий углу атаки, при котором самолет может безопасно оторваться от земли. Уравнение 2.9 показывает, что повышение температуры воздуха влечет за собой увеличение скорости отрыва. Изменение скорости отрыва приводит к изменению длины разбега и взлетной дистанции (например: при повышении температуры воздуха по сравнению со стандартной на 10⁰С у большинства реактивных самолетов при неизменных оборотах двигателя длина разбега увеличивается на 13%, а понижение температуры воздуха на 10ºС уменьшает длину разбега на 10%).

Температура оказывает влияние и на посадочную скорость, а, следовательно, и на длину пробега и посадочную дистанцию самолета. В общем виде влияние температуры воздуха на длину пробега при посадке выражается формулой:

L _проб. = L _{проб.ст.} (а + в DТ), (2.1.10)

где L _проб. – длина пробега; L _{проб.ст}– длина пробегапри стандартных условиях; а и в – эмпирические коэффициенты; DТ – разность между фактической и стандартной температурами.

Согласно расчетам отклонение температуры воздуха от стандартного значения на 10ºС изменяет длину пробега примерно на 3,5%.

Вопросы для самопроверки:

1. Какими путями происходит теплообмен в атмосфере?

2. Какую роль играют фазовые превращения воды в процессе перераспределения тепла в атмосфере?

3. Что называется температурой воздуха?

4. Какие существуют термометрические шкалы?

5. Каким образом проводится переход от температуры воздуха по шкале Цельсия к температуре воздуха по шкале Фаренгейта и наоборот?

6. Каким образом проводится переход от температуры воздуха по шкале Цельсия к температуре воздуха по шкале Кельвина и наоборот?

7. Чем обусловлены периодические и непериодические изменения температуры?

8. От чего зависит амплитуда суточного и годового хода температуры воздуха?

9. Что называется температурным градиентом?

10. Какие значения могут принимать горизонтальный и вертикальный температурные градиенты?

11. Какие задачи можно решить с помощью вертикального температурного градиента?

12. Что такое инверсия (изотермия)?

13. Как образуется радиационная, адвективная, фронтальная и инверсия сжатия?

14. Какое влияние оказывает температура воздуха на работу авиации?

15. Как зависит длина пробега самолета от температуры воздуха?

16. Как зависит длина разбега и взлетной дистанции от температуры воздуха?

17. Как влияет температура воздуха на предельно допустимую высоту полета работу?

18. Как влияет температура воздуха на тягу двигателя самолета?

Поиск по сайту: