1.5. Температура повітря

Температура повітря в кожній точці атмосфери безперервно змінюється. Біля поверхні Землі вона змінюється в широких межах: від майже +60°С (у тропічних пустелях) до майже -90°С (зимою в Центральній Антарктиді).

З висотою температура повітря в середньому знижується до висоти 10─15 км, потім зростає до висоти, приблизно, 50 км, потім знову спадає до висоти 85 км. Температура повітря вимірюється в градусах за шкалою Цельсія і позначається , а також у кельвінах (шкала Кельвіна – шкала абсолютної температури) і позначається буквою , причому, 1 =1°С; = 273,15 + .

Температура називається абсолютним нулем, вона відповідає температурі -273,15°С. При такій температурі повністю зупиняється тепловий рух молекул.

1.6. Густина повітря

Безпосередньо не вимірюється, а визначається з рівняння стану газів: . Знайдемо густину вологого повітря з температурою , тиском і парціальним тиском водяної пари . Можна представити вологе повітря як суміш сухого повітря і водяної пари. Із загального тиску повітря , на долю сухого повітря приходиться . Відповідно, для сухого повітря рівняння стану газів буде:

. (1.28)

Для водяної пари, що знаходиться в суміші, густина буде рівна:

, (1.29)

де 0,622 – коефіцієнт відношення молекулярних мас водяної пари і сухого повітря, отриманий на основі наступних співвідношень: _п =18,02 – молекулярна вага водяної пари, _с = 28,97 – молекулярна вага сухого повітря;

_п / _с = _с / _п = .

Оскільки, загальна густина вологого повітря рівна сумі густин сухого повітря і водяної пари, то і рівняння стану вологого повітря запишеться так:

. (1.30)

Рівняння (1.30) і є виразом для густини вологого повітря. Внаслідок малості відношення можна з достатнім наближенням прийняти, як

(по аналогії з алгебраїчним виразом , в якому при малому добуток буде близьким до одиниці, отримуємо ) і тоді рівняння стану вологого повітря матиме вигляд:

, (1.31)

де - віртуальна температура.

І, остаточно

, (1.32)

тобто густина вологого повітря описується рівнянням стану сухого повітря, лише із заміною істинної температури на віртуальну. Віртуальна температура вологого повітря є така температура, яку мало би мати сухе повітря, щоб його густина була б рівна густині даного вологого повітря з температурою , тиском і тиском водяної пари .

Віртуальна температура завжди є дещо більшою за істинну температуру вологого повітря, тобто . Як видно з рівняння (1.30), густина вологого повітря є дещо меншою за густину сухого повітря при тих же значеннях і .

Густина повітря в кожному місці безперервно змінюється з часом. Крім цього, вона змінюється з висотою, оскільки з висотою змінюються атмосферний тиск і температура повітря. Тиск з висотою завжди зменшується, разом з ним зменшується і густина згідно (1.32). Температура з висотою також зменшується, принаймні, у нижніх 10–15 км. Але з падінням температури (значення зменшується за абсолютною шкалою) збільшується густина . В результаті сумісного впливу зміни і з висотою величина змінюється не так швидко як величина .

В середньому для Європи: на висоті 0 км густина 1,25 кг/м³; на 5 км густина 0,74 кг/м³; на висоті 10 км густина 0,41 кг/м³; на 20 км густина 0,09 кг/м³; на висоті 300 км густина 10^-11 кг/м³ і т.д.

Якби густина повітря не змінювалась з висотою, а залишалась би на всіх рівнях сталою і рівною 1,25 кг/м³, то висота атмосфери, що створює такий же тиск як і реальний (1013 гПа), була б рівною приблизно 8000 м. Ця висота називається висотою однорідної атмосфери.