هوا و اقلیم شناسی

هوا و اقلیم شناسی

اسلاید 1: هوا و اقلیم شناسی، تهیه و تدوین امین علیزاده و همکاران، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهدهواشناسی عمومی، هوشنگ قائمی، انتشارات سازمان مطالعه و تدوین كتب علوم انسانی دانشگاهها (سمت)هواشناسی عمومی، ترجمه جمشید شاهرخی، انتشارات مركز نشر دانشگاهیاصول و مباني هواشناسي كشاورزى، مترجم غلامعلي مظفرى، انتشارات نيك پنداراصول هواشناسی، ترجمه و تالیف اردشیر فرهنگ، انتشارات سازمان هواشناسی كشورآب و هواشناسی عملی، مترجم شهریار خالدی، نشر قومساقلیم شناسی سینوپتیك، بهلول علیجانی، انتشارات سازمان مطالعه و تدوین كتب علوم انسانی دانشگاهها منابع:ارزیابیمیان ترم 30 تا 35 درصدپایان ترم 60 تا 65 درصدارزیابی کلاسی 5 تا 10 درصدهوا و اقليم شناسي

اسلاید 2: اجزا سیاره زمین: لیتوسفر یا قسمت خشکی زمینهیدروسفر یا قسمت آبی سیارهاتمسفر(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) می‌نامند. شاخصترین این علوم هواشناسی (Meteorology) و آب و هواشناسی (Climatology) است.

اسلاید 3: 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).

اسلاید 4: تفاوت هواشناسی (Meteorology) و اقلیم شناسی (آب و‌هواشناسی 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 هوا‌شناسی 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 می‌شود با شناخت آب و هوای هر منطقه، تأثیرهای آب و هوایی آن بر روی فعالیتهای انسانی مشخص شود. 4- هواشناس وضع هوا را در کوتاه مدت پیش‌بینی 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.

اسلاید 5: 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.

اسلاید 6: هواشناسی فیزیکی: بررسی ویژگیها و منشا تغییرات عوامل آب و هوا را مد نظر دارد. هواشناسی دینامیکی: به مطالعه توده‌های هوا و بررسی عوامل انرژی مجموعه اتمسفر و یا جریانات اتمسفری می‌پردازد. هواشناسی اتمسفر آزاد : پدیده‌های اتمسفر را از سطح زمین تا ارتفاعات بیشتر مطالعه می‌کند. هواشناسی زیستی هواشناسی کشاورزی هواشناسی هوانوردی هواشناسی مهندسی هیدروکلیماتولوژی برخی شاخه های علوم جوی

اسلاید 7: فصل اولاتمسفر

اسلاید 8: اتمسفر1- ترکیبات اتمسفر2-مقیاس دما3-ساختار حرارتی جو4-چگالی اتمسفر 5- فشار اتمسفر6-واحد های فشار و فشار در بالای سطح دریا7-تغییرات عمودی در چگالی و فشاراتمسفر 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:

اسلاید 9: ترکیبات، ویژگی ها و آلاینده های جو زمینترکیبات 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

اسلاید 10: گازهای ثابتنیتروژن، اکسیژن، آرگن و ...( 99 درصد ترکیبات اتمسفر تغییرات بسیار اندکی در مقیاس های زمانی مرتبط با آب و هوا دارند)گازهای متغیردی اکسید کربن، بخار آب، ازن، متان اکسید نیتروژن و ...(در تغییرات آب و هوایی و اقلیمی نقش بسیار مهمی دارند)اجزای تشکیل دهنده اتمسفر

اسلاید 11: اجزای تشکیل دهنده اتمسفر

اسلاید 12: گاز های متغیر: دی اکسید کربن

اسلاید 13: گاز های متغیر: دی اکسید کربن

اسلاید 14: گاز های متغیر: بخار آب بخشی از سیکل هیرولوژی است : غلظت بسیار متغیر استتوانایی جذب گرمای تشعشع یافته توسط زمین را دارد: گاز های گلخانه ایانرژی خورشیدی ورودی به زمین را تحت تاثیر قرار می دهد تاثیر زیادی بر گرمای نهان دارد ( تامین کننده انرژی لازم برای آشفتگی های اتمسفر)

اسلاید 15: احشامتجزیه زباله های ارگانیکتولید و انتقال گاز های طبیعی، نفت و ذغال سنگ گاز های متغیر: متان

اسلاید 16: 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

اسلاید 17: ازنازن 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. اشعۀ 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

اسلاید 18: منبع تولید و محل مصرف برخی از گازهای اتمسفر نیتروژنتولید: فرآیند تجزیه و از بین رفتن مواد گیاهی و جانوریمصرف: عموما توسط باکتری های خاک اکسیژنتولید: فرآیند فتوسنتزمصرف: تجزیه مواد آلی، فرآیند اکسیداسیون، سوخت مواد فسیلی و تنفس جانداران دی اکسید کربنتولید: فعالیت های آتشفشانی، سوخت کامل مواد فسیلی و یا اندام گیاهی، بازدم موجودات زنده و تنفس گیاهانمصرف: فرآیند هوازدگی سنگها، فتوسنتز گیاهان، جذب توسط آب اقیانوس ها

اسلاید 19: آلاینده های گازی شکل جو زمینمنوکسید کربن منبع: سوخت ناقص مواد فسیلی مصرف: جذب بوسیله میکرو ارگانیسم های خاکمواد 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.

اسلاید 20: اکسیدهای نیتروژنتولید: واکنش شیمیایی بین گازهای نیتروژن و اکسیژن در محفظه احتراق موتورمهم 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.

