Aerologie
Aerologie je experimentální studie in situ fyzikálních a chemických vlastnostech troposféře a stratosféře . Jedná se o techniku meteorologie, kde se používají radiosondy , satelity , data pocházející z dopravních letadel a raket .
Dějiny
Rozvoj znalostí v meteorologii vyžaduje znalost proměnných větru, teploty, tlaku a vlhkosti jak na zemi, tak ve výšce. Na konci XIX th století , vědci a meteorologové měl jen velmi řídké údaje o povrchu. V 90. letech 19. století provedl Arthur Berson a další letci řadu simultánních letů do různých evropských zemí, aby studovali variace atmosférické struktury a vyvinuli společnou metodu sondování atmosféry a rozvinuli spolupráci při studiu nové vědy o aerologii. 4. prosince 1894 vytvořil výškový rekord 9155 metrů na palubě vodíkového balónu Phoenix . 10. ledna 1901 cestoval v doprovodu střeleckého důstojníka Alfreda Hildebrandta z Berlína do švédského Markarydu , prvního vzdušného přechodu přes Baltské moře . Přesně o rok později vytvořil s Hermannem Eliasem německý rekord v balónové vzdálenosti z Berlína do Poltavy na Ukrajině, 1460 kilometrů za třicet hodin.
Během stejného období měl francouzský vynálezce Gustave Hermite nápad uvolnit balón, ke kterému by připojil nástroje. Avšak rádio, které dosud nebylo vynalezeno, musel tyto nástroje obnovit hledáním místa pádu po výbuchu balónu. The17. září 1892, Pustil Hermit svůj první meteorologický balón vyrobený z papíru potaženého ropou . Měla průměr čtyři metry a nesla rtuťový barometr o hmotnosti 1,2 kg .
Jeho myšlenka se zpočátku šířila pomalu, ale vědci jako Léon Teisserenc de Bort a Richard Aßmann díky tomuto systému objevili tropopauzu , stratosféru a další vrstvy atmosféry. Po několika testech z roku 1927 Pierre Idrac a Robert Bureau spojili senzory s malým lampovým rádiovým vysílačem, který v reálném čase přenášel naměřené hodnoty na zem. První let meteorologického balónu, který znovu vysílal měření teploty rádiem, byl proveden 17. ledna 1929 v Trappes . Obnova dat již nezávisí na náhodném obnovení trosky balónu, to je zrod moderní radiosondy .
V roce 1940 radiosondes zcela nahradily letecké meteografy pro denní průzkumy. Odtamtud meteorologové využijí shromážděné informace k vytvoření koncepčního modelu atmosférické cirkulace a jeho integraci do předpovědi počasí . Od šedesátých let budou meteorologické satelity stále více zahrnovat přístroje pro sondování atmosféry z vesmíru, a to i na těch nejnepřístupnějších místech. Tyto údaje umožňují podrobnější analýzu a jsou nyní integrovány do numerických modelů předpovědi počasí .
Zásady
Je pozorováno, že v pozemské atmosféře :
- Teplota sníží se s výškou, více či méně pravidelně, v dolní části se nazývá troposféra , od 5 do 7 ° C v krocích po 1000 m až do výšky 10 až 20 km ;
- Teplota se poté v tropopauze stabilizuje na určité tloušťce a poté se začne zvyšovat. Tato nová část atmosféry se nazývá stratosféra . Oteplování je způsobeno absorpcí větší části radiačního ultrafialového záření, které Země přijímá ze slunce, ozonovou vrstvou .
Výše uvedené změny teploty a tlaku jsou pouze průměrné. Skutečné rozdělení závisí na absorbované sluneční energii i na bočních výměnách. Polární oblasti přijímají méně energie než tropické oblasti, takže tlaková a teplotní struktura s nadmořskou výškou se bude mezi těmito dvěma oblastmi lišit. Kromě toho energetické výměny, ke kterým dochází při atmosférické cirkulaci , učiní strukturu P a T jedinečnou nad každým bodem na zemském povrchu.
Pokud však vezmeme část vzduchu, kde jsou definovány P a T, a změníme jeho nadmořskou výšku, změna tlaku způsobí změnu teploty podle:
nebo
Tento takzvaný Mariotteův zákon nebo ideální plyny neplatí dokonale pro atmosférický vzduch, protože V je nekonečný ( otevřený systém ) a vzduch není ideálním plynem . Aproximace je však přijatelná za následujících předpokladů:
- Gravitace Země omezuje většinu vzduchu na tloušťku několika desítek kilometrů, za kterou lze atmosféru považovat za „končící“. To nám dává téměř uzavřený systém s atmosférickým tlakem úměrným hmotnosti sloupce vzduchu, který překonává bod, kde jej měříme a který klesá s nadmořskou výškou: to je Laplaceův zákon .
