Климатообразующие процессы:

Теплооборот — процессы и показатели, определяющие тепловой режим региона. К ним относятся: суммарная солнечная радиация, радиационный баланс; температурный режим, который характеризуется среднегодовыми температурами и сезонным изменением темпера­тур, особенностями хода изотерм, в меньшей степени - абсолютными максимумами и мини­мумами температур;

Циркуляция определяется разрешением барических систем по сезонам и, как следствие, господствующих ветров. При этом различают ветры общей циркуляции (пассаты, муссоны, переносы и т.д.) и местные ветры (бризы, фены, горно-долинные и т.д.);

Влагооборот характеризует режим влаги региона, его определяют следующие показа­тели: годовое количество осадков и особенности их размещения, распределение осадков по сезонам и тип режима осадков, среднегодовая испаряемость и коэффициент увлажнения.

Типы воздушных масс формируются в зависимости от принадлежности к основным климатическим поясам и от характера увлажнения. В соответствии с этим выделяются ос­новные типы воздушных масс, которые называются по соответствующим названиям клима­тических поясов (арктические, антарктические, умеренные, тропические, экваториальные). В переходных, или промежуточных, климатических поясах (субарктическом, субантарктиче­ском, субтропических, субэкваториальных) эти основные типы воздушных масс господству­ют по сезонам, проникая из соседнего основного климатического пояса, где данный тип воз­душной массы господствует круглый год (зимой проникая со стороны полюса, летом - со стороны экватора).

Все основные типы воздушных масс (кроме экваториальных), помимо этого подразде­ляются на два подтипа: морской и континентальный в зависимости от подстилающей по­верхности в места их формирования.

Типы климатов земного шара

В различных климатических поясах на суше формируются следующие основные типы климата.

Экваториальный пояс расположен в экваториальных широтах, достигая местами 8° широты. Суммарная годовая солнечная радиация 100...160 ккал/см², годовой радиацион­ный баланс 60...70 ккал/см².

Экваториальный жаркий влажный климат занимает западные и центральные части материков и области островов Индийского океана и Малазийского архипелага в экватори­альном поясе. Среднемесячные температуры +25...+28°С весь год, сезонные колебания 1...3°С. Циркуляция муссонная: в январе ветры северных румбов, в июле - южных. Годовое количество осадков обычно 1000...3000 мм (иногда больше), при равномерном выпадении на протяжении года. Увлажнение избыточное. Постоянно высокие температуры и высокая влажность воздуха делают этот тип климата чрезвычайно тяжелым для человека, особенно для европейца Имеется возможность круглогодичного тропического земледелия с выращи­ванием двух урожаев в год.

Субэкваториальные пояса расположены в субэкваториальных широтах обоих по­лушарий, достигая местами 20° широты, а также в экваториальных широтах на восточных окраинах материков. Суммарная годовая солнечная радиация 140...170 ккал/см², годовой ра­диационный баланс 70...80 ккал/см². В связи с сезонным перемещением межтропической ба­рической депрессии из одного полушария в другое вслед за зенитальным положением солнца наблюдается сезонная смена воздушных масс, ветров и погод. Зимой в каждом полушарии господствуют КТВ, ветры пассатного направления к экватору, погоды антициклонические. В каждом полушарии летом господствуют ЭВМ, ветры (экваториальный муссон) противопассатного направления от экватора, погоды циклонические.

Тропические пояса расположены в тропических широтах, достигая местами 30...35" широты; а на западных окраинах Южной Америки и Африки в южном полушарии

тропический пояс выклинивается, потому что здесь из-за холодных океанических течений межтропическая барическая депрессия круглый год располагается севернее экватора и юж­ный субтропический климатический пояс достигает экватора. Круглогодично господствуют тропические воздушные массы и пассатная циркуляция. Суммарная годовая солнечная ра­диация достигает на планете своего максимума: 180...220 ккал/см², радиационный баланс 60...70 ккал/см².

Субантарктический пояс располагается за южным умеренным поясом и достигает 63...73⁰ ю.ш. Суммарная годовая солнечная радиация 65...75 ккал/см², радиацион­ный баланс +20...+30 ккал/см². Сезонная смена воздушных масс: зимой господствует антарк­тический воздух, летом - умеренный.

Субантарктический морской климат занимает весь субантарктический пояс, суша только на Антарктическом полуострове и на отдельных островах. Зима продолжительная и умеренно суровая: средние температуры 8...12°С; лето короткое, очень прохладное и сырое: средние температуры +2...+4 °С; сезонные колебания температур Ю...12°С. Ярко выражена сезонная смена воздушных масс и ветров: зимой с Антарктиды стекает КАВ с присущими ему ветрами восточного переноса, при этом по мере прохождения над океаном он немного нагревается и трансформируется в МАВ; летом господствуют МУВ и ветры западного пере­носа. Годовое количество осадков 500...700 мм при зимнем максимуме, связанном с прохож­дением циклонов по антарктическому фронту. Увлажнение избыточное. Условия для обита­ния человека суровые, есть возможность для развития сезонных морских промыслов.

