1.3 Физические характеристики атмосферы

Состояние атмосферного воздуха на разных высотах описывается физическими характеристиками, такими как, например, температура, давление, влажность, плотность. Часть этих характеристик определяется путем инструментальных измерений, другая часть – с помощью вычислений. Измерение метеорологических величин, а также регистрация атмосферных явлений относится к метеорологическим наблюдениям. К метеорологическим величинам относятся: температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направле­ние ветра, количество и высота облаков, количество осадков, потоки тепла и др.

1.3.1 Температура воздуха

Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется с изменением времени. Кроме того, в разных местах Земли в одно и то же время она также различна. У земной поверхности температура воздуха меняется в широких пределах: наиболее высокое значение темпе­ратуры, измеренное до сих пор, в тропических пустынях — немного ниже 60°С, а самое низкое значение температуры воздуха, наблюдавшееся на советской станции «Восток» в Ан­тарктиде, около – 90°С.

Температура воздуха, а также почвы и воды в метеороло­гии в большинстве стран измеряется в единицах СИ, т. е. в граду­сах Международной температурной шкалы, или шкалы Цельсия (°С). Нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лед, а 100°С — на температуру кипения воды (и то и другое при нормальном давлении— 1013 гПа).

В США, Англии и некоторых странах бывшей Британской империи до сих пор используется температурная шкала Фаренгей­та. За нуль в этой шкале принята температура смеси снега и нашатыря, а за 100°F — нормальная температура человеческого тела. По шкале Фаренгейта 0°С соответствует +32°F, а 100°С +212⁰F. Таким образом, 100°С = 180°F, отсюда 1⁰ С = (9/5) °F, 1°F = (5/9) °С. Переход от шкалы Фаренгейта к шкале Цельсия и наоборот осуществляется по формулам:

t°С = (5/9)(t⁰ F-32) t°F = (9/5) t⁰ C + 32

Отсюда можно определить, что 0°F соответствует примерно — 17,8°С.

Для измерения температуры воздуха применяются термометры: жидкостные (ртутные и спиртовые), металлические (термометры сопротивления, биметаллические спирали и пластины), полупроводниковые (термисторы). Для непрерывной записи температуры используются суточные и недельные термографы. На метеоплощадках термометры размещают в метеобудках, хорошо вентилируемых и защищенных от прямых солнечных лучей, на высоте 2 м над землей. Температура воздуха для практического применения измеряется с точностью до 0,1⁰ С а в метеорологических телеграммах и на картах погоды указывается в целых числах.

В вертикальном направлении температура воздуха и растет, и падает. В нижней части атмосферы – в тропосфере – возможно и то, и другое. Преобладает падение Т со средним градиентом 0,5 – 0,7⁰/ 100 м. В тропопаузе температура почти не меняется с высотой: 0,1 – 0,2⁰/ 100 м. В высоких широтах высота тропопаузы 8 – 10 км, в средних широтах 10 – 12 км, на экваторе выше 16 км. В стратосфере температура с высотой растет.

Как высота тропопаузы, так и ее температура изменяются не только в годовом ходе, но и день ото дня. Эти изменения высоты и температуры тропопаузы связаны с прохождением областей низкого и высокого атмосферного давления: циклонами и антициклонами. в циклонах тропопауза понижается и ее температура повышается, в антициклонах высота повышается, температура понижается.

Для количественной оценки пространственного изменения температуры используется понятие градиента температуры, т.е. изменение температуры на единицу расстояния. В метеорологии принято считать градиент температуры положительным, если её величина с расстоянием уменьшается. Вертикальный градиент температуры γ – изменение температуры на 100 м высоты. При понижении температуры с высотой γ > 0, при повышении γ < 0 (слой инверсии), а если температура воздуха не изменяется с высотой, то γ = 0 (слой изотермии). На рис. 1.1 представлен график изменения температуры с высотой, называемый кривой стратификации. Как видно на графике в слое от 0 до 500 м наблюдается инверсия, а в слое от 2000 до 3000 м – изотермия.

Для представления распределения температуры вдоль поверхности земли или на каком-либо уровне в атмосфере значения температуры в пунктах наблюдения наносятся на карту. При анализе карт проводят линии равных значений температуры - изотермы.