1.Строение и вещественный состав атмосферы.
В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по температуре и плотности (рис. 1).
Тропосфера
Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.
Рис. 1. Строение атмосферы Земли
Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.
В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.
Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.
Стратосфера
Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.
В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.
В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.
Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.
Мезосфера
Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.
На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.
В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.
В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.
Экзосфера
Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.
Состав атмосферы
Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО2 примерно на 10-12 %.
2.Основные методы исследований, применяемые в метеорологии и климатологии. Система метеорологических наблюдений на метеостанциях. Точность определения метеорологических величин при стационарных наблюдениях. Метеорологическая служба.
Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений, анализ которых служит в метеорологии и климатологии для выявления причинных связей в изучаемых явлениях.
Кроме наблюдений за процессами, происходящими в атмосфере, в метеорологии применяют натурный эксперимент и методы математического моделирования. Результаты наблюдений наносятся на синоптические карты, результаты статистической обработки данных наблюдений и результаты математического моделирования и прогнозирования наносят на климатические карты.
Метеорологические наблюдения — это измерения метеорологических величин и качественные оценки атмосферных явлений.. Метеорологическими величинами являются температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков. К атмосферным явлениям относят туманы, метели, грозы, пыльные бури, такие оптические явления как радуга, венцы, голубой цвет неба. Осуществляется также измерения и наблюдения за природными явлениями и характеристиками, тесно связанными с метеорологическими элементами и важными для деятельности человека. Это температура почвы, или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния, иногда осуществляют наблюдения над солнечным и земным излучением, атмосферным электричеством.
Метеоpологические наблюдения над состоянием атмосферы осуществляются и для высоких слоев атмосферы. В этом случае они носят название аэpологических (до высот в 40 км) и аэpономических (для 40 и выше км). По методике они отличаются от обычных метеорологических и осуществляются с помощью специальных зондов и ракет.
Метеорологические наблюдения осуществляются по определенной программе в строго фиксированные сроки на специальных станциях, размещенных по всему земному шару. Самым важным условием проведения инструментальных наблюдений в различных точках земного шара является их единообразие. Это необходимо для того, чтобы все получаемые при наблюдениях данные отражали реально существующие особенности в физическом состоянии атмосферы, а не являлись спецификой наблюдений или приборов и были сопоставимы между собой. .Наиболее полная программа наблюдений осуществляется в метеоpологических и аэpологических обсерваториях, но их немного. Основной массив данных поступает в результате наблюдений на метеорологических и аэpологических станциях, которые работают по единой методике, однотипным приборам и делают наблюдения в определенные часы суток (синхронно). Эти наблюдения проводятся в 00, 03, 06, 09,12, 15, 18, 21 час по единому - гринвичскому времени. Результаты метеорологических наблюдений передаются в органы службы погоды, где они служат основой для составления синоптических карт и прогноза погоды.
На метеостанциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины:
• температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью;
• атмосферное давление;
• влажность воздуха - парциальное давление водяного пара и относительная влажность;
• ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 м над земной поверхностью (скорость ветра и его направление);
• количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, снег, морось и т.д.);
• облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков, высота нижней границы облаков;
• наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на
предметах (роса, иней, гололед);
• горизонтальная видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;
• продолжительность солнечного сияния;
• температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве;
• состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова.
Регистрируются также атмосферные явления: метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, полярные сияния, радуга, миражи.
На береговых метеостанциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. На морских судах программа наблюдений почти такая же, как на сухопутных метеостанциях. В программу специализированных станций, таких как агрометеорологические, авиационные, включают ряд дополнительный наблюдений, связанных с производственной необходимостью.
Кроме метеостанций, наблюдения осуществляются на метеопостах, на которых регистрируется в основном количество осадков и высота снежного покрова и в обсерваториях, в программу которых входят наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами земли и воды, наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах, измерение содержания аэрозольных примесей и ионизацией воздуха.
На метеостанциях используются однотипные, простые в использовании и калиброванные приборы, которые обеспечивают сопоставимость получаемых измерений. Метеоприборы устанавливаются на метеоплощадках под открытым небом или в метеобудке. Для определения многих величин используют самопишущие приборы, которые позволяют осуществлять непрерывную автоматическую регистрацию наблюдений метеорологических величин. Метеостанции каждой страны образуют единую государственную метеорологическую сеть, которая является частью метеорологической службы страны. В настоящее время метеостанции образуют систему в несколько тысяч станций на суше и на моpе (коpабли погоды). Все они объединены pадиосвязью, с помощью которой информация поступает в региональные и мировые центры погоды (Москва, Вашингтон и Мельбуpн). Кроме метеостанций в метеослужбу входят специализированные станции, оперативные и научные метеорологические учреждения. Задачами государственной метеорологической службы являются;
• развитие научных исследований атмосферы;
• практическое обслуживание потребностей хозяйства и населения информацией о погоде и климате;
• составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды.
В России во главе метеослужбы стоит Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторнигу окружающей среды (Росгидромет). В его систему, кроме сети станций, входят научно-исследовательские институты, гидрометеорологические центры, обсерватории, авиаметеорологические станции, центры по изучению и контролю загрязнения природной среды.
Метеорологическая служба каждой страны тесно сотрудничает с метеослужбами других стран, обмениваясь информацией и согласовывая методику метеорологических наблюдений.
В ограниченных пределах в метеорологии применяется натурный эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеивания туманов путём физико-химических воздействий на них, воздействия на грозовые облака с целью пpедупpеждения выпадения града.