Арктический пояс размещается в северных приполярных широтах. Суммарная годовая солнечная радиация 60...80 ккал/см², радиационный баланс +5...+15 ккал/см². Круг­логодично господствуют арктические воздушные массы.

Антарктический пояс располагается в южных приполярных широтах, пре­имущественно на материке Антарктида, и климат формируется при господствующем воздей­ствии ледяного щита Антарктиды и антарктического пояса относительно высокого давления. Суммарная годовая солнечная радиация 75... 120 ккал/см². Вследствие круглогодичного гос­подства континентального антарктического воздуха, сухого и прозрачного над ледяным щи­том, и многократного отражения солнечных лучей во время полярного дня летом от поверх­ности льда, снега и облаков, величина суммарной солнечной радиации во внутренних рай­онах Антарктиды достигает величины суммарной радиации в субтропическом поясе. Однако годовой радиационный баланс составляет -5... 10 ккал/см², причем весь год он отрицатель­ный, что обусловлено большой величиной альбедо поверхности ледяного щита (отражается до 90% солнечной радиации). Исключения составляют небольшие оазисы, освобождающиеся летом от снега. Круглогодично господствуют антарктические воздушные массы.

Литература: 1осн. [121-127].

Контрольные вопросы:

1. Какие газы на изменение климата оказывают влияние в первую очередь.

2. Последствия глобального изменения климата.

3. Климатообразующие процессы.

4. Типы климатов земного шара.

Тема лекции II - Формирование и динамика Климата. Антропогенное влияние на климат Земли.

Условия обитания для человека аналогичны арктическому климату с холодной зимой. Вследствие антропогенных процессов происходит поступление в тропосферу целого ряда других газов, выбрасываемых автотранспортом и промышленными предприятиями. Ежегод­ное антропогенное попадание загрязняющих газов в тропосферу неуклонно растет. Антропо­генные процессы поставляют в воздух тропосферы ряд аэрозолей:

• твердые частицы дыма, сажи, пепла, поступающие при сгорании топлива;

• капли кислот, выбрасываемые промышленными предприятиями;

• продукты искусственного радиоактивного распада, попадающие в воздух при испыта­тельных взрывах атомных и термоядерных бомб.

Особенно много антропогенных аэрозолей поступает в воздух больших городов, где в 1 см воздуха содержатся десятки тысяч аэрозольных частиц, а за год на каждый квадратный километр выпадают из атмосферы сотни тонн аэрозолей. В сельской местности воздух со­держит на порядок, а над океанами - на два порядка меньше аэрозолей, чем в крупных горо­дах.

Основные антропогенные источники загрязнения воздуха

Загрязнение воздуха автотранспортом. В результате работы автомобильных двигателей (бензиновых и дизельных) в воздух с выхлопными газами поступает около 200 вредных при­месей:

• углекислый газ (особенно много дают бензиновые двигатели);

• угарный газ (возникает от горения при недостатке кислорода и, рассеиваясь, превраща­ется в углекислый газ, но может скапливаться на перекрестках, когда большое количество машин работает у светофора на холостом ходу);

• оксиды азота;

• разные углеводороды (включая канцерогенный бенз(а)пирен);

• альдегиды;

• сернистый ангидрид и др.

Один автомобиль ежегодно поглощает 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газа­ми 800 кг СО, около 40 кг оксидов азота и 200 кг углеводородов. А современный автопарк мира составляет более 500 млн. .автомашин.

Широко используемый этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец, который до­бавляется к бензину в качестве антидетонатора. При сгорании тетраэтилсвинца получаются соединения свинца, которые распространяются в атмосферном воздухе по всей планете и в результате за 100 лет в гренландских льдах содержание свинца увеличилось в 5 раз; соеди­нения свинца, растворяясь в воде, за 20 лет повысили его содержание в воде океана в 10 раз.

Дым из глушителя автомобиля с бензиновым двигателем бывает связан с излишне обога­щенной смесью или повышенным износом двигателя. На степень загрязнения воздуха влияет и режим езды: быстрая плавная езда способствует уменьшению вредных выбросов и их бы­строму рассеиванию; езда рывками с чередованием разгонов и торможений увеличивает за­грязняющие выбросы; работа двигателя на холостом ходу тоже поставляет повышенное ко­личество загрязнителей.

Загрязнение воздуха авиацией. В аэропорту при взлете и посадке самолетов наблюдаются пики поступления загрязнителей в воздух. Так, при взлете только одного самолета «Боинг» выделяется столько же вредных веществ, сколько выбрасывают 6850 одновременно разго­няющихся легковых автомашин «Фольксваген».

Высотная авиация, выделяя в стратосфере большое количество оксидов азота, вызывает реакции, ведущие к резкому сокращению озона в атмосфере.

