Законы Фурье

1. Период колебаний температуры не изменяется с глубиной. Это значит, что не только на поверхности, но и на глубинах остается суточный ход с периодом в 24 часа между каждыми двумя последовательными максимумами или минимумами и годовой ход с периодом в 12 месяцев. 2. Возрастание глубины почвы в арифметической прогрессии приводит к уменьшению амплитуды колебания температуры в геометрической прогрессии. Так, если на поверхности суточная амплитуда равна 30°, а на глубине 20 см – 5°, то на глубине 40 см она уже будет менее 1°. На некоторой сравнительно небольшой глубине суточная амплитуда убывает до нуля. На этой глубине (около 70-100 см) начинается слой постоянной суточной температуры. Амплитуда годовых колебаний температуры уменьшается по тому же закону. Однако годовые колебания распространяются до большей глубины. Амплитуды годовых колебаний убывают до нуля в средних широтах на глубине около 15-20 м. На этих глубинах начинается слой постоянной годовой температуры. 3. Сроки наступления максимальных и минимальных температур как в суточном, так и в годовом ходе запаздывают с глубиной пропорционально ей. Суточные экстремумы на каждые 10 см глубины запаздывают на 2,5-3,5 часа. Это значит, что на глубине, 50 см суточный максимум наблюдается уже после полуночи. Годовые максимумы и минимумы запаздывают на 20-30 дней на каждый метр глубины. 4. Глубины слоев постоянной суточной и годовой температуры относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний, то есть как 1:3650,5. Это значит, что глубина, на которой затухают годовые колебания в 19 раз больше, чем глубина, на которой затухают суточные колебания.

23 Географическое распределение температуры воздуха у поверхности земли

Теплооборот, один из климатообразующих процессов, описывает процессы получения, передачи, переноса и потери тепла в системе земля – атмосфера. Особенности процессов теплооборота определяют температурный режим местности. Тепловой режим атмосферы обусловлен, прежде всего, теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой. Под окружающей средой при этом  понимают космическое пространство, соседние массы и особенно земную поверхность. Решающее значение для теплового режима атмосферы имеет теплообмен с земной поверхностью путем молекулярной  и турбулентной теплопроводности.

Распределение температуры воздуха по земному шару зависит от общих условий притока солнечной радиации по широтам (влияние широты местности), от распределения суши и моря, которые по-разному поглощают радиацию и по-разному нагреваются (влияние подстилающей поверхности), и от воздушных течений, переносящих воздух из одних областей в другие (влияние циркуляции атмосферы).

24 Водяной пар в атмосфере. Единицы измерения влажности воздуха. Гигрометрические характеристики

Водяной пар — газообразное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Содержится в тропосфере.

Образуется молекулами воды при её испарении. При поступлении водяного пара в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальным.^[1] Оно выражается в единицах давления — паскалях. Водяной пар может переходить непосредственно в твёрдую фазу — в кристаллы льда. Количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 кубическом метре, называют абсолютной влажностью воздуха.

• Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность) или её объёма (объёмная влажность).

• Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью — количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.

Эту величину не всегда можно точно измерить, так как в ряде случаев невозможно удалить всю неконденсированную воду и взвесить предмет до и после этой операции.

• Относительная влажность характеризует содержание влаги по сравнению с максимальным количеством влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия. Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

• Влажность воздуха — это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли — одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата.

• Влажность воздуха в земной атмосфере колеблется в широких пределах. Так, у земной поверхности содержание водяного пара в воздухе составляет в среднем от 0,2 % по объёму в высоких широтах до 2,5 % в тропиках. Упругость пара в полярных широтах зимой меньше 1 мбар (иногда лишь сотые доли мбар) и летом ниже 5 мбар; в тропиках же она возрастает до 30 мбар, а иногда и больше. В субтропических пустынях упругость пара понижена до 5—10 мбар.

• Абсолютная влажность воздуха (f) — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха. Определяется как отношение массы содержащегося в воздухе водяного пара к объёму влажного воздуха.

• Обычно используемая единица абсолютной влажности — грамм на метр кубический, г/м³

• Относительная влажность воздуха (φ) — это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре. Она также определяется как отношение парциального давления водяного пара в газе к равновесному давлению насыщенного пара.

25 Методы и средства измерения влажности воздуха

Приборы для измерения влажности называют гигрометрами.  В настоящее время в основном используются следующие методы и средства измерения влажности воздуха.

   Гигрометры точки росы. Охлаждаемое (например, с помощью элемента Пельтье) маленькое зеркальце помещается в поток исследуемого газа. С помощью фотоэлемента, фиксирующего образование на зеркальце росы, регулируется его температура. Измерив температуру, определяют точку росы. Существуют гигрометры, использующие вместо зеркальца электроды, проводимость которых меняется в результате запотевания.