اسلاید 21: اکسید سولفور (دی اکسید گوگرد، SO2)تولید: سوخت مواد فسیلی گوگرد دار و فعالیت های آتشفشانیافزایش 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.

اسلاید 22: سولفید هیدروژن، H2Sتولید: ضایعات کارخانجاتسمیت این گاز به مراتب خطرناک تر از گازهای دیگر است. باعث بروز بیماریهای ریوی می شود.دی سولفید کربن، CS2تولید: صنایع کاغذ سازیفلوئورید هیدروژن، HF تولید: فرآیندهای صنعتیبسیار خطرناک و خورنده است و با تراکمی کمتر از یک قسمت در میلیارد قادر است خسارات زیادی به گیاهان وارد کند.

اسلاید 23: 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 صنعتیآئروسل ها نقش مهمی در تغییر آب و هوای کره زمین دارند و موجب گرم شدن و سرد شدن اتمسفر زمین می گردند.

اسلاید 24: Particulates / Aerosols

اسلاید 25: اثر گلخانه ای جو زمین (Green-house effect)

اسلاید 26: گازهای گلخانه ای: دی اکسید کربن، بخار آب، متان

اسلاید 27:

اسلاید 28: ساختار عمودی اتمسفرساختار 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. .

اسلاید 29: سنجش دماFahrenheit (oF)Water freezes at 32 oF and boils at 212 oFCelsius (oC)Water freezes at 0 oC and boils at 100 oCKelvin (K)0K is known as ‘absolute zero’ – all molecular motion ceasesWater freezes at 273.15 K and boils at 373.15 K

اسلاید 30: سنجش دما

اسلاید 31: نیمرخ قائم دما در اتمسفر:افتاهنگ دما (Lapse rate): در لایه تروپوسفر معمولا دما نسبت به ارتفاع کاهش می‌یابد. نرخ کاهش دما نسبت به ارتفاع را افتاهنگ دما گویند. δ = ∆t/∆z

اسلاید 32: ساختار قائم دما از نظر دمایی اتمسفر به چهار لایه تقسیم می گردد:1) Troposphere2) Stratosphere3) Mesosphere4) Thermosphereهر لایه با استفاده از یک منطقه انتقالی جدا میگردد

اسلاید 33: ساختار دمایی اتمسفر : تروپسفرتروپسفراختلاط ها و آشفتگی ها 80 درصد جرم اتمسفراکثر تغییرات اب و هواییکاهش دما با ارتفاعگرم 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)

اسلاید 34: ساختار دمایی اتمسفر : استراتوسفراختلاط ها و آشفتگی های عمودی اندکدما تا ارتفاع 20 کیلومتر ثابت استافزایش شدید دما تا ارتفاع 50 کیلومترافزایش دما با ارتفاع (وارونگی دما)علت: جذب اشعه های خورشیدی ( ماورای بنفش) توسط مولکولهای ازن

اسلاید 35: ساختار دمایی اتمسفر : مزوسفربالای این لایه سردترین منطقه اتمسفردما تا ارتفاع 20 کیلومتر ثابت استکاهش شدید دما تا ارتفاع 87کیلومترکاهش دما با ارتفاع 99درصد جرم گاز ها در زیر لایه استراتوپوز

اسلاید 36: ساختار دمایی اتمسفر : ترموسفرمرز بالایی این لایه مشخص نیستمقدار ناچیزی از گاز ها در این لایه وجود دارد کیلومتر ثابت استافزایش دما با ارتفاععلت: جذب اشعه های خورشیدی ( ماورای بنفش) توسط مولکولهای اکسیژن و نیتروژن

اسلاید 37: چگالی اتمسفرچگالی 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)

اسلاید 38: با فرض ثابت بودن دما با ارتفاع، چگالی طبق معادله زیر با ارتفاع در ارتباط است:where: z is the height in metersT is temperature in Kelvinρ0 is the density at the surface (1 225 kg/m3 )ρ is the density at height za is a constant (0.040 K/m)Worked Exampleچگالی اتمسفر

اسلاید 39: چگالی هوا در ارتفاع 2 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟چگالی اتمسفر

اسلاید 40: 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 استچگالی اتمسفر

اسلاید 41: فشار نیروی حاصل از جرم مولکولهای هوا در واحد سطح زمین را گویند:مرتبط با چگالی لستبصورت نمایی با ارتفاع کاهش می یابدمتوسط فشار هوا در سطح آزاد دریا:101325 Pa or 101.325 kPaدر هواشناسی واحد های زیر استفاده می شود:millibars (mb) (1 mb=100 Pa): 101325 Pa101.325 kPa1013.25 mb29.92 inches of mercuryفشار اتمسفر

اسلاید 42: 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.

اسلاید 43:

اسلاید 44: 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 metersT is temperature in KelvinP0 is the pressure at the surface (101.325 kPa)P is the pressure at height za is a constant (0.0342 K/m)Worked Exampleفشار اتمسفر

اسلاید 45: فشار اتمسفر فشار هوا در ارتفاع 5 کیلومتری در صورتی که یک دمای یکنواخت 15 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد؟

اسلاید 46: 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 استدلیل دیگر مبنی بر اینکه اغلب جرم اتمسفر در لایه نزدیک سطح زمین است

اسلاید 47: 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)

اسلاید 48: 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 دهدمتوسط فشار اتمسفر در سطح آزاد دریا ها 1013 میلی بار استفشار 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