Загрязнение воздуха ракетоносителями В связи с освоением околоземного космическо­го пространства происходит усиленное воздействие человека на термосферу. В околоземное пространство в результате запуска нескольких десятков тысяч космических ракет и кораблей выведены сотни тысяч тонн твердого и газообразного вещества. Например, запуск ракеты типа «Аполлон» образует в воздухе термоэрозионную колонну с интенсивностью горения маршевых двигателей 140 т/с. В результате сгорания в атмосфере металлических конструк­ций ракет и ракетоносителей, а также вследствие выгорания сопл ракет происходит загряз­нение высоких и более плотных слоев атмосферы такими тугоплавкими элементами, как ти­тан, тантал, ниобий, никель, а также железом, алюминием, бором и др. Все это приводит к металлизации верхних слоев атмосферы, которая уже в 3...4 раза превышает естественную (кстати, потому и спутники раньше срока падают), однако все еще не признано, что именно запуски космических аппаратов накачали туда инородные вещества. Испытание ракетоносителя типа «Сатурн» в 1973 г. и нового топлива на маршевых режимах привело к выгоранию 99% свободных электронов на атомах водорода, который по термоэрозионпым колоннам диссипировал в межпланетное пространство. Только один старт «Шаттла» гасит не менее 10 млн. т озона.

Загрязнение воздуха при сжигании топлива. На планете ежегодно сжигается более 10 млрд. т топлива (условного). При этом только углекислого газа выбрасывается более 25 млрд. т. Кроме того, при сгорании топлива выделяется ряд вредных веществ:

• оксиды углерода (как и углекислый газ, образуется даже при нормальной работе топоч­ных установок);

• альдегиды;

• соединения серы (обычно сернистый и серный ангидриды в присутствии воды или ее паров образуют сернистую и серную кислоты, что приводит к выпадению так называемых кислотных дождей);

• оксиды азота (образуются особенно при высоких температурах);

• сажа, дым и пыль.

Антропогенные процессы в атмосфере

Изменение состава воздуха связано с хозяйственной деятельностью человека, в результа­те которой все более нарушается природное соотношение кислорода и углекислого газа.

С одной стороны, природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы посте­пенно сокращается из-за:

• сжигания топлива (ежегодно сжигается 9 млрд. т топлива (условного), на что потребля­ется 15,8 млрд. т кислорода);

• авиации, особенно реактивной (только один реактивный самолет на трассе «Европа - Америка» сжигает за полет 35 т кислорода, которого хватило бы для дыхания 12 тыс. чело­век в течение суток);

• автотранспорта (автопарк мира за год расходует более 5 млрд. т кислорода);

• вырубки лесов, т. е. сокращения лесопокрытых площадей (леса - поставщики кислоро­да, а, например, за последнее время площадь тропических лесов резко сокращается);

• производственных процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические процессы, потребляющие кислород);

• процессов окисления (металлов, органических остатков при разложении и др.).

Ежегодная антропогенная убыль кислорода в приземном воздухе оценивается в Ю...31,5млрд. т, а содержание кислорода в воздухе крупных промышленных центров снижается до 19%, содержание же кислорода в воздухе, пригодном для дыхания человека, должно быть не менее 17%. Люди расходуют кислорода на 15...20% больше, чем его вырабатывают растения планеты. Так, некоторые страны (США, Швейцария, страны с преобладанием пустынных ландшафтов) находятся уже на «кислородном иждивении» стран, имеющих большие площа­ди лесов, - Канады, Бразилии, России, так как общепланетарная циркуляция атмосферы в определенной степени компенсирует антропогенную убыль кислорода в отдельных регио­нах. На территории России имеются регионы, которые тоже имеют отрицательный баланс кислорода. Например, в пределах Центрального экономического района в результате только сжигания предприятиями около 100 млн. т горючего ежегодно нарастает дефицит кислорода, превышающий 120 млн. т, несмотря на то, что общая площадь лесов, восстанавливающих запасы кислорода, составляет не менее 45% территории.

С другой стороны, увеличивается выделение углекислого газа в атмосферу из-за:

• сжигания топлива (на предприятиях, транспортом и в котельных);

• лесных пожаров;

• сокращения лесопокрытых площадей и ряда других причин.

В результате роста концентрации в атмосфере в первую очередь углекислого газа в по­следнее время наблюдается усиление парникового эффекта.

Парниковый (тепличный) эффект атмосферы - ее защитное дей­ствие в процессе лучистого теплообмена Земли с мировым пространством. Атмосфера доста­точно хорошо пропускает к земной поверхности солнечную радиацию, но длинноволновое излучение земной поверхности сильно поглощается атмосферой: водяной пар задерживает около 60% теплового излучения Земли и углекислый газ - до 18%. Нагретая таким образом атмосфера посылает к земной поверхности встречное излучение, в значительной мере ком­пенсирующее радиационную потерю тепла земной поверхностъю. В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23°С, а в действительности она состав­ляет +15°С.

Таким образом, углекислый газ поглощает радиацию в инфракрасной части спектра и поэтому способствует уменьшению длинноволновой радиации поверхностью Земли. При этом сокращается тепловое излучение и повышается температура приземного слоя воздуха. За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036%. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6°С. Если этот про­цесс продолжится и температура приземного слоя атмосферы поднимется еще на 0,6...0,7°С, „ произойдет интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии. Это приведет к повы­шению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн. км² низменных, наиболее густозасе­ленных равнин.

Загрязнение воздуха выбросами промышленных предприятий наиболее существенно при производстве черных и цветных металлов (особенно алюминия), цемента, продуктов химии и нефтехимии, а также бумаги.

