UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TRGOVITE

MASTER METODE FIZICO-CHIMICE DE ANALIZ I CONTROL A CALITII VIEII I A MEDIULUI

FIZICA MEDIULUI I CLIMATOLOGIE

COOSDONATOR:CONF. DR. CLAUDIA STIHI

MASTERAND:CIOCU (ALEXANDROV) CONSTANAMARIADINAMICA ATMOSFEREI

Dinamica atmosferei sau meteorologia dinamic se ocup cu studiul micrii aerului stabilind legile de micare a maselor de aer din atmosfer ct i metode de rezolvare a ecuaiilor de micare n scopul de a prevedea evoluia viitoare a vremii. Deoarece este un sistem fluid, atmosfera este sediul tuturor tipurilor de micare, de la turbioanele foarte mici, cu dimensiuni sub un metru, la circulaia global, prin undele planetare. Micarea aerului influeneaz componentele atmosferei cum ar fi vaporii de ap, norii, etc., poate redistribui masele de aer i constituenii atmosferei ntr-o varietate infinit de configuraii complexe. Diferitele mrimi fizice care caracterizeaz starea atmosferei: presiune, densitate, temperatur, vitez etc., au o valoare unic n fiecare punct al fluidului atmosferic. n dinamica atmosferei, ca i n mecanica fluidelor, se utilizeaz conceptul de particul. Particula atmosferic se definete ca fiind volumul de fluid atmosferic n interiorul cruia nu pot fi puse n eviden neuniformiti ale parametrilor fizici (p,T, V etc.) i ale parametrilor mecanici (vitez, acceleraie etc.). Dimensiunea particulei atmosferice este subordonat scrii la care se efectueaz analiza propus, scar ce va satisface dou cerine eseniale: -s fie destul de mare pentru ca fenomenele i procesele studiate s se prezinte sub o form suficient de simpl pentru a fi accesibile mijloacelor de investigaie folosite;-s fie destul de redus (mic) pentru a nu permite s se neglijeze detaliile eseniale ale fenomenelor i proceselor analizate.Pentru descrierea micrilor atmosferice se folosesc scri spaio-temporale prezentate n tabelul 1.

TABELUL 1 Denumirea scriiScara de timpLungimea de scarExemple de micri

Circulaia generalDe la sptmni la aniDe la 1000 la 40000 kmUndele planetare, vnturile de vest

Scara sinopticDe la zile la sptmniDe la 100 la 5000 kmCiclonii, Anticiclonii, huricane

MezoscaraDe la minute la zileDe la 1 la 100 km Brizele marine, furtuni i tornade

MicroscaraDe la secunde la minuteSub 1 kmTurbulena

Cele mai mari scri, cea a circulaiei generale i sinoptic, constituie circulaia la scar mare sau macroscar. Scara sinoptic este proprie analizei micrii generale a atmosferei i evidenierii distribuiei parametrilor meteorologici pe spaii largi. Ciclonii i anticiclonii sunt elemente importante ale circulaiei la latitudini medii. Curgerea aerul n acestea este n principal o curgere orizontal cu micri verticale modeste. Vntul la mezoscar i microscar influeneaz arii mai mici i prezint curgeri verticale extinse care pot fi foarte rapide, cum se ntmpl ntr-o furtun n dezvoltare. Curgerea aerului este foarte complex, mai complicat dect curgerea apei ntr-un ru cu vrtejuri de toate dimensiunile care se suprapun peste curgerea propriu zis. n curgerea aerului, fiecare scar de micare este legt de celelalte scri. Fore care acioneaz asupra particulei de aer

Micrile din atmosfer sunt guvernate de legile fundamentale din fizic: legea de conservare a masei, impulsului i energiei. Legea a II-a a lui Newton pentru micare arat c, acceleraia unui corp de mas unitate ntr-un sistem de coordonate fixat n spaiu este suma tuturor forelor care acioneaz asupra corpului.

