- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
18.3. Наземная конденсация и осадки
Поток водяного пара, определенный формулами (14.5.1) и (14.5.3), может быть как положительным (в тех случаях, когда доля водяного пара уменьшается вблизи земной поверхности с высотой (s2 < s0), так и отрицательным, т. е. направленным к земной поверхности. Такие условия создаются в тех случаях, когда s возрастает с высотой (s2 > s0) — наблюдается инверсионное распределение влажности по высоте. Пока температура воздуха в непосредственной близости к поверхности Земли не достигла точки росы, водяной пар, поступающий (при Q΄ 0 < 0) из воздуха, проникает в почвенные поры и пополняет запас влаги в почве. Если температура воздуха, соприкасающегося с земной поверхностью (почвой, растениями, предметами), оказывается ниже точки росы, то может начаться процесс конденсации водяного пара непосредственно на земной поверхности, сопровождающийся формированием следующих видов наземной конденсации:
1) росы и инея, 2) твердого и жидкого налета, 3) изморози.
Роса и иней. Основной причиной образования росы служит потеря тепла земной поверхностью под влиянием излучения в ночное время суток. При достижении температурой воздуха точки росы и последующем дополнительном охлаждении происходит конденсация водяного пара. В общем случае пар конденсируется как в воздухе (туман), так и на земной поверхности (роса). Однако в тех случаях, когда воздух достаточно чистый (мало ядер конденсации) или резко выражена инверсия температуры (То < Tz), конденсация водяного пара происходит преимущественно на земной поверхности — выпадает роса. При этом сначала на поверхности (почве, растениях, предметах) образуются мелкие капли, которые сливаются затем в более крупные. Если температура земной поверхности ниже 0 °С, то на острых выступах, неровностях, кристаллических частицах водяной пар может начать сублимироваться (переходить в твердое состояние — лед). Этот процесс сопровождается образованием твердой росы или инея.
Отметим, что условия выпадения инея более благоприятны, чем росы: достаточно достичь состояния насыщения по отношению ко льду, чтобы началась сублимация водяного пара (при этом относительная влажность воздуха вблизи земной поверхности, как показано в п. 14.5, может быть существенно меньше 100 %).
Поскольку при выпадении росы водяной пар переносится из атмосферы к земной поверхности (Q΄0 < 0), то абсолютная влажность воздуха при этом уменьшается, что снижает вероятность образования тумана (во всяком случае, достаточно интенсивного). Наоборот, если образуется туман, то, как следует из результатов главы 16, температура земной поверхности повышается, что не способствует выпадению росы. Наблюдения подтверждают эти выводы: при обильной росе не наблюдается интенсивных туманов; при образовании интенсивного тумана не выпадает обильная роса.
Согласно наблюдениям, в умеренных широтах роса может дать слой осадков толщиной 0,05—0,15 мм за ночь и 10—50 мм за год. Наиболее обильная роса выпадает весной и осенью, поскольку летом температура воздуха не всегда опускается ниже точки росы. Простые оценки* и более строгая теория (основанная на решении уравнений переноса тепла и водяного пара) показывают, что роса формируется вследствие конденсации водяного пара, который поступает к земной поверхности из слоя воздуха толщиной в несколько сотен метров. При этом абсолютная влажность на каждом уровне понижается сравнительно мало (вблизи земной поверхности, согласно наблюдениям, до 2—3 г/м3), общая же масса сконденсировавшегося из столба атмосферы водяного пара оказывается значительной.
Наиболее обильные росы выпадают при высокой абсолютной влажности воздуха, на сухих взрыхленных почвах (мала теплопроводность), в ясную (велико эффективное излучение) погоду при слабом ветре. Обильная роса и иней осаждаются также на предметах (досках, крышах и др.), обладающих низкой теплопроводностью.
Жидкий и твердый налет. В отличие от росы и инея, явление, обусловленное сменой погоды: после продолжительных сильных морозов наступает резкое потепление. Теплый воздух, поступающий на сильно охлажденную поверхность, соприкасаясь с холодными предметами (наветренными стенами зданий, камнями, асфальтом дорог и др.), охлаждается, водяной пар достигает насыщения, а при дальнейшем охлаждении и конденсируется. Так, на холодных (достаточно массивных) предметах формируется пленка воды, которую и называют жидким налетом. Если периоду потепления предшествовали сильные морозы, то возникает твердый налет, подразделяемый на кристаллический, зернистый и ледяной. Увеличению налета, кроме конденсации водяного пара, способствует осаждение на предметах капель тумана, который обычно образуется в теплом воздухе.
Изморозь. Представляет собой белый рыхлый, снеговидный осадок, образующийся на ветвях деревьев и кустарниках, на телеграфных столбах и проводах, на выступах и углах зданий. Образуется она или путем сублимации водяного пара (кристаллическая изморозь), или в результате намерзания капель переохлажденного тумана (зернистая изморозь). Оба процесса при температуре выше —30 °С протекают, как правило, при тумане.
В отличие от инея, изморозь образуется в любую часть суток, чаще всего в морозную туманную погоду, когда в воздухе плавают ледяные кристаллы (алмазная пыль).
Гололед. Явление осаждения и последующего замерзания (при столкновении) переохлажденных капель мороси или дождя преимущественно на наветренной стороне различных предметов и на земной поверхности. Образующийся при этом слой плотного льда может достигать нескольких сантиметров. Гололед наблюдается обычно в начале и конце зимы при температуре воздуха от 0 до -7 °С. Однако нередки такие зимы (особенно в приморских районах), когда гололед образуется в течение всей зимы.
Принципиальное отличие гололеда от твердого налета состоит в том, что при образовании твердого налета сублимация водяного пара осуществляется непосредственно на холодной земной поверхности, в то время как гололед формируется под влиянием замерзания капель осадков, образовавшихся в атмосфере и затем выпадающих на земную поверхность. Однако следует подчеркнуть, что в образовании всех других видов наземных осадков (и, в первую очередь, жидкого и твердого налета, изморози) осаждение на земную поверхность капель и кристаллов льда из атмосферы играет вполне заметную роль (хотя и не определяющую). С другой стороны, в формирование гололеда, наряду с осаждением переохлажденных капель, вносят некоторый вклад конденсация и сублимация водяного пара на поверхности слоя льда.
Обледенение (родственное гололеду явление). Процесс осаждения и замерзания (при соударении) переохлажденных капель облаков, туманов и осадков на различных частях самолетов и других летательных аппаратов, а также наземных и водных видов транспорта (автомобили, суда, поезда и др.).
С гололедом связаны большие материальные потери. При гололеде на 1 м провода может оседать от 10 г до 1 кг льда. Под тяжестью осевшего льда обрываются провода, ломаются не только ветви, но и деревья. При гололеде резко возрастает травматизм среди населения, а также сильно усложняется работа и повышается аварийность всех видов транспорта.