Из переписки...

Полезные ссылки:
Метеоцентр.Азия - наш сайт с высокодетализированными прогнозами погоды по пунктам России и мира
Облегчённая версия Метеоклуба (для смартфонов)

Из переписки...

Сейчас в Метеоклубе:
Участников - 1 [ afretro ]
Максимальное одновременное количество посетителей: 1 [17 Окт 2019 06:04]
Гостей - 0 / Участников - 1

 - Начало - Ответить - Статистика - Регистрация - Поиск -
МЕТЕОКЛУБ : независимое сообщество любителей метеорологии (Европа и Азия) : ФОРУМ О ПОГОДЕ И ПРИРОДЕ / Метеорология: наука и практика / Из переписки...
Автор Сообщение
videm
Участник
Письмо
# Дата: 26 Янв 2006 16:27


Пришла вчера рецензия на мою статью, посвященную процессам формирования поля приземного озона в Арктике. Целый день потратил на ответ. Самое трудное, к сожалению, доказывать очевидное.
Из статьи:
"Согласно уже классическим представлениям, поступление озона в приземный слой происходит за счет его турбулентного переноса из более высоких слоев атмосферы. Кроме того, под воздействием ультрафиолетовой радиации возможна его фотохимическая генерация из углеводородов и окислов азота как естественного, так и искусственного происхождения".
Рецензент:
"...авторы ... упускают из виду тот факт, что выше слоя перемешивания атмосфера фактически ламинарна, и поступление озона из стратосферы в тропосферу вплоть до пограничного слоя происходит за счет седиментации. Озон в 1.7 раз тяжелее воздуха, и в спокойной атмосфере происходит его осаждение"
!!!!?????
Мой ответ:
"Очень оригинальное замечание рецензента, вынуждающая нас сослаться на учебные пособия по физике атмосферы для студентов ВУЗов. 1) Коэффициент турбулентного обмена в тропосфере возрастает с высотой от примерно 10 м2/с в приземном слое до порядка 100 м2/с на высоте 10 км /см., например, Пинус Н.З., Шметер С.М. Аэрология. Ч. 2. Физика свободной атмосферы. Гидрометиздат, 1965 г/. 2) Процесс гравитационной седиментации становится заметным только с высот 105-120 км, а в более низких слоях преобладает турбулентный обмен /см. Пинус Н.З., Шметер С.М. Аэрология. Ч. 2. Физика свободной атмосферы. Гидрометиздат, 1965 г ; Матвеев Л.Т. Физика атмосферы С-Пб, Гидрометеоиздат, 2000; Харгривс Дж.К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. Л.: Гидрометеоиздат, 1982/. Очень подробно данный вопрос (в том числе с выкладками) рассмотрен в учебном пособие В.С. Комарова «Аэрономия верхней атмосферы» /Л., изд. ЛГМИ, 1990 г/.
Отметим, что предлагаемая седиментация не может объяснить особенности вертикального профиля озона, а точнее его достаточно слабое изменение в тропосфере выше пограничного слоя и сильный скачок в районе тропопаузы (гравитационному осаждению тропопауза, очевидно, не помеха).
Хотелось бы напомнить также об расположенной в диапазоне высот 100—110 км турбопаузе, которая резко отделяет находящуюся выше область от зоны интенсивного турбулентного перемешивания (турбосфера).
Применительно к пограничному слою наши возражения рецензенту становятся более обоснованными. Во всех монографиях /см., например, Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с, Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с./, посвященных распространению газовых (не аэрозольных) примесей в нижней атмосфере приводятся уравнения без члена, который учитывал бы седиментацию. В книге Ровинского Ф.Я и Егорова В.И. «Озон, окислы азота и серы в нижней атмосферы» /Л., Гидрометеоиздат 1986 г./ приведено уравнение изменения концентрации озона при отсутствии адвекции, которое включает турбулентный член, член, учитывающий его разрушение с поверхностью и член, связанный с разностью скорости образования и разрушения озона за счет химических газовых реакций. Никакого процесса седиментации! Думаем, что интересной будет ссылка на монографию Полевого А.Н. Сельскохозяйственная метеорология. / СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.– 424 с./, где очень подробно в отдельно главе рассмотрена динамика СО2 в приземном слое и также без учета седиментации. А между тем, его молекулярный вес в 1.5 раза превосходит вес атмосферного воздуха и по логике рецензента, этот процесс, видимо должен быть учтен. Хотелось бы увидеть ссылки и рецензента по данному вопросу.
На всякий случай укажем, что в условиях тропосферы, за исключением вязкого подслоя, «перенос примесей (водяного пара и др.) осуществляется главным образом посредством турбулентного перемешивания, а не молекулярной диффузии, так как его поток в десятки и сотни тысяч больше молекулярного» /по Матвеев Л.Т. Физика атмосферы С-Пб, Гидрометеоиздат, 2000/".