Sistemul de coordonate utilizat n dinamica atmosferei-sistemul geocentricSistemul de referin utilizat n dinamica atmosferei este sistemul geocentric, sistemul cu axele de coordonate orietate astfel: Ox-de la vest la est, tangent la cercul paralel, Oy-de la sud la nord tangent la meridian i axa Oz-de jos n sus, de-a lungul razei Pmntului. Micarea de-a lungul axei Ox se numete zonal, de-a lungul axei Oy meridional i de-a lungul axei Oz vertical.Pentru micrile din atmosfer de interes meteorologic, forele fundamentale care acioneaz asupra particulei de aer de mas unitate sunt: fora de gradient baric, fora gravitaional i fora de frecare. ntruct micarea este observat dintr-un sistem de referin fixa de Pmntul n rotaie (sistem neinerial), trebuie s se introduc forele aparente (de inerie): fora Coriolis i fora centrifug. Fora de gradient baricVariaia presiunii n atmosfer se caracterizeaz prin gradientul baric, gradientul de presiune, care este egal cu variaia presiunii pe unitatea de distan, n direcia n care presiunea scade mai repede.

Fora gravitaionalLegea atraciei gravitaionale arat c oricare dou elemente de mas din univers se atrag cu o for proporional cu masele lor i invers proporional cu ptratul distanei dintre ele. Fora de atracie gravitaional

Fora de frecareAproape jumtate din energia de frecare disipat n atmosfera Pmntului se manifest n troposfera joas, datorit apropierii de suprafaa Pmntului. Aceast regiune este cunoscut ca stra limit. Restul energiei se produce la niveluri mai nalte deasupra munilor sau n apropierea curenilor jet n troposfera superioar. Fora centrifug i gravitaiaLegea a doua a lui Newton poate fi aplicat micrii, relativ la un sistem de coordonate fixat n spaiu. Este normal cnd se descrie micarea s se foloseasc un sistem de referin geocentric, care este unul fixat ntr-un punct de pe suprafaa Pmntului. Fiind vorba de un sistem de referin neinerial, n legea lui Newton se introduc forele ineriale: fora centrifug i fora Coriolis. Fora centrifug trebuie s fie inclus printre forele care acioneaz asupra corpului n repaus ntr-un sistem n micare de rotaie. Greutatea unei particule n repaus pe suprafaa Pmntului va fi n general mai mic dect fora gravitaional datorit forei centrifuge.Se observ c, datorit forei centrifuge, gravitaia, exceptnd polii i ecuatorul nu este ndreptat ctre centrul Pmntului. Fora Coriolis Fora Coriolis este cea mai important dintre forele aparente i se numete astfel dup numele fizicianului, inginerului i matematicianului francez G. C. de Coriolis (1792-1843). Presupunem c un corp este n micare uniform n raport cu un sistem de coordonate neinerial. Dac corpul este observat dintr-un sistem cu axa de rotaie perpendicular pe planul micrii, traiectoria va fi curbat. Cnd corpul este obsevat dintr-un sistem de coordonate care se rotete, fora aparent abate corpul n micare de la traiectoria n linie dreapt. Traiectoria este curbat n sens opus sensului de rotaie a sistemului de coordonate. Fora deviatoare este fora Coriolis, for ce acioneaz i asupra particulelor atmosferice i poate s schimbe numai direcia de micare a aerului, nu i mrimea vitezei.

Micarea vzut dintr-un sistem de referin inerial (linia dreapt) dintr-un sistem de rotaie (curba).

Efectul Coriolis, se manifest prin aceea c n Emisfera Nordic obiectele n micare i curenii atmosferici i marini sunt deviai spre dreapta iar n Emisfera Sudic sunt deviai spre stnga.

Vntul geostrofic-la peste 600 m, unde frecarea este neglijabil, acest vnt va sufla paralel cu izobarele.

Un efect vizibil al aciunii forei Coriolis este dat de apele curgtoare, la care se produce eroziunea malurilor drepte, respectiv stngi, n funcie de emisfer. Pentru curgerea geostrofic, gradientul presiunii este perpendicular pe viteza vntului i ctre valori mici ale presiunii n sens opus forei Coriolis care este dirijat ctre valori mari ale presiunii. Aceast relaie ntre direcia vntului i distribuia presiunii a fost pentru prima dat formulat de meteorologul danez Ballot, n 1857. Legea lui Ballot stipuleaz: n Emisfera Nordic dac stai cu faa pe direcia i n sensul n care sufl vntul, valorile mici ale presiunii rmn la stnga iar cele ridicate rmn la dreapta. n Emisfera Sudic situaia este invers, ntruct deviaia datorit forei Coriolis este la stnga. n atmosfera real vntul nu este niciodat pur geostrofic. Idealizarea curgerii geostrofice este important pentru c reprezint o bun aproximaie a cmpului vnt. Prin msurarea cmpului presiunii, meteorologii pot determina att direcia ct i viteza vntului.

Micrile aerului. Vntul

Datorit fluiditii sale aerul poate avea micri orizontale, verticale sau nclinate. Micarea orizontal a aerului se numete vnt. Micrile verticale i nclinate se numesc cureni atmosferici. Vntul este provocat de diferna de presiune (pe orizontal) dintre dou zone atmosferice. Aceste diferene exist att la nivelul solului ct i la nlime. Cauza principal a acestor diferene o constituie nclzirea inegal a sprafeei terestre deci i a maselor de aer din vecintatea acestora. Mrimile ce definesc vntul sunt: direcia, viteza i intensitatea. Prin direcie, n meteorologie se nelege direcia de unde sufl vntul i se msoar prin unghiul pe care-l face nordul geografic cu sensul de deplasare al vntului, utilizndu-se roza vnturilor.Roza vnturilorDirecia vntului este indicat la sol de giruet, iar n nlime cu ajutorul baloanelor sau a radiosondelor. Viteza vntului se msoar instrumental cu ajutorul giruetelor, anemometrelor, anemografelor i se exprim n m/s sau km/h. Datorit frecrii, viteza vntului este mai mic la contactul cu solul i crete cu altitudinea (la 25-30 m este dubl fa de valoarea la sol).

a) anemometru b) giruetaIntensitatea sau tria vntului este fora de apsare exercitat de vnt asupra unei suprafee perpendiculare pe direcia sa i se msoar n N/m ptrat n SI, iar n practic n kgf/m ptrat. Intensitatea vntului se poate aprecia i prin vitez i prin aa numitele grade Beaufort, stabilite dup efectele mecanice pe care le produce vntul asupra corpurilor de pe sol. Scara Beaufort are 13 grade de trie, notate de la 0 la 12. Scara Beaufort de msurare a intensitii vntului Grade BeaufortEfectul vntuluiViteza m/sViteza km/hCaracteristici observabile

0Calm0-0,50-1Fumul se ridic vertical

1Aproape linitit0,6-1,72-6Fumul este purtat de vnt

2Puin vnt1,8-3,37-12Se simte vntul pe fa. Fonesc frunzele

3Vnt slab3,4-5,213-18Frunzele i crenguele sunt n micare

4Vnt potrivit5,3-7,419-26Se ridic praf i buci de hrtie

5Vnt puin tare7,5-9,827-35Copacii mici se balanseaz. Pe ape apar unde

6Vnt destul de tare9,9-12,436-44Agit crengi mari. Srmele de telegraf uier.

7Vnt tare12,5-15,245-54Agit copaci ntregi. Se nainteaz cu greutate.

8Vnt puternic15,3-18,255-65Rupe crengue de copaci. Nu se poate nainta.

9Vijelie18,3-21,566-77Provoac avarii mici construciilor.

10Vijelie puternic21,6-25,178-90Provoac avarii nsemnate construciilor. Smulge copaci.

11Tempest25,2-2991-104Rar ntlnit. Distrugeri lea scar mare.

12UraganPeste 29Peste104Calamitate natural.

La suprafaa terstr, vntul i schimb mereu mrimea i direcia vitezei, cauza acestor fluctuaii fiind turbulena. Dup amplitudinea variaiilor de direcie i de mrime ale vitezei, vntul poate avea structur laminar, turbulent sau n rafale. Vntul laminar const n deplasarea orizontal a aerului, cu mrimea i direcia vitezei constante; n stratul de frecare, structura laminar caracterizeaz vntul extrem de rar, numai la viteze mici i cnd suprafa terestr este neted. Vntul turbulent se caracterizeaz prin schimbri frecvente ale mrimii i direciei vitezei; datorit frecrii cu suprafaa terestr, n curentul de aer apar vrtejuri cu dimensiuni i orientri diferite, fenomen cunoscut sub numele de turbulen dinamic (ziua se manifest turbulena termic). Vntul n rafale este caracterizat prin schimbri brute i frecvente ale mrimii i direciei vitezei; schimbrile repetate ale mrimii vitezei, n intervale de timp foarte mici, pot s ating valori extrem de mari. Vnturile se mai clasific n: -vnturi regulate (alizeele, vnturile de vest, vnturile polare)- bat tot timpul anului din aceeai direcie i cu aproximativ aceeai vitez;-vnturi periodice (musonii, brizele)- i schimb direcia la un anumit interval de timp;-vnturi locale (tornada, pamperas, bora, mistralul,etc.)- carcteristice anumitor zone. Apar instantaneu fr a avea o anumit perioad cnd acioneaz.

Distribuia i direcia vnturilor regulate (M-zonele de max pres.; D-zonele de min pres.)PRESIUNEA ATMOSFERIC