Предприятия черной металлургии содержат в выбросах: обычные и тонкие пыли, разные дымы (в том числе рыжие от оксидов железа), сернистый ангидрид, оксид углерода и соеди­нения фтора. В передельной металлургии на 1 т чугуна происходит выброс 4,5 кг пыли, 2,7 кг сернистого ангидрида, 0,1...1,5 кг марганца. Доменные выбросы содержат соединения мышьяка, фосфора, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества. Агломе­рационные фабрики поставляют в воздух 190 кг сернистого ангидрида на каждую тонну ру­ды при выгорании серы из пиригов. Мартеновский и конверторный сталеплавильные про­цессы при подаче кислорода в расплавленный металл выбрасывают на 1 т стали 15...52 г/м³ пыли, до 60 кг оксида углерода и до 3 кг сернистого ангидрида.

Предприятия цветной металлургии поставляют загрязнители: аммиак, сернистый ангид­рид, углекислый газ, оксид углерода, m>uli оксидов металлов и др.

При электролитическом способе получения 1 т алюминия выделяется 33...47 кг фтора в виде газообразных и пылевидных фтористых соединений, из них 65% попадает в атмосферу.

Цементная промышленность дает пыль, особенно при измельчении клинкера (обож­женной сырьевой смеси для изготовления цемента) в шаровых мельницах и дробилках.

Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность поставляют разнообразные загрязнители в виде газов, аэрозолей и паров.

Производство бумаги дает загрязнители часто с неприятными запахами - меркаптаны (тиолы), а также копоть, сернистый ангидрид, сероводород и др.

Загрязнение воздуха в сельских районах осуществляется животноводческими и птице­водческими фермами, промышленными комплексами по производству мяса, энергетически­ми и теплосиловыми предприятиями. В районе расположения помещений для содержания скота и птиц в воздух могут поступать аммиак, сероводород и другие дурно пахнущие газы. Использование пестицидов, особенно при авиахимической обработке земли, может приво­дить к их распространению в воздухе в зависимости от направления ветра в момент опыле­ния или опрыскивания.

Кроме того, в сельской местности может повышаться содержание в воздухе пыли при обработке земли, обмолачивании зерна, от использования грунтовых дорог.

Последствиями антропогенного воздействия на атмосферу являются изменения кли­мата, которые имеют разные масштабы. Обычно различают глобальные и региональные из­менения. Следует отметить, что изменения климата чаще всего протекают под действием не одного, а целого ряда факторов, среди которых может быть какой-то основной.

Литература. 1осн.[121-127],2доп .[132-136]

Контрольные вопросы

1. Динамика формирования климата

2. Что лежит в основе действия климатического фактора

3. Основные антропогенные источники загрязнения воздуха

4. Антропогенные процессы в атмосфере

Тема лекции 12 - Метеорологические наблюдения и прогнозы. Основы гидрометрии. Общие закономерности гидрологических процессов.

Метеорология - наука о земной атмосфере, её строении, свойствах и происходящих в ней явлениях и процессах. Задачи современной метеорологии не ограничиваются объяснени­ем физической сущности атмосферных процессов. Углубленное изучение физики атмосферы позволило выделить ряд самостоятельных наук (научных дисциплин), имеющих свои объек­ты изучения. К таким наукам относятся: прежде всего синоптическая метеорология, изу­чающая погоду и методы её предсказания; динамическая метеорология, изучающая теорети­ческие вопросы физики атмосферы с широким использованием современного математиче­ского аппарата; климатология, изучающая средний режим погоды отдельных районов в за­висимости от их географического положения и физико - географических особенностей. Про­цессы, происходящие в средних и высоких слоях атмосферы (от 1.5 км до нескольких десят­ков км) изучает аэрология. В последние годы, в связи с интенсивным развитием космонавти­ки, получила развитие аэрономия - наука, изучающая самые высокие слои атмосферы (более 100 км) с помощью метеорологических и геофизических ракет и искусственных спутников Земли.

В процессе практического использования метеорологических сведений выделялись и продолжают выделяться некоторые прикладные отрасли метеорологии. Важнейшие из них - сельскохозяйственная метеорология, авиационная метеорология, космическая метеороло­гия, морская метеорология, медицинская метеорология и др.

Среди перечисленных выше дисциплин синоптическая метеорология занимает особое место. Знание причин возникновения различных атмосферных явлений, умение предсказы­вать эти явления, особенно стихийные, имеет большое практическое значение.

В круг задач метеорологии входит: 1) изучение состава и строения атмосферы; 2) изуче­ние теплооборота и теплового режима в атмосфере и на земной поверхности, включая радиа­ционные процессы и различные механизмы нерадиационного обмена между атмосферой и подстилающей поверхностью и внутри атмосферы; 3) изучение влагооборота и фазовых пре­образований воды в атмосфере во взаимодействии ее с земной поверхностью; 4) изучение атмосферных движений — общей циркуляции атмосферы, частей ее механизма и местных циркуляции; 5) изучение электрического поля атмосферы; 6) изучение оптических и акусти­ческих явлений в атмосфере. Важную роль играет во всех задачах метеорологии теория и техника метеорологических наблюдений.

Для анализа этих наблюдений применяются статистический и синоптический методы; важной задачей является построение физико-математической теории атмосферных процес­сии, имеющей конечной целью прогноз атмосферных явлений. В последнее время в М. поставлена задача активного воздействия на атмосферу.

Основными факторами, влияющими на формирование климата Земли, является солнеч­ная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием и происходит формирование климатов в различных районах земного шара.

Количество поступающего солнечного тепла зависит от ряда факторов, однако опреде­ляющим является угол падения солнечных лучей. Поэтому в низкие широты поступает зна­чительно больше солнечной энергии, чем в средние и тем более высокие.

Климатология - раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних харак­теристик атмосферы за какой-либо период - сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок. Другими разделами метеорологии являются динамическая метеорология (изучение физических механизмов атмосферных процессов), физическая ме­теорология (разработка радиолокационных и космических методов исследования атмосфер­ных явлений) и синоптическая метеорология (наука о закономерностях изменения погоды).

Из-за особенностей взаимного положения Солнца и Земли равные по площади экватори­альные и полярные регионы получают совершенно разное количество солнечной энергии. Экваториальные районы получают больше энергаи, чем полярные, и их акватории и расти­тельность поглощают больше приходящей энергии. В полярных районах велико альбедо снежного и ледяного покровов. Хотя лучше прогреваемые экваториальные области темпера­тур излучают больше тепла, чем полярные, тепловой баланс складывается так, что полярные регионы теряют больше энергии, чем получают, а экваториальные - получают больше энер­гии, чем теряют. Поскольку не происходит ни потепления экваториальных районов, ни вы­холаживания полярных, очевидно, что для сохранения теплового баланса Земли избыток те­пла должен перемещаться из тропиков к полюсам. Это перемещение является главной дви­жущей силой циркуляции атмосферы. Воздух в тропиках прогревается, поднимаясь и расши­ряясь, и перетекает к полюсам на высоте ок. 19 км. Вблизи полюсов он охлаждается, стано­вится более плотным и опускается к земной поверхности, откуда растекается по направле­нию к экватору.

Наша планета имеет шарообразную форму, поэтому солнечные лучи падают на земную поверхность под разными углами и нагревают её неравномерно. На экваторе, где солнечные лучи падают отвесно, поверхность Земли нагревается сильнее. Чем ближе к полюсам, тем меньше угол падения солнечных лучей и тем слабее нагревается поверхность. В полярных областях лучи как будто скользят по планете и почти не нагревают её. К тому же, проходя в атмосфере длинный путь, солнечные лучи сильно рассеиваются и приносят на Землю мень­ше тепла. Приземный слой воздуха нагревается от подстилающей поверхности, следователь­но, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.

Известно, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца, поэтому Северное и Южное полушария нагреваются неравномерно в зависи­мости от времён года, что тоже влияет на температуру воздуха. В любой точке Земли темпе­ратура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. Она зависит от того, как высоко стоит Солнце над горизонтом, и от продолжительности дня. В течение суток самая высокая температура наблюдается в 14—15 часов, а самая низкая — вскоре после восхода Солнца.

Изменение температуры от экватора к полюсам зависит не только от географической широты мест - «а та, но и от планетарного переноса тепла из низких широт в высокие, от распределения на поверхности планеты материков и океанов, которые по-разному нагрева­ются Солнцем и по-разному отдают тепло, а также от положения горных хребтов и океани­ческих течений. Например, Северное полушарие теплее Южного, потому что в южной по­лярной области находится крупный материк Антарктида, покрытый ледяным панцирем.

На картах температуру воздуха над земной поверхностью показывают с помощью изо­терм — линий, соединяющих точки с одинаковой температурой. Изотермы близки к парал­лелям только там, где пересекают океаны, и сильно изгибаются над материками. На основе карт изотерм на планете выделяют тепловые пояса. Жаркий пояс расположен в экваториаль­ных широтах между среднегодовыми изотермами +20 °С. Умеренные пояса находятся к се­веру и югу от жаркого и ограничены изотермами + 10 °С. Два холодных пояса лежат между изотермами + 10 "С и 0 "С, а у Северного и Южного полюсов находятся пояса мороза.

С высотой температура воздуха убывает в среднем на 6°С при подъёме на 1 км.

Осенью и весной нередко случаются заморозки — понижение температуры воздуха но­чью ниже О °С, в то время как среднесуточные температуры держатся выше нуля. Заморозки чаще всего происходят в ясные тихие ночи, когда на данную территорию поступают доста­точно холодные воздушные массы, например, из Арктики. При заморозках воздух значи­тельно охлаждается у земной поверхности, над холодным слоем воздуха оказывается тёп­лый, и происходит температурная инверсия — повышение температуры с высотой. Она час­то наблюдается в полярных областях, где в ночные часы земная поверхность сильно охлаж­дается.

