Оптические явления в атмосфере

В атмосфере рассеиваются волны в основном в видимом участке спектра.

Рассеивание света равно:

і= В λ^-4,где В- коэффициент.

Таким образом, интенсивность рассеиваемого света, изменяется обратно пропорционально 4 степени длины волны. Самые сильные волны ≈ в 2 раза короче красных и они рассеиваются в 16раз сильнее красных и окрашивают небо в синий цвет.

Крупные частицы аэрозоля, которых много в нижних слоях атмосферы, рассеиваются одинаково все виды волн. Иными словами они рассеивают белый свет. Поэтому в совокупности цвета небо- голубое. Цвет неба, таким образом это показатель чистоты атмосферы от примесей.

Цвет Солнца меняется с изменением его высоты от белого днем до желтого и, наконец, красного вечером. Красный цвет Солнца у горизонта объясняется тем, что солнечные лучи в этот момент проходят в атмосфере примерно в 40 раз больший путь, чем при положении Солнца в зените. Проходя сквозь такую толщу атмосферного воздуха, солнечные лучи теряют в результате рассеяния синие, а затем голубые и другие волны и до поверхности Земли доходят только красные волны, меняется спектральный состав солнечного света.

Атмосферное давление

Атмосферное давление – это одна из важнейших характеристик состояния атмосферы. Давление измеряется весом (пропорциональным массе) столба воздуха, который лежит выше на единицу горизонтальной поверхности.

Распределение атмосферного давления на поверхности Земли, неравномерное, потому что вес и давление зависят от плотности и от географической широты, потому что изменяется сила тяжести.

Плотность воздуха в свою очередь зависит от температуры влажности и давления. Эти зависимости выражают физическими Законами газов (Бойля-Мариотта).

Гей-Люссака и др. законами …… и сводятся к следующему:

- чем больше температура воздуха, тем меньше его плотность, т.к. с понижением температуры все тела расширяются и в единице объема его вес уменьшается;

- чем больше влажность воздуха, тем меньше его плотность, т.к. молярная масса водяного при составляет всего 0,622 молекулярной массы воздуха;

- чем больше давление, тем больше плотность газа, под которым газ находится.

Плотность сухого воздуха при нормальных условиях  φ =45⁰

t=0

р =113 гПа

р= р₀/ RT₀= 1,293 кг/м³ (Т =0,7)

0,947с. Т =273+100⁰

Для абсолютно сухого воздуха

р = р-е/ RT₀  + 0,622 е / RT₀  = Р/ RT₀ (1-0,378 е/р)

Практически плотность воздуха на Земле изменяется в пределах 1,175-1,200 кг/м³ (у экватора)^. При низких градусах -1,5-1,6 кг/м³

Атмосферное давление измеряется давлением ветренного столба воздуха на горизонтальную поверхность, который имеет сечение 1см².

Нормальное атмосферное давление равно весу ртутного столба барометра в 760мм, высота при 0⁰С на уровне моря и широте 45⁰. На поверхности, которая равняется 1см² такой столб давит с усилием:

76 х 13,596 = 1033,32 ВП₂

где 13,596 – удельный вес ртути

76 – высота ртутного столба в см или 1033,32 х 980,6 = 1013250 (2 см/с²).

В международной СИ – величина атмосферного давления измеряется в Па.

Паскаль – это давление вызванное усилием в один Ньютон, которое равномерно распределена на поверхность 1м² (Н/ м²).

Ньютон – это сила, измеряющая за 1 сек. скорость тела массой 1 кг на 1 м/сек., т.е. 1Н = 1 кг * м/с².

В практической метеорологии встречаем бар, т.е. 1 мил. дин на 1 см²

Миллибар – 1/10000 бар.

1 миллибар численно равен 1 гПа

Для перехода к миллиметрам ртутного столба существует зависимость.

1 мм. рт. ст. = 4/3 гПа = 1,3333Мбара

(С высотой) Основная причина неравномерного распределения давления является неравномерность притока тепла от Солнца, неравномерность распределения материков и океанов. Поэтому вместе с температурой атмосферное давление испытывает колебания.

Распределение атмосферного давления – имеет название барическое поле. Поверхность разных значений атмосферного давления имеют названия изобарической поверхности, а на плоскости изобар. Изобары – это линии равного атмосферного давления – это линии пересечения изобарических поверхностей с поверхностью Земли (моря).

Изобары на картах погоды проводят через пять или четыре гПа. Изобарические поверхности имеют наклоны относительно уровневых поверхностей.

В соответствии этого в разных своих точках изобарическая поверхность в последний момент находится на разной высоте.

Изменчивость барического поля в …. характеризуют барической тенденцией – это изменение атмосферного давление за 3часа. Барическая тенденция имеет знак - величину, а часто и характеристику (код КН-01с).

Горизонтальную изменчивость барического поля характеризуют барические градиенты, величина относительно небольшая.:… или на 1 широту. В барических образованиях 1-2-3 гПа на 100 км.

По вертикали давление изменяется значительно - это определено тем, что с изменением высоты изменяется и вес воздуха, действующей на единицу поверхности. Вертикальный барический градиент равен

G = g* p/RcT

где Rc — удельная газовая постоянная сухого воздуха равная

287 Дж/(кг- К).

При давлении у поверхности Земли 1000 гПа и температуре 273 К вертикальный градиент давления составляет 12,5 гПа/100 м. Величина, обратная вертикальному барическому градиенту, называется барической ступенью. Это высота, на которую достаточно подняться (опуститься) для того, чтобы давление уменьшилось (увеличилось) на 1 гПа/

При тех же условиях она составляет 8 м/гПа. Барический градиент и барическая ступень не являются константами. Они зависят от температуры и давления. Барический градиент с высотой становится все меньше, а барическая ступень все больше. При прочих равных условиях в холодном воздухе давление падает быстрее, чем в теплом, в сухом воздухе быстрее, чем во влажном воздухе.

Поскольку давление очень сильно зависит от высоты места, оно при метеорологических наблюдениях приводится к единому уровню (уровню моря). Делится это на барические формулы:

ФОРМУЛЫ

Во время наблюдений на судне давление и уровню моря приводит в завосимости от высоты барометр над ватерлинией принимающийся при опускании на 8 м давление увеличивается на 1 гПа или приблизительно 1 мм.рт.ст. / 10м.

Т.е. если высота от барометра 90 ватерлинии 16м , то к показаниям барометра прибавим 1,6 мм.рт.ст. или 2 гПа.

Наклон относительно поверхности Земли. Изменчивость Барического поля. Характерная барическая тенденция - изменение Р за 3 часа, имеет свой знак и величину 1,3 гПа-рост. Горизонтальное изменение барического поля характерна барическому градиент 12,5 гПа/100м- нормальные условия.

Вертикальный барический градиент- это показатель указывающий на изменение давления с высотой.

Величина обратная в барическом градиенте называется барической ступенью, она указывает на изменение высоты с р. 1мм рт.ст на 10м h. 1 гПа на 8 м h.

Во время наблюдения на судах Р, к уровню моря приводят в зависимости от высоты барометра ад ватерлинией, при этом принимают величины выше. Если h=16м = +1,6 мм ртст.

Ветер

Ветер- горизонтальное перемешение воздуха со скоростью более 06 м/с (ниже- штиль).

Измеряют скорость ветра в м/с или узлах, иногда км/ч по шкале Бофорта в морской практике. Направление ветра определяется направлением откуда дует ветер, измеряют в градусах от северного направления (азимут) или румбом. Влияние ветра на поведение судна велико и неоднозначно.

До появления автономных двигателей, ветер был движущейся силой для мореплавателей. И сейчас действие ветра очень велико для пороходства. При встречном ветре (сила) скорость судна уменьшается, при попутном – увеличивается. При боковом ветре происходит снос судна. Ветром создается давление , пропорционально квадрату скорости. Таким образом, при увеличении скорости в 2 раза, сила увеличивается в 4.