   Психрометр. Прибор, состоящий из двух термометров - увлажненного и обычного. Анализируя разницу показаний термометров, определяют точку росы. Чем ниже насыщенность воздуха парами воды, тем интенсивнее вода будет испаряться с поверхности увлажненного термометра и тем ниже его температура и больше разница показаний двух термометров.

   Электролизный гигрометр. Измеряемый поток воздуха (газа) пропускают возле платиновых электродов с пятиокисью фосфора, которая поглощает воду. При приложении напряжения к электродам вода разлагается на водород и кислород. Ток электролиза пропорционален количеству поглощенной воды, т.е. абсолютной влажности.

   Гигрометр инфракрасного излучения. Путем измерения поглощения инфракрасного излучения определяют абсолютную влажность.

   Электрические гигрометры с проводящей пленкой. В зависимости от количества поглощенного водяного пара изменяется электрическое сопротивление проводящей пленки. Отградуировав пленку в дальнейшем можно определять абсолютную влажность исследуемого газа.

   Волосяные гигрометры. В таких гигрометрах происходит измерение удлинения обезжиренного человеческого волоса и определяется влажность. Удлинение под влиянием влажности может достигать 2,5%.

   Гигрометры с биморфным элементом. Основой такого гигрометра является металлическая спиральная пружина, покрытая с одной стороны поглощающим влагу веществом. Под влиянием поглощенной воды вещество расширяется и изменяет геометрические параметры пружины. Отградуировав можно определять влажность воздуха (газа).

26 Испарение. Транспирация, суммарное испарение. Скорость испарения

Испаре́ние — физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) с поверхности жидкости

Транспирация — процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветы. Вода необходима для жизнедеятельности растения, но только небольшая часть воды, поступающей через корни используется непосредственно для нужд роста и метаболизма.

суммарное испарение — Полное количество воды, возвратившейся с земной поверхности в атмосферу, включая испарение с почвы и транспирацию с растительного покрова.

27 Суточный и годовой ход влажности воздуха, ее географическое распределение и изменение с высотой

С высотой давление водяного пара убывает; убывает и абсолютная влажность воздуха. Это вполне понятно: ведь давление и плотность воздуха в целом также убывают с высотой. Замечательно, однако, то, что процентное содержание водяного пара по отношению к постоянным газам воздуха также убывает с высотой. Это значит, что давление и плотность водяного параубывают с высотой быстрее (даже значительно быстрее), чем общее давление и общая плотность воздуха. Зависит это от того, что водяной пар постоянно поступает в атмосферу снизу, и постепенно распространяясь вверх, конденсируется в более или менее высоких слоях вследствие понижения температуры. Поэтому в нижних слоях его больше по отношению к сухому воздуху, чем в верхних.

Географическое распределение влажности воздуха зависит:

1) от испарения в каждом данном районе;

2) от переноса влаги воздушными течениями из одних мест Земли в другие.

28 Конденсация и сублимация в атмосфере. Продукты конденсации

Конденса́ция паров (лат. condense — накопляю, уплотняю, сгущаю) — переход вещества в жидкое или твёрдое^[1] состояние из газообразного (обратный последнему процессу называется сублимация).

В зависимости от температуры поверхности, а также температуры и влажности воздуха, могут образовываться роса, иней, изморозь, а при определенных условиях гололед.

29 Облака. Международная классификация облаков: генетическая и морфологическая

Облака́ — взвешенные в атмосфере продукты конденсации водяного пара, видимые на небе с поверхности земли.

В зависимости от высоты расположения нижней границы и внешнего вида все облака подразделяются на четыре группы - морфологическая классификация:

I. Облака верхнего яруса - нижняя граница более 6 км:

- перистые, Cirrus (Ci) - , ;

- перисто - слоистые, Cirrostratus (Cs) - , , ;

- перисто - кучевые, Cirrocumulus (Cс) - .

II. Облака среднего яруса - нижняя граница от 2 до 6 км:

- высоко - слоистые, Altostratus (As) - (плотные), (тонкие);

- высоко - кучевые, Altocumulus (Ac) - (тонкие),

(распространяющиеся по небу), (плотные),

(чечевицеобразные), (башенкообразные или хлопьевидные);

III. Облака нижнего яруса - нижняя граница менее 2 км:

- слоисто - дождевые, Nimbostratus (Ns) - ;

- разорвано - дождевые, Fractonimbus (Fr nb) - ;

- слоисто - кучевые, Stratocumulus (Sc) - ;

- слоистые, Stratus (St) -;

- разорвано - слоистые, Fractostratus (Fr st) - .

IV. Облака вертикального развития - нижняя граница менее 2 км, верхняя граница - в среднем или верхнем ярусе:

- кучевые, Cumulus (Cu) - ;

- мощно - кучевые, Cumulus congestus (Cu cong) - ;

- кучево - дождевые, Cumulonimbus (Cb) - (лысые),

(с наковальней).

По условиям образования - генетическая классификация - облака подразделяются на три группы: