- •Міністерство освіти і науки України
- •Національний педагогічний університет
- •Імені м. П. Драгоманова
- •Г. Д. Проценко
- •Передмова
- •Предмет метеорології та кліматології
- •1.2 Державна гідрометеорологічна служба
- •1.3 Значення метеорології та кліматології для народного господарства
- •1.4 Коротка історія розвитку метеорології та кліматології.
- •2. Атмосфера Землі
- •2.1. Хімічний склад сухого повітря нижніх шарів атмосфери
- •2.2. Склад повітря у високих шарах атмосфери
- •2.3. Густина повітря
- •2.4. Вертикальна будова атмосфери
- •2.5. Методи дослідження атмосфери
- •3. Сонячна, земна та атмосфера радіація
- •3.1. Випромінювання Сонця
- •3.2. Основні закони випромінювання
- •3.3. Спектральний склад сонячної та земної радіації
- •3.4. Сонячна стала
- •3.5. Пряма сонячна радіація
- •3.6. Послаблення сонячної радіації в атмосфері
- •3.7. Сумарна сонячна радіація
- •3.8. Засвоєння сонячної радіації земною поверхнею
- •3.9. Випромінювання земної поверхні та атмосфери
- •3.10. Радіаційний баланс земної поверхні
- •4. Тепловий режим земної поверхні та атмосфери
- •4.1. Тепловий баланс земної поверхні
- •4.2. Нагрівання й охолодження ґрунту
- •4.3. Добовий та річний хід температури поверхні ґрунту
- •4.4 Розповсюдження тепла у глибину ґрунту
- •4.5. Промерзання ґрунту. Вічна мерзлота
- •4.6. Особливості нагрівання і охолодження водойм
- •4.7. Шляхи теплообміну земної поверхні з атмосферою
- •4.8. Добовий хід температури повітря
- •4.9. Неперіодичні зміни температури повітря
- •4.10. Приморозки
- •4.11. Річні зміни температури повітря
- •4.12. Вертикальний розподіл температури повітря
- •4.13. Географічний розподіл температури повітря поблизу земної поверхні
- •4.13.1. Мінливість середніх місячних температур повітря
- •4.13.2. Приведення температури повітря до рівня моря
- •4.13.3.Географічний розподіл середньої річної температури повітря
- •4.13.4. Розподіл середньої місячної температури повітря в січні
- •4.13.5. Географічний розподіл місячної температури повітря в липні
- •4.13.6. Екстремальні температури
- •4.14. Температурні інверсії
- •4.14.1. Приземні інверсії
- •4.14.2. Висотні інверсії
- •4.15. Адіабатичні процеси в атмосфері
- •4.15.1. Сухоадіабатичні зміни температури повітря
- •4.15.2. Вологоадіабатичні зміни температури повітря
- •4.16. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага сухого повітря
- •4.17. Стратифікація атмосфери та вертикальна рівновага насиченого повітря
- •4.18. Добовий хід стратифікації атмосфери та конвекції
- •4.19. Тепловий баланс системи Земля – атмосфера
- •Питання для самоперевірки
- •5. Вода в атмосфері
- •5.1. Випаровування води
- •5.1.1. Тиск насиченої водяної пари
- •5.1.2. Швидкість випаровування води
- •5.2. Географічний розподіл випаровування та випаровуваності
- •5.3. Характеристики вологості повітря
- •5.4. Добовий та річний хід тиску водяної пари
- •5.5. Добовий та річний хід відносної вологості повітря
- •5.6. Географічний розподіл вологості повітря
- •5.7. Конденсація та сублімація водяної пари в атмосфері
- •5.8. Міжнародна класифікація хмар
- •5.9. Мікроструктура та водність хмар
- •5.10. Світлові явища у хмарах
- •5.11. Добовий та річний хід хмарності
- •5.12. Тривалість сонячного сяйва
- •5.13. Серпанок, туман, імла
- •5.13.1. Умови утворення туманів
- •5.13.2. Географічний розподіл туманів
- •5.14. Наземні гідрометеори
- •5.15. Ожеледь. Ожеледиця. Зледеніння літаків
- •5.16. Умови утворення атмосферних опадів
- •5.17. Класифікація атмосферних опадів
- •5.18. Електризація хмар та опадів
- •5.19. Гроза
- •5.19.1. Куляста блискавка
- •5.19.2. Вогні святого Ельма
- •5.20. Активний вплив людини на атмосферні процеси
- •5.21. Режим атмосферних опадів
- •5.21.1. Добовий хід атмосферних опадів
- •5.21.2. Річний хід атмосферних опадів
- •5.21.3. Тривалість та інтенсивність опадів
- •5.22. Географічний розподіл атмосферних опадів
- •5.23. Показники зволоження території
- •5.23.1. Коефіцієнти зволоження території
- •5.23.2. Мінливість умов зволоження території. Посушливі явища
- •5.24. Водний баланс земної кулі
- •5.24.1. Обіг вологи в атмосфері
- •5.25. Сніговий покрив
- •5.25.1. Снігова лінія
- •5.25.2. Хуртовини
- •Ключ до тестів і модуля
- •6. Атмосферний тиск та циркуляція атмосфери
- •6.1. Одиниці вимірювання атмосферного тиску
- •6.2. Зміна атмосферного тиску при зміні висоти
- •6.2.1. Вертикальний баричний градієнт
- •6.2.2. Баричний ступінь
- •6.3. Баричне поле
- •6.3.1. Карти баричної топографії
- •6.3.2. Горизонтальний баричний градієнт
- •6.4. Добовий та річний хід атмосферного тиску
- •6 Мал. 6.10. Напрямок вітру в румбах та градусах. .5. Вітер
- •6.6. Сили, які впливають на швидкість та напрямок вітру
- •6.6.1. Зміна напрямку та швидкості вітру при підняті угору
- •6.6.2. Вплив тертя на швидкість і напрямок вітру
- •6.6.3. Добовий та річний хід швидкості вітру
- •6.7. Повітряні маси. Атмосферні фронти
- •6.7.1. Повітряні маси
- •6.7.2. Атмосферні фронти
- •6.8. Струминні течії в атмосфері
- •6.9. Географічний розподіл атмосферного тиску. Центри дії атмосфери
- •6.9.1. Розподіл тиску в січні
- •6.9.2. Розподіл тиску в липні
- •6.9.3. Центри дії атмосфери
- •6.10. Кліматологічні фронти
- •6.11. Загальна циркуляція атмосфери
- •6.11.1. Зони атмосферного тиску та вітру поблизу земної поверхні і в нижній тропосфері
- •6.11.2. Зони тиску та вітру у верхній тропосфері і стратосфері
- •6.11.3. Циркуляція атмосфери в тропічних широтах. Пасати
- •6.11.4. Тропічні циклони
- •6.11.5. Мусони
- •6.12. Циркуляція атмосфери в помірних та високих широтах
- •6.12.1. Циклони
- •6.12.2.Антициклони
- •6.13. Місцеві вітри
- •6.14. Шквали
- •6.15. Маломасштабні вихори
- •6.16. Синоптичний аналіз та прогноз
- •6.17. Місцеві ознаки погоди
- •Питання для самоперевірки
- •7. Клімат та чинники його формування
- •7.1. Кліматична система
- •7.2. Чинники формування клімату
- •7.2.1. Радіаційні чинники формування клімату
- •7.2.2. Циркуляційні чинники клімату
- •7.2.3. Роль підстильної поверхні у формуванні клімату
- •7.2.3.1. Основні властивості підстильної поверхні, які впливають на клімат
- •7.2.3.2.Особливості морського та континентального кліматів
- •7.2.3.3. Континентальність клімату
- •7.2.4. Вплив морських течій на клімат
- •7.2.5. Вплив рослинного покриву на клімат
- •7.2.6. Вплив снігового покриву на клімат
- •7.2.7. Вплив рельєфу на клімат
- •8. Класифікація кліматів
- •8.1. Класифікація кліматів л.С. Берга
- •8.2. Класифікація кліматів б.П. Алісова
- •9. Мікроклімат та методи його дослідження
- •9.1. Методи дослідження мікроклімату
- •9.2. Мікроклімат міста
- •10. Зміни та коливання клімату
- •10.1. Ознаки різних типів клімату минулого
- •10.1.1. Ознаки теплого клімату
- •10.1.2.Ознаки холодного клімату
- •Ознаки сухого клімату
- •10.1.4. Ознаки вологого клімату
- •10.2. Про зміни клімату в геологічному минулому
- •10.3. Про коливання клімату в історичний час
- •10.4. Сучасні коливання клімату
- •10.5. Гіпотези, що пояснюють зміни клімату Землі
- •10.5.1. Астрономічні гіпотези
- •10.5.2. Фізичні гіпотези
- •10.5.3. Геолого-географічні гіпотези
- •10.6. Вплив людини на клімат
- •10.6.1. Навмисний вплив
- •10.6.1.1. Зрошення
- •10.6.1.2. Осушення
- •10.6.1.3. Будівництво ставків та водосховищ
- •10.6.1.4. Створення полезахисних лісових смуг
- •10.6.1.5. Затримання снігу та талої води на полях
- •10.6.1.6. Збільшення кількості атмосферних опадів шляхом активного пливу людини на атмосферні процеси
- •10.6.2. Ненавмисний вплив
- •10.6.2.1. Зміна газового складу атмосфери
- •10.6.2.2. Збільшення вмісту аерозолів
- •10.6.2.3. Збільшення виробництва промислової енергії
- •Тести до іі модуля
- •Ключ до тестів іі модуля
- •Бібліографічний список
- •Предметний покажчик
- •Іменний покажчик
2.2. Склад повітря у високих шарах атмосфери
Згідно закону Дальтона (1802р.) в атмосфері має бути гравітаційний поділ газу, тобто при збільшенні висоти кількість важких газів має зменшуватись швидше, ніж легких і тому на значній висоті повинні переважати легкі гази. Але виявилось, що до висоти 90-100 км немає дифузної рівноваги газів, повітря тут інтенсивно перемішується і тому до цієї висоти зберігається постійний відсотковий вміст основних газів атмосфери. Шар атмосфери до висоти 90-100 км, де зберігається постійний відносний вміст основних газових компонентів, називається гомосферою.
Вище 100 км спостерігається значна зміна складу повітря. Тут насправді відбувається гравітаційний поділ газів. Так, вміст важкого аргону при подальшому піднятті вверх помітно зменшується. Але основним процесом, що викликає зміну складу повітря вище 100 км є дисоціація або розклад молекули кисню на атоми під дією сонячної радіації з довжиною хвилі менше 0,24 мкм. На висоті близько 200 км концентрація атомного кисню стає порівняною з концентрацією азоту. Молекул кисню тут залишається зовсім мало. Вище 200 км переважають заряджені атоми кисню. Вище 250-300 км до них приєднуються заряджені атоми азоту. На висотах 300-1000 км домінує атомний кисень з невеликою частиною атомного азоту. Вище 1000 км атмосфера складається в основному із заряджених атомів гелію та водню, а вище 3000 км переважає водень. Унаслідок цих процесів відносна молекулярна маса повітря зменшується до 16 кг/моль на висоті 500 км замість 28,96 поблизу поверхні Землі. Сильно розріджена атмосфера у вигляді заряджених атомів простягається до 20000-30000 км, де вона поступово переходить у космічний простір з кількістю частинок близько 100 см-3.
Шар атмосфери вище гомосфери, де склад повітря змінюється при зміні висоти внаслідок фотодисоціації газових молекул і спостерігається зменшення молекулярної ваги повітря, називається гетеросферою.
2.3. Густина повітря
Фізичний стан повітря визначається тиском Р, температурою Т та об’ємом V. Ці три характеристики залежні одна від одної. Гази стискуються, тому густина їх змінюється у великих межах залежно від Р і Т. Для ідеального газу зв’язок між цими величинами виражається рівнянням стану газів або рівнянням Клапейрона-Менделєєва
РV = R*T,
де R* - універсальна газова стала, яка в системі СІ дорівнює 8,314 Дж/кмоль · К). Це рівняння можна написати і так:
Р = ρRT
бо ρ – густина газу обернена об’єму V = 1/ρ. Звідки
ρ = Р / R*T
Для будь-якого не ідеального газу R = R* / М, де М – молярна маса газу. Тому рівняння стану газів можна використати для сухого, вологого повітря і для водяної пари. Для сухого повітря М = 28, 964 · 10-3 кг/моль то Rс для 1 кг повітря дорівнює 287 Дж/кгК, а рівняння стану
ρс = Р / RсT
Густина сухого повітря при нормальних умовах буде
ρс = 101325 Па /287 Дж/кгК∙273 0К= 1,293 кг/м3
Для вологого повітря густина його сухої частини буде
ρс = Р- е / RсT,
а густина водяної пари ρп = е / RпT
Для водяної пари М = 18, 02 · 10-3 , а Rп = 461,5 Дж (кгК).
Співвідношення газової сталої водяної пари та сухого повітря буде Rп / Rс = 461,5/287 = 1/0,622. Отже, Rп = Rс /0,622.
Тому
ρп = 0,622 ·е / RсT
Отже, густина вологого повітря буде
ρвл = ρс + ρп
Підставивши їх значення одержимо
ρвл = Р - е / RсT + 0,622 е / RсT = Р / RсT (1-0,378 ·е / р)
Оскільки е/р дуже мале значення, то 1 – 0,378 е/р можна замінити на 1 / 1+0,378 е/р, тому одержимо
ρвл = Р / RсT (1+0,378 е/р)
Замінимо Т (1+0, 378 е/р) на Тв. Тв – це віртуальна температура. Це температура, яку повинно мати сухе повітря, щоб його густина дорівнювала густині вологого повітря при тому ж атмосферному тиску. Звідси
ρвл = Р / RсTв
З останнього рівняння видно, що густина вологого повітря менша, ніж сухого. Але різниця мала. Так, густина сухого повітря при 00С і Р = 100 000 Па дорівнює 1, 276 кг/м3, а вологого повітря – 1, 273 кг/м3.
При вищих температурах різниця збільшується, але залишається невеликою. Отже, водяна пара легша за повітря.
Густина повітря з висотою зменшується, тому що зменшується і тиск і температура. Густина повітря прямо пропорційна тиску і обернено пропорційна температурі. В результаті сумісної дії зміни тиску і температури густина з висотою зменшується, але не так швидко як тиск. В середньому для Європи густина повітря біля поверхні 1,250 кг /м3 на висоті 5 км становить 0,74 кг /м3, на висоті 10 км – 0,41 кг /м3, на 20 км – 0,09 кг/м3, на 300 км – 10-11 кг/м3, на 500 км – 10-12 кг/м3, на 750 км – менше 10-13 кг /м3. Це дуже мала густина, але все ж таки на висоті 20 тис км густина повітря залишається значно більшою, ніж у міжпланетному просторі.
У зв’язку з оберненопропорційною залежністю від температури в окремих тонких шарах атмосфери, де температура знижується на 3,40/100 м густина повітря з висотою не змінюється, а якщо температура знижується більше ніж на 3,40/100 м то густина повітря в цьому шарі збільшується з висотою.
Якби густина повітря з висотою не змінювалась і атмосферний тиск залишався 1013 гПа, то висота атмосфери дорівнювала б 8000 м. Ця висота називається висотою однорідної атмосфери.