Даже при слабом увеличении ветра, ДАВОЛЬНО ИНТЕНСИВНО ВОЗРСТАЕТ ДАВЛЕНИЕ надстройки и на борт корабля. Имеет большое значении парусность судна. Так , например, полностью загруженный контейнеровоз намного больше подвергается воздействию ветра, чем танкер имеющий ту же длину.

Ветер вызывает волны, h которая также сильно зависит от параметров ветра: сила, скорость, длина нагона, направление, продолжительность действия. И ветер может вызывать течения достигающие 5 узлов (2-3м/с)

В прибрежных областях и устьях рек, ветром часто создаются сгоны и нагоны воды. Так, например, на р.Дунай, действия ветра прослеживается до порта Рени, а в городе Вилково амплитуда ветровых колебаний достигает 1 м и более (особенно осенью, зимой).

Атмосфера пребывает в непрерывном движении. Горизонтальная составляющая движения называется ветром.

Воздух стремится перейти из облаков, где давление больше , в облака, где оно ниже.

Причиной появления ветра являются разность давления- т.е. горизонтальный градиент давления.

Роза ветров — диаграмма, дающая наглядное представление о распределении ветра по направлениям. Она обычно имеет форму восьмиугольника. Рисунок.

Определение скорости и направления ветра на движущемся судне.

Истинный ветер- ветер, действующий на поверхность моря ,и относительно поверхности.

Курсовой ветер- ветер, возникающий из-за движения судна и численно равный скорости судна, его направление совпадает с курсом судна.

Кажущийся ветер - это ветер который непосредственно измеряется на движущемся судне- ветер относительного судна или наблюдается на судне.

Истинный ветер можно определить: визуального, инструментального, с помощью карт погоды.

Иногда при небольшой скорости, направление ветра определить по движению систем наиболее мелких волн, бегущих по поверхности крупных волн.

При сильном ветре образуется пена и направление по направлению полос пены.

Ветер дует перпендикулярно движущих систем мелких волн, в 1-м случае и по полоскам пены во 2-м. Чаще всего поверхность моря имеет хаотический вид. Она является интегральным компонентом состоящим из самых разных волновых движений, ветровые, зыби и прочее. Определить направление ветра в этом случае не представляется возможным. Для визуальной оценки, в морской практике пользуются шкалой Бофорта.

Бофорт- адмирал Британского флота (1805г.). В шкале дается состояние моря в балах. Ноль соответствует штилю, а 12- ураганному ветру. Это описание в дальнейшем подкреплено фото и подробным описанием.

Инструментальный метод –этот метод предполагает использование анемометров (механических индукционных электронных). Все современные суда снабжены дистанционным методатчиками которые фиксируют направление (флюгеры разной конструкции) и анемометрами- приборы фиксирующие скорость.

В случае выхода из строя судовой метеостанции или её отсутствия, для измерения параметров ветра применяет компас, вымпел, ручной анемометр. Поскольку задача сводится к определении истинного ветра, то для канала устанавливают курсовой и кажущийся ветер.

Курсовой равен по направлению курса и скорости движения суда. Кажущийся измеряют по …. палубе. Направление измеряют с помощью компаса, «ветер должен дуть в компас». Истинный ветер (измеряют) рассчитывают по курсовому и кажущемуся - это сумма векторов кажущегося и курсового ветра.

Важно помнить правило, что истинный ветер дует в тот же борт, что и кажущейся. Истинный ветер будет сторонами параллелограмма, а диагональю этого параллелограмма будет- кажущейся ветер.

Графический способ определение истинного ветра предполагает восстановление параллелограмма, при этом курсовой ветер- это стороны параллелограмма, а кажущейся это диагональ параллелограмма.

Решить задачу, нахождения истинно ветра можно аналитическом способом по теоремам синусов и косинусов. Этот способ записан в алгоритмы компьютерных программ. Существует ещё прибор, позволяющий графо-механическим способом получить значение истинного ветра- это круг СМО (Севастопольска морская обсерватория). Рисунок.