هوا و اقلیم شناسی، تهیه و تدوین امین علیزاده و همکاران، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد
هواشناسی عمومی، هوشنگ قائمی، انتشارات سازمان مطالعه و تدوین کتب علوم انسانی دانشگاهها (سمت)
هواشناسی عمومی، ترجمه جمشید شاهرخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی
اصول و مبانی هواشناسی کشاورزى، مترجم غلامعلی مظفرى، انتشارات نیک پندار
اصول هواشناسی، ترجمه و تالیف اردشیر فرهنگ، انتشارات سازمان هواشناسی کشور
آب و هواشناسی عملی، مترجم شهریار خالدی، نشر قومس
اقلیم شناسی سینوپتیک، بهلول علیجانی، انتشارات سازمان مطالعه و تدوین کتب علوم انسانی دانشگاهها
منابع:
ارزیابی
میان ترم 30 تا 35 درصد
پایان ترم 60 تا 65 درصد
ارزیابی کلاسی 5 تا 10 درصد
هوا و اقلیم شناسی
اجزا سیاره زمین:
لیتوسفر یا قسمت خشکی زمین
هیدروسفر یا قسمت آبی سیاره
اتمسفر(جو یا هواسپهر) یا جزء گازی زمین
آن بخش از علوم زمین را که به مطالعه اتمسفر یا جو سیاره زمین می پردازد، علوم اتمسفری (Atmospheric science) می نامند. شاخصترین این علوم "هواشناسی (Meteorology) " و "آب و هواشناسی (Climatology) " است.
تعریف هواشناسی و اقلیم شناسی:
هواشناسی: این علم تغییرات کوتاه مدت عناصر جوی مانند دما، رطوبت، بارندگی، فشار، باد، تشعشع و… را مورد بررسی قرار می دهد. دامنه زمانی بررسی های هواشناسی ممکن است از چند ساعت تا چند روز متغیر باشد.
اقلیم شناسی: این علم مطالعه و شناخت رفتار سازه های جوی در دراز مدت را مورد بررسی قرار می دهد. (حداقل میزان اطلاعات مورد نیاز جهت مطالعات اقلیمی، یک دوره آماری 30 ساله می باشد).
تفاوت هواشناسی (Meteorology) و اقلیم شناسی (آب و هواشناسی Climatology) 1- هواشناسی، هوا را و اقلیم شناسی، آب و هوا را شناسایی و تبیین می کند. 2- هواشناسی وضعیت جوی را به طور عام و برای یک لحظه بررسی می کند اما آب و هوا شناسی تیپ هوای غالب یک مکان معین را در دوره طولانی مطالعه و تفاوتهای آب و هوایی مکانها را کشف می کند. 3- هدف هواشناسی شناخت مطلق و عام اتمسفر و تغییرات آن است ولی در آب و هواشناسی سعی می شود با شناخت آب و هوای هر منطقه، تاثیرهای آب و هوایی آن بر روی فعالیتهای انسانی مشخص شود. 4- هواشناس وضع هوا را در کوتاه مدت پیش بینی می کند اما آب و هواشناس براساس عوامل به وجود آورنده آب و هوا، پدید آمدن آب و هوای خاصی را در مکانی خاص و با توجه به تاثیر آن در زندگی انسانها، پیش بینی می کند. 5- ابزار شناسایی و توجیه هواشناس، اصول و قوانین و مدلهای فیزیکی و دینامیکی است. اما ابزار آب و هواشناس، علاوه بر اصول علم هواشناسی، اصول و مفاهیم جغرافیای نیز هست.
تعریف عناصر اقلیمی و عوامل اقلیمی:
عناصر اقلیمی (عناصر جوی): پدیده هایی نظیر فشار، باد، درجه حرارت و بارندگی … عناصر اقلیمی هستند.
عوامل اقلیمی: عرض جغرافیایی، دوری و نزدیکی به دریاها، ارتفاع، ناهمواریها، مراکز پرفشار و کم فشار جزء عوامل اقلیمی هستند.
هواشناسی فیزیکی: بررسی ویژگیها و منشا تغییرات عوامل آب و هوا را مد نظر دارد.
هواشناسی دینامیکی: به مطالعه توده های هوا و بررسی عوامل انرژی مجموعه اتمسفر و یا جریانات اتمسفری می پردازد.
هواشناسی اتمسفر آزاد : پدیده های اتمسفر را از سطح زمین تا ارتفاعات بیشتر مطالعه می کند.
هواشناسی زیستی
هواشناسی کشاورزی
هواشناسی هوانوردی
هواشناسی مهندسی
هیدروکلیماتولوژی
برخی شاخه های علوم جوی
فصل اول
اتمسفر
اتمسفر
1- ترکیبات اتمسفر
2-مقیاس دما
3-ساختار حرارتی جو
4-چگالی اتمسفر
5- فشار اتمسفر
6-واحد های فشار و فشار در بالای سطح دریا
7-تغییرات عمودی در چگالی و فشار
اتمسفر در واقع یک نوع سیال است که اطراف کره زمین را احاطه نموده و از نظر اجزا تشکیل دهنده آن ( ابر ها)، پروفیل دما، فشار و حرکات افقی و عمودی (باد) مرتبا در حال تغییر است.
انرژی دریافتی زمین از خورشید همواره تحت تاثیر دو فاکتور خصوصیات اتمسفر و هندسه زمین-خورشید قرار دارد. در این جلسه تنها به خصوصیات اتمسفر می پردازیم که شامل موارد زیر است:
ترکیبات، ویژگی ها و آلاینده های جو زمین
ترکیبات اولیه جو زمین (هیدروژن و هلیم)
تکوین جو زمین: سرد شدن پوسته زمین ← آغاز فعالیت زمین از دیدگاه زمین شناسی ← وارد شدن گازهایی مانند N2، CO2 و H2O به جو زمین در اثر فعالیت های آتشفشانی ← خروج تدریجی گازهای H2 و He از حوزه گرانش زمین به علت سبکی ← کاهش فعالیت های آتشفشانی و سرد شدن تدریجی آتمسفر ← تراکم بخار آب و ریزش باران ← آغاز چرخه هیدرولوژی و پیدایش رودخانه ها، دریا و اقیانوس ← پیدایش گیاهان آبزی و انجام عمل فتوسنتز ← ورود O2 به جو زمین
گازهای ثابت
نیتروژن، اکسیژن، آرگن و …( 99 درصد ترکیبات اتمسفر تغییرات بسیار اندکی در مقیاس های زمانی مرتبط با آب و هوا دارند)
گازهای متغیر
دی اکسید کربن، بخار آب، ازن، متان اکسید نیتروژن و …(در تغییرات آب و هوایی و اقلیمی نقش بسیار مهمی دارند)
اجزای تشکیل دهنده اتمسفر
اجزای تشکیل دهنده اتمسفر
گاز های متغیر: دی اکسید کربن
گاز های متغیر: دی اکسید کربن
گاز های متغیر: بخار آب
بخشی از سیکل هیرولوژی است : غلظت بسیار متغیر است
توانایی جذب گرمای تشعشع یافته توسط زمین را دارد: گاز های گلخانه ای
انرژی خورشیدی ورودی به زمین را تحت تاثیر قرار می دهد
تاثیر زیادی بر گرمای نهان دارد ( تامین کننده انرژی لازم برای آشفتگی های اتمسفر)
احشام
تجزیه زباله های ارگانیک
تولید و انتقال گاز های طبیعی، نفت و ذغال سنگ
گاز های متغیر: متان
در دوسطح از جو وجود دارد:
1) در سطح نزدیک زمین: بعنوان آلودگی (دود)
2) درسطوح بالایی جو: ازن استراتوسفریک: تشعشع خورشیدی (uv) را جذب می کند.
ضخامت لایه ازن:
ضخامت استاندارد لایه ازن تقریبا 3 میلی متر است. لایه ازن در منطقه مداری 23/5 شمالی تا 23/5 درجه جنوبی نازک بوده اما در زمستان و بهار یک کاهش زیاد در مقدار مولکول های ازن در منطقه قطبی 60 تا 75 درجه جنوبی مشاهده می شود.
گاز های متغیر: ازن
ازن
ازن موجود در جو عموما در لایه استراتوسفر تمرکز یافته است (15 تا 35 کیلومتری سطح زمین). غلظت ازن در فاصله حدود 25 کیلومتری سطح زمین به بیشترین مقدار خود (12ppm) می رسد.
اشعه ماورای بنفش خورشید در لایه های 80 تا 100 کیلومتری سبب تجزیه اکسیژن می شود. این اتمهای جدا شده با مولکولهای اکسیژن ترکیب شده و گاز اُزن را تشکیل می دهند. گازن اُزن در ارتفاع 30 تا 60 کیلومتری که احتمال برخورد بین O و O2 زیاد است تشکیل می شود.
عوامل تخریب لایه ازن: گاز اکسید نیتریک حاصل از پرواز هواپیماهای مافوق صوت تجاری و حاصل از کاربرد کودهای شیمیایی ازته، گاز کلروفلوئورکربن حاصل از تولید قوطی های اسپری و گاز یخچال
منبع تولید و محل مصرف برخی از گازهای اتمسفر
نیتروژن
تولید: فرآیند تجزیه و از بین رفتن مواد گیاهی و جانوری
مصرف: عموما توسط باکتری های خاک
اکسیژن
تولید: فرآیند فتوسنتز
مصرف: تجزیه مواد آلی، فرآیند اکسیداسیون، سوخت مواد فسیلی و تنفس جانداران
دی اکسید کربن
تولید: فعالیت های آتشفشانی، سوخت کامل مواد فسیلی و یا اندام گیاهی، بازدم موجودات زنده و تنفس گیاهان
مصرف: فرآیند هوازدگی سنگها، فتوسنتز گیاهان، جذب توسط آب اقیانوس ها
آلاینده های گازی شکل جو زمین
منوکسید کربن
منبع: سوخت ناقص مواد فسیلی
مصرف: جذب بوسیله میکرو ارگانیسم های خاک
مواد آلی فرار (VOC)
مجموعه ای از ترکیبات آلی فرار که هیدروکربن ها قسمت اصلی آن می باشند. (مانند تولید متان در باتلاق ها و برنجزارها و سوخت های فسیلی در مناطق شهری)
هیدروکربن ها در مجاورت نور با ترکیبات نیتروژن دار و رطوبت هوا واکنش شیمیایی انجام می دهند که منجر به تولید گازها و مواد ذره ای شکل سمی می شوند.
اکسیدهای نیتروژن
تولید: واکنش شیمیایی بین گازهای نیتروژن و اکسیژن در محفظه احتراق موتور
مهم ترین آلاینده های نیتروژن دار: دی اکسید نیتروژن (NO2)و اکسید نیتریک (NO)
گاز NO2 در مجاورت نور خورشید موجب تولید ازن (O3) و ذرات ریز فتوشیمیایی خطرناک در هوای نزدیک سطح زمین می گردد.
اکسیدهای نیتروژن رطوبت هوا را جذب کرده و اسید نیتریک تولید می نمایند که موجب بارش های اسیدی می گردد.
اکسید سولفور (دی اکسید گوگرد، SO2)
تولید: سوخت مواد فسیلی گوگرد دار و فعالیت های آتشفشانی
افزایش غلظت این گاز در محیط های کشاورزی سبب صدمه دیدن برگهای گیاه و کاهش محصول می شود.
این گاز با رطوبت هوا ترکیب شده و اسید سولفوریک تولید می نمایند که تنفس این گاز باعث از بین رفتن سلول های ریه می گردد.
سولفید هیدروژن، H2S
تولید: ضایعات کارخانجات
سمیت این گاز به مراتب خطرناک تر از گازهای دیگر است. باعث بروز بیماریهای ریوی می شود.