- Vzduch je směs plynů, z nichž některé mění fázi, pokud se mění tlak a / nebo teplota , zejména vodní pára. Musíme proto vzít v úvahu energii uvolněnou nebo absorbovanou během této změny, nazývané latentní energie.
- Zvedáme adiabaticky , to znamená bez jakéhokoliv přestupu tepla s okolním prostředím.
Cílem aerologie je proto najít pomocí různých přístrojů proměnné atmosféry, jako je její složení, teplota, tlak, vítr atd.
Měřící nástroje
Skutečné fyzikální vlastnosti vzduchového sloupce lze měřit sondováním . Ty se provádějí pomocí radiosondů zavěšených na meteorologických balónech . Různé světové meteorologické služby již dlouho vytvořily celou síť stanic, které vypouštějí takové balóny dvakrát denně (0 a 12 hodin UT ), aby získaly trojrozměrný pohled na atmosféru. Existují výzkumné kampaně zaměřené na konkrétní aspekty atmosféry a mraků, během nichž jsou balóny vypouštěny na vyšších frekvencích a na více místech, zejména během takzvaných aerologických nebo geofyzikálních dnů . Světová meteorologická organizace koordinuje předávání těchto informací po celém světě.
V poslední době se používají jiné prostředky k nalezení struktury atmosféry ve vyšších vrstvách nebo na obtížněji přístupných místech:
- Tyto meteorologické družice poskytuje informace o teplotě a vlhkosti ovzduší, které mohou být přizpůsobeny tak, že z P a T se určitých předpokladů. Mohou poskytnout další informace, jako je složení atmosféry, analýzou záření.
- Dopravní letadla mohou na své trase poskytovat informace o P a T. Nejedná se o úplné měření, protože letoun nepokrývá všechny nadmořské výšky, ale informace se doplňují.
- Rakety nebo výzkumná letadla vybavená senzory také poskytnou informace o složení atmosféry.
- Tyto větrné profilers , radary směřují kolmo poskytnout informace o horizontální větry, srážky a vertikální pohyb vzduchu.
- Tyto celometers poskytnout údaje o výšce mraků, na přítomnost částic prachu, kouře nebo srážením ve vzduchu. Navíc podle koeficientu extinkce jejich paprsku můžeme odhadnout vertikální viditelnost a přítomnost znečištění.
Meteorologická data
Hlavní využití aerologických údajů je v meteorologii . Aerologie není vysvětlení počasí, ale nástroj k získání dat, která budou použita v této oblasti.
Základy
Měření získaná sondováním jsou vynesena do termodynamických diagramů, jako jsou emagramy , tephigramy , Skew-T nebo Stüve diagramy . Trasujeme tam podle tlaku a nadmořské výšky:
- Teplota;
- Rosného bodu ;
- Rychlost a směr větru, převzaté ze sondáže , zobrazené na souvisejícím diagramu: hodograf .
Můžeme odvodit vlastnosti vzdušné hmoty :
- Vertikální teplotní gradient, tj. Rychlost poklesu teploty s nadmořskou výškou;
- Množství vlhkosti odvozené z rosného bodu, které odpovídá teplotě, při které by vodní pára obsažená ve vzduchu kondenzovala, kdyby byl vzduch ochlazován konstantním tlakem.
Pokud jsou teplota a rosný bod stejné, máme oblačnost (nadmořskou výšku) nebo mlhu (zem).
V závislosti na rychlosti změny teploty s nadmořskou výškou ( adiabatický teplotní gradient ) je vzduch:
- „Stabilní“: v situaci inverze teploty, kdy zvednutý pozemek uvidí, že jeho teplota bude podle zákona o ideálním plynu chladnější než okolní prostředí. Tím se děj vrací do původní výšky podle Archimédova tahu ;
- „Neutrální“: teplota grafu zůstává při jakémkoli vzestupu stejná jako teplota prostředí;
- „Nestabilní“: vyvýšená zápletka se stává žhavější než prostředí a stále roste.
Pozemek musí být zvednut podle suchých adiabatických vedení pro nenasycený vzduch a podle pseudoadiabatických vedení pro nasycený vzduch. Kondenzace obnovuje energii a sklon proto není stejný.
Vývoj charakteristik
Je třeba vzít v úvahu tyto prvky:
- Noční chlazení, které má za následek silnou inverzi na zemi v případě jasné oblohy nebo ochlazení vrcholu mraků, což může způsobit nestabilitu nadmořské výšky;
- Sluneční aktivita, která dodává energii, a proto může destabilizovat spodní vrstvy atmosféry;
- Konfigurace země, podle které může vystavení svahů a nadmořská výška, diferenciální oteplování vést k destabilizaci a ke spuštění atmosférické konvekce nebo k vytvoření cirkulací ( údolí vánků );
- orografický vzestup : vítr tlačí vzduchovou hmotu, aby vyšplhala na adiabatický expanzní sklon a poté sestoupila (komprese). Vzduch mění tlak a teplotu během tohoto jevu zvaného Foehnův jev ;
- Teplota proudění tepla ve hmotě vzduchu z horní oblasti podle atmosférické cirkulace.
Další údaje
Aerologické průzkumy se mohou také týkat:
- Složení vzduchu a znečišťujících látek v něm obsažených, zejména přízemního ozonu ;
- Elektrické a elektromagnetické jevy .
Použití
Předpověď počasí
Aerologická data z troposféry se používají k inicializaci numerických modelů predikce počasí . Tyto složité počítačové programy, které se pokoušejí vyřešit dynamické rovnice atmosféry, používají data získaná z aerologie jako proměnné k předpovědi pohybu povětrnostních systémů a srážek. Přesnost je taková, že obvykle máme 1 minutový rozdíl v očekávané době letu 8 hodin.
Klouzání
Let ptáků ( plachetnic ) byl pozorován po dlouhou dobu. Obrovskou práci s pozorováním provedl zejména Louis Mouillard (1834-1897), který provedl primitivní kluzáky a zejména zanechal dvě knihy: bitvy L'empire de l'air a Le Vol sans . Myslel si, že přijde den, kdy bude člověk cestovat vzduchem neseným větrem. Jeho teorie obsahují mnoho chyb, i když je vědecký přínos velmi pozitivní. Teorie dynamické nadvlády je však známá od doby, kdy Otto Lilienthal (1848-1896), který jako první vyšplhal výš než jeho výchozí bod, na palubu primitivního kluzáku podle jeho vynálezu. Klouzavá závisí na znalosti atmosférické struktury pomocí tepelnou nestabilitu, orografické převratů a horské vlny .
Akustický
Aerologická data umožnila odvodit proměnné ovlivňující rychlost zvuku ve vzduchu: teplotu a vlhkost .
Útlum hluku je způsoben elastickou kompresí v plynu při konstantním tlaku podle:
nebo
- L 0 je teoretická úroveň u zdroje v decibelech (dB);
- D je vzdálenost.
V praxi je horizontální útlum mnohem vyšší (v průměru se přidává -8 dB) a především extrémně variabilní, protože výpočty hluku jsou vždy velmi empirické. Kromě toho vzduch nemá stálý tlak a teplotu, jeho složení je proměnlivé a nakonec není symetricky elastický kvůli působení větru na vertikální vlnu a gradientu na horizontální vlně. Aerologická data proto umožňují vypočítat akustické vlastnosti místa v daném čase.
Rozptyl znečišťujících látek
Znečištění je částečně viditelné, stejně jako v jiných prostředích, kvůli prachu a také proto, že některé částice podporují kondenzaci. V extrémních případech je cítit zápach. Většina znečištění je však bez zápachu a neviditelná. Přitom tyto znečišťující látky mohou být více či méně rozptýlen větrem a vzduch může být odplaveny do deště . Jejich koncentrace po emisi závisí na stabilitě vzduchu: znečišťující látky budou koncentrovány v tenké vrstvě ( stabilní vzduch ) nebo dispergované ( nestabilní vzduch ). Kromě toho změny stability a větru ukazují trajektorii těchto materiálů.
Použití aerologických údajů umožňuje definovat výšku komínů, aby se zabránilo stabilním situacím, jako jsou inverze, aby se snížila koncentrace emisí spalování. Stejná data lze použít ke sledování zdroje znečišťující látky a k předpovědi možných depozic na zemi za podmínky, že dobře znáte nejen vlastnosti vzdušné hmoty, ale také chemické příspěvky a vlhkost vzduchu.
Poznámky
- Velký terminologický slovník z úřadu de la langue française du Québec (2006)
- „ Dobytí třetí dimenze: Meteorologické balóny “ , Měření atmosféry , Météo-France (přístup 26. listopadu 2013 )
- „ Dobytí třetí rozměr: radiosondage “ , Měření atmosféru , Météo-France (přistupovat 26. listopadu 2013 )
- „Bureau (Robert)“ (verze z 29. října 2007 v internetovém archivu ) , Météo-France
- Světová meteorologická organizace , „ Aerologický den “, na Eumetcal (přístup 27. října 2013 )