Погода на Земле очень переменчива, иногда всего за сутки можно испытать на себе её непостоянный характер: в начале дня ежиться от утренней прохлады, днём мучиться от жа­ры, а вечером промокнуть под дождём. Погодой называют состояние атмосферы в опреде­лённом месте в данный момент или в течение некоторых промежутков времени. Она харак­теризуется несколькими показателями — количеством солнечной радиации, температурой воздуха и его влажностью, атмосферным давлением, силой и направлением ветра, облачно­стью, осадками. Погода зависит от того, на какой широте находится данное место, от време­ни года и времени суток, от перемещения воздушных масс, формирования циклонов, анти­циклонов и атмосферных фронтов.

Современные научные исследования позволяют предсказывать погоду. На основе пока­заний, полученных с всемирных метеорологических станций, морских судов, самолётов, ис­кусственных спутников Земли, создаются синоптические (от греч. synoptikos - способный всё обозреть) карты. Прогноз погоды необходим не только для того, чтобы знать, какую одежду надеть и взять ли с собой зонтик. Он нужен работникам сельского хозяйства, без него не мо­жет обойтись транспорт и некоторые другие отрасли промышленности.

Воздух постоянно передвигается, поэтому в районах, где встречаются воздушные массы, обладающие разными свойствами, формируются атмосферные фронты — переходные зоны на границе соприкосновения двух воздушных масс. Они сильно наклонены к земной поверх­ности и распространяются на тысячи километров при ширине в десятки километров. Вверх 1ти зоны обычно поднимаются на несколько километров, а иногда простираются до страто­сферы. Воздушные массы, разделённые поверхностью фронта, расположены так, что холод­ный воздух лежит под тёплым в виде клина. Если линия фронта перемещается по земной по­верхности в сторону более холодного воздуха, то фронт называют тёплым.

При прохождении холодного фронта линия фронта перемещается в сторону тёплого воздуха, который отходит или вытесняется вверх более холодным клином.

Циклоном (от греч. kyklon - вращающийся, кружащийся) называется атмосферный вихрь с низким давлением в центре. В циклоне ветры дуют от периферии к центру, в Северном по­лушарии против часовой стрелки, а в Южном - по часовой стрелке. В течение года в умерен­ных широтах формируются сотни циклонов. В высоту они могут распространяться от 2 до 20 ими достигать в диаметре 2— 3 тысяч километров, охватывая территорию нескольких евро­пейских стран. Циклоны перемещаются чаще всего с запада на восток, в направлении общего переноса воздуха. Они движутся со скоростью 30—40 км/ч и за сутки преодолевают большие расстояния.

Перед приближением циклона на западе появляются перистые облака, давление падает. Постепенно усиливаются ветер и облачность. Для передней части циклона характерны обложные осадки, связанные с восходящими движениями воздуха, — тёплый воздух в центре циклона вытесняется вверх более холодным воздухом, окружающим его. Летом циклоны приносят похолодание, а зимой — оттепели.

В низких широтах образуются тропические циклоны. Они меньше по размеру, чем циклоны умеренных широт, но характеризуются более высокими скоростями ветра.

Между циклонами развиваются антициклоны (от греч. anti — против и kyklon — вращающийся) - атмосферные вихри с высоким давлением в центре. В антициклонах ветер направлен из центра к периферии и отклоняется в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном против часовой стрелки. В антициклоне преобладают движения воздуха, поэтому

устанавливается малооблачная и сухая погода. Летом в антициклоне безоблачно и жарко, а зимой - мороз. Антициклоны - устойчивые образования, над определённой территорией они могут сохраняться дольше циклонов, существующих от нескольких суток до 1—2 недель, а иногда и дольше. Большие массы воздуха в тропосфере, соизмеримые по размерам с матери­ком или океаном и обладающие более или менее одинаковыми свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью, содержанием пыли и т.п.), называются воздушными массами. Они простираются вверх на несколько километров, достигая границ тропосферы.

Воздушные массы перемещаются из одних районов земного шара в другие, определяя климат и погоду на данной территории. Каждая воздушная масса обладает свойствами, ха­рактерными для района, над которым она сформировалась. Перемещаясь на другие террито­рии, она несёт с собой свой режим погоды. Но проходя над территорией с иными свойства­ми, воздушные массы постепенно изменяются, трансформируются, приобретая новые каче­ства.

В зависимости от регионов образования различают четыре типа воздушных масс: аркти­ческие (в Южном полушарии - антарктические), умеренные, тропические и экваториальные. Все типы делятся на подтипы, обладающие своими характерными свойствами. Над матери­ками формируются континентальные воздушные массы, а над океанами — океанические. * * Смещаясь вместе с поясами атмосферного давления в течение года, воздушные массы зани­мают не только постоянные пояса своего пребывания, но по сезонам господствуют в сосед­них, переходных климатических поясах.

В процессе общей циркуляции атмосферы воздушные массы всех типов связаны между собой. Воздушные массы, которые перемещаются с более холодной земной поверхности на более тёплую и которые имеют более низкую температуру, чем окружающий воздух, назы­вают холодными воздушными массами. Они приносят похолодание, но сами прогреваются снизу от тёплой земной поверхности, при этом образуются мощные кучевые облака и выпа­дают ливневые дожди. Особенно сильные похолодания происходят в умеренных широтах при вторжении холодных масс из Арктики и Антарктиды. Холодные воздушные массы ино­гда достигают южных районов Европы и даже Северной Африки, но чаще всего задержива­ются горными хребтами Альп. В Азии арктический воздух свободно распространяется на обширные территории, до горных хребтов южной Сибири. В Северной Америке горные хребты расположены меридианально, поэтому холодные арктические воздушные массы про­никают до Мексиканского залива.