Aerul atmosferic exercit o for asupra suprafeelor obiectelor cu care este n contact. Prin definiie presiunea este o mrime fizic numeric egal cu fora de apsare pe unitatea de suprafa. Presiunea atmosferic, la un anumit nivel n atmosfer, reprezint raportul ntre greutatea coloanei de aer cuprins ntre nivelul respectiv i limita superioar a atmosferei i aria suprafeei seciunii transversale a coloanei de aer considerate. n SI unitatea de msur pentru presiune este 1N/m ptrat= 1Pascal=1Pa. n meteorologie ca unitate de msur a presiunii se utilizeaz milibarul (mb) i milimetrul coloan de mercur (mmHg) numit i torr (dup fizicianul i matematicianul italian Torricelli).1mbar = 3/4mmHg; 1mmHg = 4/3mbar1mbar =100N/m ptrat= 100Pa =1hPa (hectopascal)Presiunea atmosferic normal reprezint valoarea presiunii atmosferice la nivelul mediu al mrii, la 45 grade latitudine i la temperatura aerului de 0 grade Celsius; valoarea sa este de 760 mmHg (1013mbar). Mrimea presiunii exercitat de moleculele gazelor care compun aerul atmosferic depinde de masa moleculelor, de gravitaie i de energia cinetic a moleculelor. Presiunea atmosferic variaz i cu altitudinea i n direcia orizontal. Datorit comprimrii aerului atmosferic de ctre gravitaie, densitatea aerului este maxim la suprafaa terestr i scade cu creterea altitudinii; la altitudinea de 16 Km densitatea aerului reprezint numai 10 la sut din valoarea de la nivelul mediu al mrii.Se poate specifica faptul c jumtate din masa atmosferei se gsete cuprins ntre suprafaa terestr i nlimea de 5,5 Km, iar 99 la sut pn la 32Km.Variaia presiunii aerului pe orizontal Presiunea atmosferic difer de la un loc la altul, iar aceste variaii nu se datoreaz ntotdeauna diferenelor de altitudine. Staiile meteorologice fac n mod curent o corecie de altitudine a msurtorilor de presiune atmosferic i obin, ca urmare, acea valoare a presiunii atmosferice care s-ar msura dac staia ar fi situat la nivelul mediu al mrii (corecia este numit reducere la nivelul mrii, iar valoarea obinut, presiune redus). Dup ce toate staiile fac aceast reducere la nivelul mrii, presiunea atmosferic variaz de la un loc la altul i prezint fluctuaii de la o zi la alta i chiar de la o or la alta. La altitudini mijlocii, vremea este dominat de o procesiune continu a unor mase de aer diferite care determin schimbri ale presiunii i ale vremii. O mas de aer este un volum uria de aer care este relativ uniform ca temperatur i concentraie a vaporilor de ap. Atunci cnd o mas de aer se deplaseaz dintr-un loc n altul, presiunea la suprafaa terestr scade sau crete i vremea se schimb. Ca regul general, vremea se nrutete atunci cnd presiunea scade i se mbuntete atunci cnd presiunea crete. Scderea densitii aerului are ca urmare micorarea presiunii exercitate de ctre aer. Aerul cald este mai uor dect aerul rece, ca urmare, exercit o presiune mai mic. Molecula vaporilor de ap este mai uoar dect masa medie a moleculelor gazelor care compun aerul atmosferic. Cnd moleculele de ap ajing n aer prin evaporare, ele nlocuiesc molecule mai grele i fac amestecul mai uor.Aadar, cu ct este mai mare coninutul n vapori de ap al aerului, cu att aerul este mai puin dens. La volume i temperaturi egale, o mas de aer umed exercit o presiune mai mic dect o mas de aer relativ uscat. Masele de aer rece i uscat sunt nsoite de presiuni mai mari la suprafaa terestr dect masele de aer cald i umed. Aerul cald, uscat determin presiuni mai mari dect o mas de aer la fel de cald dar mai umed. nlocuirea unei mase de aer cu alta pote nsemna modificri ale presiunii atmosferice i ale vremii, dar presiunea atmosferic la suprafa poate prezenta fluctuaii chiar fr schimbarea maselor de aer, deoarece presiunea atmosferic poate s scad sau s creasc dup cum aerul este nclzit sau rcit local. Pe lng modificrile presiunii atmosferice determinate de variaii ale temperaturii i coninutului n vapori de ap, presiunea poate fi influenat de tipul de circulaie a aerului. Vnturile divergente fa de un punct central de la suprafaa terestr determin, n centru, coborrea aerului de la nlime, acesta lund locul aerului divergent; dac la suprafa diverge mai mult aer dect coboar de sus, densitatea aerului i presiunea scad. n cazul vnturilor convergente ctre un punct de pe suprafaa terestr, dac converge mai mult aer dect urc spre altitudini mai mari, atunci densitatea aerului i presiunea cresc.

Variaia presiunii aerului pe vertical-formula barometric.Scara de nivel.

Presiunea la baza atmosferei este datorat greutii atmosferei. Densitatea aerului scade rapid cu nlimea.

Cilindrul atmosferic pentru determinarea variaiei presiunii atmosferice cu nlimea

Temperatura variaz cu altitudinea. Cnd vremea este rece, scara de nivel este mai joas, adic, presiunea atmosferei scade mult mai rapid cu nlimea. Aceasta are ca efect c liniile de presiune constant n atmosfer se nclin descendent ctre poli, n special iarna. Hri izobarice. Formaiuni barice Fiecare punct al atmosferei se caracterizeaz printr-o anumit valoare a presiunii atmosferice exprimat n milibari. Repartiia spaial a presiunii armosferice se poate reprezenta prin suprafee de egal presiune, numite suprafee izobarice. Distribuia spaial a vaporilor presiunii atmosferice la un moment dat, caracterizat prin sistemul suprafeelor izobarice, reprezint cmpul baric. Liniile de-a lungul crora suprafeele izobarice intersecteaz suprafeele orizontale, la nivelul mrii sau la oricare alt nivel, reprezint izobarele. Distribuia presiunii atmosferice la un anumit nivel se reprezint pe hri prin linii izobare. Pentru reprezentarea repartiiei presiunii atmosferice la nivele diferite din atmosfer se folosete metoda topografiei barice; aceasta const n reprezentarea pe hart a nivelurilor la care se situeaz o anumit suprafa baric deasupra nivelului mediu al mrii (topografie baric absolut) sau deasupra unei alte suprafee izobarice (topografie baric relativ)- curbele rezultate sunt numite izohipse. Hrile barice pun n eviden, indiferent de modificrile spaiale continue, zone cu presiunea ridicat i zone cu presiunea cobort numite formaiuni barice; se pot deosebi sisteme barice cu izobare nchise (ciclonul i anticiclonul) i cu izobare deschise (talvegul depresionar, dorsala anticiclonic i aua barometric) .