دی سولفید کربن، CS2
تولید: صنایع کاغذ سازی
فلوئورید هیدروژن، HF
تولید: فرآیندهای صنعتی
بسیار خطرناک و خورنده است و با تراکمی کمتر از یک قسمت در میلیارد قادر است خسارات زیادی به گیاهان وارد کند.
آلاینده های ذره ای شکل (آئروسل ها)
ذرات ریزی که به صورت جامد یا مایع در فضا معلق می باشند.
منبع: انفجار آتشفشانها، آتش سوزی جنگلها، گرد و غبار حاصل از فرسایش بادی، ذرات نمک دریاها و فعالیت های صنعتی
آئروسل ها نقش مهمی در تغییر آب و هوای کره زمین دارند و موجب گرم شدن و سرد شدن اتمسفر زمین می گردند.
Particulates / Aerosols
اثر گلخانه ای جو زمین (Green-house effect)
گازهای گلخانه ای: دی اکسید کربن، بخار آب، متان
ساختار عمودی اتمسفر
ساختار عمودی اتمسفر می تواند از نظر تغییرات دما، فشارو چگالی مورد بحث قرار گیرد.
ابتدا دما و سپس چگالی و فشار مورد بحث قرار میگیرد. در نهایت با استفاده از قوانین علمی به ارتباط این سه متغیر می پردازیم.
.
سنجش دما
Fahrenheit (oF)
Water freezes at 32 oF and boils at 212 oF
Celsius (oC)
Water freezes at 0 oC and boils at 100 oC
Kelvin (K)
0K is known as ‘absolute zero’ – all molecular motion ceases
Water freezes at 273.15 K and boils at 373.15 K
سنجش دما
نیمرخ قائم دما در اتمسفر:
افتاهنگ دما (Lapse rate): در لایه تروپوسفر معمولا دما نسبت به ارتفاع کاهش می یابد. نرخ کاهش دما نسبت به ارتفاع را افتاهنگ دما گویند.
δ = ∆t/∆z
ساختار قائم دما
از نظر دمایی اتمسفر به چهار لایه
تقسیم می گردد:
1) Troposphere
2) Stratosphere
3) Mesosphere
4) Thermosphere
هر لایه با استفاده از یک منطقه انتقالی
جدا میگردد
ساختار دمایی اتمسفر : تروپسفر
تروپسفر
اختلاط ها و آشفتگی ها
80 درصد جرم اتمسفر
اکثر تغییرات اب و هوایی
کاهش دما با ارتفاع
گرم شدن جو پایینی از زیر
کاهش دمای 6 تا 7 درجه سانتیگراد
تغییر ضخامت در موقعیت های جغرافیایی
(در استوا 16 و در قطب ها 8 کیلومتر)
ساختار دمایی اتمسفر : استراتوسفر
اختلاط ها و آشفتگی های عمودی اندک
دما تا ارتفاع 20 کیلومتر ثابت است
افزایش شدید دما تا ارتفاع 50 کیلومتر
افزایش دما با ارتفاع (وارونگی دما)
علت: جذب اشعه های خورشیدی
( ماورای بنفش) توسط مولکولهای
ازن
ساختار دمایی اتمسفر : مزوسفر
بالای این لایه سردترین منطقه اتمسفر
دما تا ارتفاع 20 کیلومتر ثابت است
کاهش شدید دما تا ارتفاع 87کیلومتر
کاهش دما با ارتفاع
99درصد جرم گاز ها در زیر لایه استراتوپوز
ساختار دمایی اتمسفر : ترموسفر
مرز بالایی این لایه مشخص نیست
مقدار ناچیزی از گاز ها در این لایه وجود دارد کیلومتر ثابت است
افزایش دما با ارتفاع
علت: جذب اشعه های خورشیدی
( ماورای بنفش) توسط مولکولهای
اکسیژن و نیتروژن
چگالی اتمسفر
چگالی با ارتفاع کاهش می یابد:
1) نیروی جاذبه با فاصله مرتبط است
(مولکول های هوا که به سطح نزدیکتر هستند،
نیروی جاذبه قویتری را تجربه میکنند)
2) هوا قابل تراکم است
( تعداد ثابتی از مولکولهای هوا
حجمهای متفاوتی را اشغال میکند)
با فرض ثابت بودن دما با ارتفاع، چگالی طبق معادله زیر با ارتفاع در ارتباط است:
where:
z is the height in meters
T is temperature in Kelvin
ρ0 is the density at the surface (1 225 kg/m3 )
ρ is the density at height z
a is a constant (0.040 K/m)
Worked Example
چگالی اتمسفر
چگالی هوا در ارتفاع 2 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟
چگالی اتمسفر
چگالی هوا در ارتفاع 2 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟
چگالی در ارتفاع 2 کیلومتری، 76 درصد مقدار آن در سطح زمین است
چگالی اتمسفر
فشار نیروی حاصل از جرم مولکولهای هوا
در واحد سطح زمین را گویند:
مرتبط با چگالی لست
بصورت نمایی با ارتفاع کاهش می یابد
متوسط فشار هوا در سطح آزاد دریا:
101325 Pa or 101.325 kPa
در هواشناسی واحد های زیر استفاده می شود:
millibars (mb) (1 mb=100 Pa): 101325 Pa
101.325 kPa
1013.25 mb
29.92 inches of mercury
فشار اتمسفر
نیمرخ قائم فشار هوا:
فشار نیروی حاصل از جرم مولکولهای هوا بر واحد سطح زمین را گویند که برابر با وزن مولکولهای ستون هوای قرار گرفته بر بالای یک سطح می باشد.
تغییرات جرم مخصوص و فشار هوا نسبت به ارتفاع مشابه بوده و با افزایش ارتفاع کاهش می یابند.
نرخ کاهش به ازاء یک واحد افزایش ارتفاع، در نزدیکی سطح زمین زیاد بوده و در سطوح فوقانی آهنگ آهسته تری به خود می گیرد.
به عنوان مثال اگر فشار هوا در سطح زمین 1000mb باشد، این مقدار در ارتفاعهای 5/5، 9 و 50 کیلومتری از سطح زمین بترتیب به مقادیر تقریبی 500، 300 و 1 میلی بار کاهش می یابد.
بدلیل ارتباط فشار با چگالی، با فرض ثابت بودن دما با ارتفاع، فشار طبق معادله زیر با ارتفاع در ارتباط است:
where:
z is the height in meters
T is temperature in Kelvin
P0 is the pressure at the surface (101.325 kPa)
P is the pressure at height z
a is a constant (0.0342 K/m)
Worked Example
فشار اتمسفر
فشار اتمسفر
فشار هوا در ارتفاع 5 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟
فشار اتمسفر
فشار هوا در ارتفاع 5 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟
فشار در این ارتفاع نصف فشار درسطح زمین است
دلیل دیگر مبنی بر اینکه اغلب جرم اتمسفر در لایه نزدیک سطح زمین است
قانون گازها
Ideal Gas Law
where:
P is pressure ( Pa)
ρ is density ( )
T is temperature (K)
R is the gas constant (assuming dry air)
خلاصه
• اتمسفر از گازهای ثابت( اغلب اکسیژن و نیتروژن) ، گاز های متغیر، ذرات معلق و آئروسل ها تشکیل یلفته است. گازهای متغیر در تغییرات آب و هوایی ، هواشناسی و اقلیم شناسی بیسار مهم هستند.
CO2 (carbon dioxide), H20 vapor, CH4 (methane), and O3 (ozone).
• از نظر پروفیل عمودی دما، اتمسفر به 4 لایه تقسیم می شود که اغلب تغییرات آب و هوایی در لایه تروپسفر رخ می دهد
متوسط فشار اتمسفر در سطح آزاد دریا ها 1013 میلی بار است
فشار و چگالی بصورت نمایی با ارتفاع کاهش می یابند که نشان دهنده این واقعیت است که اکثر جرم هوا در لایه نزدیک به سطح زمین تجمع یافته است
قانون ایده آل گازها رابطه دما، فشار و چگالی را تشریح می کند