Схема циркуляции атмосферы была бы относительно простой, если бы не вращение Земли. Теплый воздух поднимался бы над экватором и охлаждался по мере движения к по­люсам. Вблизи полюсов остывший воздух опускался бы и непосредственно над земной по­верхностью перемещался к экватору.

Основные особенности циркуляции. Воздух, поднимающийся вблизи экватора и направляющийся к полюсам, отклоняется под воздействием силы Кориолиса. Рассмотрим этот процесс на примере Северного полушария (то же самое происходит и в Южном). При движении к полюсу воздух отклоняется к востоку, и оказывается, что он поступает с запада. Таким образом формируются западные ветры. Часть этого воздуха охлаждается при расши­рении и излучении тепла, опускается и течет в обратном направлении, к экватору, отклоня­ясь вправо и образуя северо-восточный пассат. Часть воздуха, которая движется к полюсу, в умеренных широтах формирует западный перенос. Воздух, опускающийся в полярной об­ласти, движется к экватору и, отклоняясь к западу, в полярных областях формирует восточ­ный перенос. Это лишь принципиальная схема циркуляции атмосферы, постоянной состав­ляющей которой являются пассаты.

Ветровые пояса. Под воздействием вращения Земли в нижних слоях атмосферы формируются несколько основных ветровых поясов.

Основные пояса ветров в атмосфере образуются благодаря вращению Земли вокруг сво­ей оси. Стрелками показаны направления ветров в приземном слое атмосферы. В Северном полушарии вращение Земли отклоняет устремляющиеся на юг ветры к западу, а направляю­щиеся на север - к востоку.

Литература: 1осн.[132-147], 2 доп .[152-176]

Контрольные вопросы:

1. Задачи современной метеорологии

2. Прикладные отрасли метеорологии

3. Климатология - раздел метеорологии

Тема лекции 13- Атмосфера. Идеальная и реальная атмосфера. Электри­ческое поле Атмосферы.

Более привычная, наиболее изученная и наиболее понятная из газопламенных оболочек Земли - атмосфера, или воздушная оболочка. Она является связующим звеном в приповерх­ностном пространстве Земли, расположенной между поверхностью суши и океанов внизу и ионосферой в верхней части.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести, вещественно- энергетическим обменом и принимающая участие в ее суточном вращении и годовом движе­нии по орбите. Воздух сжимаем, поэтому с увеличением высоты плотность ее убывает, а атмосферное давление понижается. Недавно предполагалось, что земная атмосфера кончается ни высоте 2000...3000 км, но из наблюдений с помощью спутников и других космических ап­паратов создалось впечатление, что вокруг атмосферы Земли существует еще земная корона, простирающаяся более чем до 20 ООО км. Плотность газа в земной короне мала, но в межпланетарном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

Общая масса атмосферы составляет 5" 10¹⁵т. При этом половина массы воздуха находится и нижних 5 км, 75% - нижних 10 км и 95% - в нижних 20 км.

Схема строения земной атмосферы:

I - тропосферные облака нижнего яруса; 2 - перистые облака; 3 – перламутровые

облака; 4 - серебристые облака; 5 - метеоры; 6 - болид; 7 - полярные сияния;

8 - метеорологическая ракета; 9 - геофизическая ракета

В атмосфере выделяется несколько основных слоев.

Тропосфера простирается до высоты 8...10 км в полярных широтах и до 16...18 км в меж­тропических; содержит 4/5 атмосферного воздуха и почти весь водяной пар; характеризуется понижением температуры с высотой в средней на 0,65°С на каждые 100 м. В результате при среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли на экваторе +26°С, на северном полюсе -23°С и на южном полюсе -76°С, среднегодовая температура воздуха у верхней гра­ницы тропосферы над экватором снижается до -70°С, а над северным полюсом достигает зимой —65°С, а летом —45°С. Кроме того, в тропосфере происходит сильное развитие турбу­лентности и конвекции с образованием облаков. В тропосфере часто встречаются темпера­турные инверсии, формируются воздушные массы и фронты, а также протекают процессы, определяющие погоду т климат.

Тонкий переходной слой к стратосфере мощностью от сотен метров до 2...3 км называют тропопаузой.

Стратосфера простирается над тропопаузой до высоты 45.„55 км. Газовый состав ее сходен с тропосферой, но в стратосфере содержится меньше водяного пара и больше озона. Озоновый слой приурочен к высотам 25...70 км при максимуме содержания озона на высотах 25...30 км. По другим источникам, максимальное содержание озона в стратосфере отмечает­ся на высотах 21...24 и 28...31 км (это - средние и приблизительные данные, так как широт- j* » пые и сезонные перераспределения озона очень сложны). Содержащееся в озоновом слое ко­личество Оз невелико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм рт. ст. и тем­пературе +20°С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм.