Tipuri de formaiuni izobarice

Ciclonul, depresiunea sau minima barometric este o zon cu presiunea cobort, delimitat de izobare nchise, ovale sau eliptice, n care presiunea crete de la centru spre periferie; suprafeele izobarice n ciclon sunt curbate n jos, sub form de plnie. Pe hri centrul zonei este notat cu D (n englez este notat cu L de la low). Ciclonul este principalul responsabil de evoluia vremii la latitudini mijlocii; circulaia aerului n sens invers acelor ceasornicului i spre interior ctre centrul de joas presiune aduce n contact mase de aer contrastante ce formeaz fronturi nsoite de nori i de precipitaii.

Structura baric vertical a ciclonului: a) nalt(rece); b)jos(cald).

Anticiclonul sau maxima barometric, este opusul ciclonului- el reprezint o zon cu presiunea ridicat, delimitat de izobare nchise, de form circular sau oval, n care presiunea scade de la centru spre periferie; suprafeele izobarice n anticiclon sunt curbate n sus, sub form de cupole. Pe hri, centrul zonei este notat cu litera M (n englez cu H- de la high). n cazul anticiclonilor, aerul linitit i micarea divergent a sa la suprafa favorizeaz formarea unei mase de aer uniforme i ceruri senine. Ca i ciclonii, totui, anticiclonii pot s conin fie un centru rece, fie unul cald.

Structura baric vertical a anticiclonului: a)jos (rece); b)nalt (cald)

Talvegul depresionar este un sistem baric de presiune cobort, situat ntre doi anticicloni; este delimitat de izobare deschise n form de V i apare pe hri ca prelungirea unui ciclon; presiunea este mai cobort de-a lungul unei axe care leag vrfurile unghiurilor de inflexiune ale izobarelor.Dorsala anticiclonic este o formaiune baric alungit, de presiune ridicat, dispus ntre dou zone cu presiune cobort, n care izobarele sunt curbate n forma literei u, n prelungirea unui antciclon. aua barometric este o zon a cmpului baric cuprins ntre doi anticicloni i doi cicloni, respectiv ntre dou dorsale i dou talveguri, dispuse n cruce sau tabl de ah. Pe axa anticiclonilor sau a dorsalelor, suprafeele izobare sunt dispuse ca n ciclon, iar pe axa ciclonilor sau a talvegurilor, ca n anticiclon. Punctul central al eii se afl la intersecia celor dou axe. Suprafeele izobare au form caracteristica de a: se nal n direcia anticiclonilor i se adncesc n direcia ciclonilor.

BIBLIOGRAFIE

APOSTOL S., STIHI C., Utilizarea metodelor i tehnicilor spectroscopice n monitorizarea calitii mediului, Ed. Bibliotheca, Trgovite 2007BACINSCHI D., BURCIU GH., Meteorologie i climatologie, Ed. Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981CIULACHE S., Meteorologie i microclimatologie, Editura Universitii Bucureti, 1998CIULACHE S., Meteorologie i climatologie, Editura Universitii Bucureti, 2002FAECA I., CROITORU A.E., Poluarea atmosferic i schimbrile climatice, Ed. Casa Crii de tiin, Cluj-Napoca, 2003

16