Обидится ведь...

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 26 Янв 2006 16:46


Мне, кстати, не совсем понятно почему рецензенты так настаивают на массе молекулы озона.
Рассмотрим спокойную атмосферу. Что, если наверху образуется более легкий газ, то он не будет диффундировать вниз? Просто у них разные конечные равновесные состояния, т.к. у тяжелых молекул равновесная концентрация с высотой, по Больцману, меняется более круто. Но с другой стороны у легких молекул обычно больше коэф-т диффузии, т.к. их скорости, при равной температуре больше, чем у тяжелых.

Но как только начинается турбулентность, имхо, об обычной диффузии надо забывать. Единственно, не поручусь за сильно разреженные области, где толщина потока сравнима с длиной свободного пробега, но и тут больше склонен доверять признаным авторитетам.

medved
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 26 Янв 2006 19:38 - Поправил: medved


Озон в 1.7 раз тяжелее воздуха, и в спокойной атмосфере происходит его осаждение"

Интересно, как автор фразы представляет себе «осаждение»? «Он тяжелее в 1,7 раза» означает лишь, что коэффициент в экспоненте барометрической формулы больше в 1,7 раза — равновесная концентрация озона _относительно_ воздуха возрастает (по прикидкам в уме) меньше, чем в 2 раза на каждые 10 км высоты (точнее низоты :)))).

А о каких реально концентрациях идёт речь? Посмотрев на график концентрации от высоты , возможно, станет понятно, на каких высотах существенным каналом переноса озона является гравитационное осаждение.

LESS
Участник
Письмо
Приокский лесс на юге МО
# Дата: 30 Янв 2006 11:54


videm

Кроме того, под воздействием ультрафиолетовой радиации возможна его фотохимическая генерация из углеводородов и окислов азота как естественного, так и искусственного происхождения

Не очень понял, где в Вашем случае электромагнитная радиация (в частности в УФ-диапазоне) воздействует на углеводороды и окислы азота: в стратосфере или в тропосфере? (простите, если мой вопрос покажется Вам глупым :-)

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 1 Мар 2006 18:31


Целый месяц задачка не давала покоя и понемногу над ней думал. А как, действительно, влияет седиментация на изменение концентрации? Пришлось вспомнить теорию диффузии Эйнштейна. В конце концов, пришел к следующим выводам:

1. Для модельной задачи: спокойная изотермическая атмосфера, на одной высоте поддерживается одна постоянная концентрация газа (или поток), а на другой другая постоянная концентрация, - решение выглядит так: C1 – C2*exp(-a*h), где C1 и C2 определяются граничными условиями, а показатель экспоненты a – точно такой же, как и в формуле Больцмана для данного газа. Т.е. на больших высотах концентрация – практически константа, а основное изменение концентрации происходит на малых высотах. Причем от молекулярного веса зависит только «крутизна» кривой (через показатель экспоненты), а не ее характер.

2. Если существует турбулентное течение, то седиментацию надо учитывать, только при толщине течения (струи или погранслоя) больше 10-20 км. При этом хочу отметить, что вопроса о турбулентности или ламинарности реальных течений я не касался. Т.ч. для ламинарного течения этот вывод неверен.

videm
Участник
Письмо
# Дата: 2 Мар 2006 13:09


MichaelP
Целый месяц задачка не давала покоя и понемногу над ней думал
А она давно была решена(и, разумеется, не мной).
При слабом турбулентном перемешивании изменение плотности газа с высотой тем большее, чем больше его относительная мол. масса. следовательно в атмосфере устанавливаетсмя состояние, близкое к разделению.
При интенсивном перемешивании (коэф. турбулентности много больше коэф. молек. диффузии, что в тропосфере наблюдается всегда), изменение плотности всех газов в атмосфере не зависит от ее молекул. весов.
Граница между зоной перемешивания и зоной гравитационно-диффузионного разделения газов (точнее, область)находится на высоте не менее 90 км.

Corvus, на таком специф. форуме должен быть редактор формул!

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 3 Мар 2006 16:53


videm
А она давно была решена(и, разумеется, не мной).

Да я и не собирался делать научное открытие. Мне было интересно разобраться в этом вопросе для себя. А самому решить задачу, ИМХО, лучший способ понять явление.

Заодно глубже осознал теорию диффузии Эйнштейна (сейчас это основная теория диффузии). Он, собственно говоря, и исходил из того, что при равновесии в равномерном поле сил, диффузия должна уравновешивать седиментацию, так, чтобы в итоге получилось распределение Больцмана - отсюда однозначная связь коэф-та подвижности молекулы (он определяет скорость седиментации) с коэффициентом диффузии.

medved
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 3 Мар 2006 20:42 - Поправил: medved


MichaelP


решение выглядит так: C1 – C2*exp(-a*h), где C1 и C2 определяются граничными условиями, а показатель экспоненты a – точно такой же, как и в формуле Больцмана для данного газа.

Т.е. на больших высотах концентрация – практически константа, а основное изменение концентрации происходит на малых высотах.


Собственно, при некоторых С1, С2 и h будет с точностью до наоборот :) - равномерное изменение :) но это, надеюсь и так понятно.


Если я Вас правильно понял, у Вас в задаче ОДИН газ, и его концентрации искусственно поддерживаются. так?

videm
Участник
Письмо
# Дата: 6 Мар 2006 07:38


medved
Я бы дополнил...
r=r0*exp(-lz),
где r, r0 - плотность газа,
l=-(D0/Hi+A/(r0*H))/(D0+A/r0)
Здесь D0- величина коэф. молек. диффузии на начальном уровне, А - коэф. турбулентного перемешивания, Hi - высота однородной атмосферы для данного газа i, Н - высота однородной атмосферы.
Решая при A=0 (турб. перемешивание слабо) и A>>D0 (турб. перемешивание много больше молекулярного), получим приведенные мной выше выводы.

P.S. Сегодня утром получил письмо от редактора с сообщением о принятии статьи в печать...

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 12:16


medved
Если я Вас правильно понял, у Вас в задаче ОДИН газ, и его концентрации искусственно поддерживаются. так?

Не совсем так. Я рассматривал случай, когда концентрация исследуемого газа достаточно мала, чтобы можно было пренебречь взаимной диффузией. Т.е. можно прнебречь тем, что при диффузии один газ вытесняет другие.
Далее в стационарном случае получается линейное дифференциальное уравнение, характеристческое уравнение имеет два корня 0 и коэф-т в уравнении Больцмана. Т.ч. в той зоне, где не происходит образование/рекомбинация озона, решения должно иметь приведенный мной вид. А задано граничное учловия на поток, на концентрацию или еще как - сути не меняет.

medved
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 12:57


MichaelP

То есть коэффициент диффузии определяется ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ (точнее его концентрацией)? при этом коэффициент в экспоненте у воздуха (N2+O2) другой, т.е. меняется по своему закону независимо от конц. O3 ?
по идее, должно быть именно так, правильно?

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 13:02


videm
Я бы дополнил...
r=r0*exp(-lz),
где r, r0 - плотность газа,
l=-(D0/Hi+A/(r0*H))/(D0+A/r0)


А вот здесь я не очень уверен. Как я уже писал распределение Больцмана в спокойной атмосфере получается из условия равенства потоков седиментации и диффузии. Здесь, насколько я вижу, проводится та же аналогия. Только с учетом турбулентного перемешивания. Т.е. коэф-т турбулентной седиментации выбирается такой, чтобы в случае чисто турбулентного перемешивания плотность газа изменялась в соответствии с законом Больцмана для ВСЕЙ совокупности атмосферных газов (т.е. поддерживалась постоянная доля озона относительно других газов на разных высотах), что, вообщем-то, разумно.
Но еще раз подчеркиваю, этот аналог формулы Больцмана верен для нулевого суммарного потока озона по вертикали. У нас же идет постоянный поток озона из верхних слоев атмосферы в нижние, т.ч. более правильно использовать более общую формулу приведенную мной, в которой коэф-т в экспоненте выражается приведенной Вами формулой. А в этом случае коэф-т C2 может быть отрицательным, что несколько "переворачивает" распределение Больцмана.

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 13:18


medved
То есть коэффициент диффузии определяется ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ (точнее его концентрацией)? при этом коэффициент в экспоненте у воздуха (N2+O2) другой, т.е. меняется по своему закону независимо от конц. O3 ?
по идее, должно быть именно так, правильно?


Более строго, в данном случае, если следовать Эйнштейну, коэф-т диффузии определяется подвижностью молекулы озона относительно окружающего воздуха и, естественно зависит, в основном, от свойств окружающего воздуха, который подчиняется своим законом. Но, еще раз подчеркиваю, это верно при малых концетрациях озона. Например, если нам надо рассчитать концетрацию кислорода, то мы уже не можем прнебрегать тем, что перенос кислорода "вытесняет" азот и меняет его концентрацию. Т.е. в этом случае надо учитывать взаимную диффузию.

medved
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 13:58


MichaelP

насчет более строгого я понимаю. я переспрашивал именно какие приближения Вы обсчитывали, разумно полагая, что нужно зависимость коэф. дифф. считать из концентрации воздуха (и, разумеется, пренебрегать долей озона при рассмотрении диффузии озона сквозь воздух).

videm
Участник
Письмо
# Дата: 6 Мар 2006 14:28


MichaelP
Допущение при выводе формулы- это изотермическое распределение температуры.
Высоту, на которой может начаться гравитационно-диффузионное разделение газов, можно оценить сопоставляя время, необходимое для турбулентного перемешивания, со временем, необходимым для возвращения к состоянию гравитационно-диффузионного равновесия. Очевидно, что уровень гравитационно-диффузионного равновесия газов должен располагаться на той высоте, на которой время перемешивания становится больше времени установления гравитационно-диффузионного равновесия.

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 15:09


videm
Собственно говоря, из этих соображений я и получил оценку приведенную мной в п.2 сообщения от 1 марта. Только я из осторожности, считая, что течения на разных высотах могут иметь разные характеристики, не ограничил нижнюю границу по высоте поверхностью Земли, а расматривал толщину отдельного течения.

videm
Участник
Письмо
# Дата: 6 Мар 2006 15:19


MichaelP
Меня смущают полученные Вами оценки: "Если существует турбулентное течение, то седиментацию надо учитывать, только при толщине течения (струи или погранслоя) больше 10-20 км.".
Измерения со спутников и метеорологических ракет показывают, что разделение газов начинается с высот от 100 км.

MichaelP
Участник
Письмо
Москва
# Дата: 6 Мар 2006 15:39


videm
Меня смущают полученные Вами оценки: "Если существует турбулентное течение, то седиментацию надо учитывать, только при толщине течения (струи или погранслоя) больше 10-20 км.".
Измерения со спутников и метеорологических ракет показывают, что разделение газов начинается с высот от 100 км.



Ну, во-первых, "надо учитывать" не значит, что "начинает преобладать". Во-вторых, если есть несколько разных, взаимодействующих, в основном, по своим границам, течений (приповерхностный пограничный слой, струйные течения в тропосфере, течения в стратосфере и т.д.), то их надо учитывать отдельно и в сумме может набраться значительная высота. В-третьих, я совсем не учитывал вертикальные течения, которые могут оказать существенное влияние на процесс перемешивания.

Ваш ответ

          Отменить *Что это?

 » Логин  » Пароль