Формирование и функционирование озонового слоя атмосферы Земли поддерживается множеством природных процессов: атмосферных, ионосферных и геомагнитных возмуще­ний, солнечно-земных (электромагнитных излучений и взаимосвязи с ионосферой) и вулка­нических проявлений, геомагнитных микро — и макропульсаций, сейсмических проявлений (вещественных инжекций и влияния на электрорежим атмосферы).

В целом озоносодержание в стратосфере представляет собой процесс непрерывной гене­рации и диссоциации озона.

Фотогенерация озона протекает в ходе поглощения солнечного ультрафиолета. Распреде­ление его по широтам и долготам очень неравномерно. Основные области его естественной генерации - экваториальные, в которых спектральные условия оптимальны. В результате по­глощения ультрафиолетовой радиации Солнца с длинами волн 0,15...0,29 мкм происходит понижение температуры от -40 ... -80°С у нижней границы до 0°С у верхней.

Экологическое значение озонового слоя связано с его поглотительными функциями для климата Земли и ее биосферы.

Исходя из идеи «живой Земли», которая косвенно и явно выносилась в научную среду целым рядом исследователей (Чижевский, 1924; Вернадский, 1965; Тейяр де Шарден, 1965; Шипунов, 1980; Дмитриев, 1988, 1989 и др.), озоносфера рассматривается как общепланетарный механизм контроля биоты в пространстве и времени, поскольку она является макси­мально чувствительным образованием биосферы в солнечно-земных связях и несет в себе тончайшие возможности передаточного звена в режиме «Земля > Космос», «Космос > Земля».

Озоновый слой следует назвать чувствительным органом биосферы, реагирующим на ес­тественные и техногенные условия существования динамического равновесия, сдвигаемого в сторону интенсивного наращивания или убывания Oj. Биосферное значение озонового слоя складывается из двух основных функций: предохранительного влияния (на состав жизнен­ных форм на Земле) и сигнальной роли (в биосфере и в масштабе всей Солнечной системы).

Предохранительное влияние озонового слоя на живые организмы определяется его экра­нирующей защитой от солнечного ультрафиолета. Разрушение этого слоя и, следовательно, снижение его защитной роли губительно для организмов. Эта функция озонового слоя ши­роко известна.

Сигнальная роль озонового слоя в целом для Солнечной системы может быть изложена на уровне некоторой системы предположений и базируется на гипотезе о системном значе­нии биосферы, а именно: жизненный самоподдерживающийся процесс на Земле имеет функ­циональную нагрузку в Солнечной системе. Процессы поддержания и сохранения жизнен­ных форм на Земле идут на принципах прямой и обратной связи. Озоновый слой - это обще­биосферный показатель развития и стабилизации живых форм посредством последователь­ной фильтрации сигналов.

Озоносфера интерпретируется как одно из передаточных звеньев в солнечно-земных взаимосвязях и может служить интегральным показателем состояния биосферы.

В стратосфере наблюдаются перламутровые облака, скорость ветра до 80...100 м/с и струйные течения.

Тонкий переходный слой к мезосфере называется стратопаузой.

Мезосфера — средний слой атмосферы, располагается над стратопаузой до высоты 80...85 км. Характеризуется понижением средней температуры воздуха с высотой от 0°С у нижней границы до -90°С у верхней.

Термосфера - слой верхней атмосферы, расположенный над мезосферой до высоты 800...1000 км. Характеризуется чрезвычайной разреженностью воздуха, благодаря чему час­тицы под действием ультрафиолетового излучения Солнца разгоняются, не сталкиваясь, до скоростей, соответствующих в приземном слое очень высоким температурам. В результате температура в термосфере быстро растет, достигая на высоте 200...300 км величин более 1500°С, а в верхней термосфере - около 2000 °С.

Термосферу, или, во всяком случае, ее нижнюю часть, называют еще ионосферой благо­даря высокому содержанию молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Ионизация происходит под воздействием ультрафиолетовой солнечной радиации и придает высо­кую электропроводность этой сильно разреженной сфере.

Экзосфера - внешний, наиболее разреженный слой атмосферы, расположенный над термосферой. В отношении верхней границы экзосферы нет единого мнения: одни ученые считают, что верхняя граница экзосферы совпадает с верхней границей атмосферы; другие называют верхнюю часть экзосферы земной короной.

Экзосфера характеризуется постоянством температуры (около 2000°С) на всем своем напряжении до высоты 20 000 км. Плотность воздуха здесь столь мала, а температура настолько высока, что длина среднего свободного пробега частиц очень велика, и частицы, движущиеся вертикально вверх, могут без столкновения с другими частицами вылетать из атмосферы. Так происходит диссипация (ускользание) наиболее легких частиц (атомов водо­рода и гелия) в мировое пространство.

Естественный газовый состав воздуха. Состав сухого воздуха (без водяного пира) у земной поверхности по объему следующий: азот 78,08%, кислород 20,95%, аргон 0,91%, углекислый газ 0,03%, другие газы (неон, гелий, метан, криптон, водород, оксид азота, озон, ксенон, аммиак, перекись водорода, йод, радон) составляют всего 0,01%.

Кроме названных компонентов фактически воздух содержит в приземном слое влагу в газообразном, жидком или твердом состоянии (почти от 0 до 4%).