книги из ГПНТБ / Колодочка А.С. Метеорологические условия стрельбы артиллерии учебное пособие

падают осадки. Этот слой отличается от других и по запыленности. Таким образом, тропосфера — это тот слой, в котором разыгры­

ваются основные явления погоды.

Самый нижний слой тропосферы, толщина которого колеблется в пределах 1—2 км, называется слоем возмущения? (механического перемешивания). В нем наиболее резко проявляется механическое и тепловое влияние земной поверхности, что накладывает отпеча­ ток на характер распределения температуры, влажности и ветра, а также на все развивающиеся здесь процессы.

Стратосфера находится над слоем тропосферы и распространяет­ ся в высоту до 40 км. Этот слой отличается от тропосферы в пер­ вую очередь по распределению температуры с высотой: от тропо­ паузы до высоты 30—35' км наблюдается в среднем постоянство температуры (минус 55—60°С), а затем — ее повышение. Верти­ кальное перемешивание воздуха в стратосфере ослаблено. Плот­ ности воздуха здесь значительно меньше, чем в тропосфере. Атмо­ сферное давление в пределах стратосферы изменяется в среднем от 220—230 мб у тропопаузы до 3—4 мб на высоте 40 км. Здесь воз­ дух уже довольно сильно разрежен, значительно меньше в нем примесей, поэтому меньше рассеивается солнечный свет, и небо имеет почти черный цвет с синеватым или фиолетовым оттенком.

В стратосфере редко бывают облака. Изредка достигают ниж­ них слоев стратосферы' перистые облака. Облака верхних слоев стратосферы называются перламутровыми. Они наблюдаются ред­ ко и располагаются обычно на высоте 22—30 км. Эти облака со­ стоят из ледяных мельчайших кристалликов и блестят, как перла­ мутр. Облака свидетельствуют, что в стратосфере имеется водяной пар, хотя его значительно меньше, чем в тропосфере. В стратосфе­ ру водяной пар проникает из тропосферы. Это возможно лишь при перемешивании воздуха в вертикальном направлении, а также при вулканических извержениях, сильных взрывах и т. п.

Наблюдения свидетельствуют о существовании в стратосфере ветров, меняющих свое направление и порою очень сильных. В ниж­ ней части стратосферы до высоты 20—25 км скорость ветра пони­ жается в среднем до 10 м/сек, а выше возрастает, достигая в от­ дельных случаях 100 м/сек и более. Обычно наблюдается переход воздушных течений от западных направлений в нижних слоях стра­ тосферы' к восточным в более высоких слоях. Иногда ветер в двух соседних слоях имеет существенно различные направления, кото­ рые быстро меняются со временем.

В настоящее время с развитием реактивной и ракетной артил­ лерии, а также скоростной авиации изучение стратосферы приобре­ тает рсобенно большое значение.

Мезосфера распространяется от 40 до 80 км и включает в себя теплый1слой атмосферы.

В результате специально поставленных наблюдений за характе­ ром отражения акустических колебаний от высоких слоев атмо­ сферы, метеорных наблюдений и особенно новейших исследований

31

при помощи ракет, а также наблюдений советских ученых над су­ меречными явлениями было установлено, что с 30—35 км темпера­ тура начинает повышаться и к высоте 50—60 км\ достигает значе­ ний 70—100°'С. Такое повышение температуры объясняется нали­ чием в этих слоях атмосферы озона. Озон обладает тем свойством, что, с одной стороны, очень хорошо поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, а с другой стороны — длинноволновое излучение Земли. Озон поглощает значительную часть тепла солнечных и зем­ ных лучей и нагревает воздух. Повышение температуры, начинаю­ щееся приблизительно от 30 км, продолжается до 45—55 км, где находится верхняя часть озонного слоя. Хотя здесь озона и меньше, чем на более низких уровнях (максимальная плотность озона — на высоте 25—30 км), но именно эта часть слоя, обращенная к Солнцу, нагревается сильно поглощаемыми ею ультрафиолетовы­ ми лучами. Верхний слой мезосферы от 60 до 80—82 км изучен

восновном сумеречным и метеорным методами. Установлено, что

вэтом слое происходит понижение температуры до значений —50—75°С на его верхней границе. Существование этого холодно­ го слоя подтвердилось и ракетными подъемами.

Вмезосфере по метеорным и другим наблюдениям отмечается очень сильный ветер, достигающий 100—200 м/сек, а в отдельных случаях и больше. Воздушные течения здесь наблюдаются обычно восточного направления. Атмосферное давление в верхних слоях мезосферы составляет сотые доли миллибара.

Термосфера ограничивается высотами от 80 до 300 км. Различ­

ные методы изучения этого слоя1атмосферы и теоретические расче­ ты показывают, что температура в нем с высотой, по-видимому, ра­ стет и достигает значений порядка 600—1000°С. Однако эти данные не являются окончательными и требуют уточнения; результаты, по­ лученные разными методами, дают довольно значительные рас­ хождения. Достаточно достоверными признаются данные о темпе­ ратуре до высоты 120 км, на которой она составляет около 100'С.

Повышение температуры на этих высотах может быть объясне­ но ионизацией сильно разреженного' воздуха под действием ультра­ фиолетового излучения Солнца. Возможно также, что большое ко­ личество тепла поглощается имеющимися здесь мельчайшими твер­ дыми частицами космической пыли, попадающими в атмосферу из мирового пространства.

Следует отметить, что: на больших высотах при крайней разре­ женности воздуха понятие «температура газа» приобретает совсем другой смысл, чем в нижних слоях атмосферы, и этот термин мо­ жет быть применен только условно. При сильном разрежении воз­ духа его молекулы (атомы) находятся на большом расстоянии друг от друга. Поэтому, хотя они и движутся с большими скоростями, тело, находящееся в таком воздухе, почти не будет нагреваться от соприкосновения с ним. Оно будет получать тепло непосредственно

•от солнечных лучей. В зависимости от свойств тела это нагревание может быть довольно значительным.

32

Средняя скорость ветра в термосфере равна 40—50 м/сек, в от­ дельных случаях она достигает 150—200 м/сек и больше. Хотя пре­ обладающее направление ветра в термосфере западное и юго-за­ падное, здесь бывают ветры и других направлений, особенно часто зимой. Сведения о ветре в верхних слоях атмосферы получены с по­ мощью наблюдений за передвижением серебристых облаков и ме­ теорных следов.

Серебристые облака наблюдаются в северной или северо-запад­ ной части неба, вблизи горизонта. Это яркие тонкие светящиеся прозрачные облака, состоящие из мельчайших ледяных кристалли­ ков. Благодаря своеобравному свечению, напоминающему металли­ ческий блеск, эти облака получили название серебристых. Серебри­ стые облака, расположены на высотах 80—85 км, их освещает Солнце, находящееся под горизонтом места наблюдения.

Втермосфере наблюдаются также полярные сияния, связанные

спотоком в разреженной атмосфере заряженных электричеством частиц от Солнца.

Экзосфера является последним внешним слоем атмосферы, ко­

торый в настоящее время успешно изучается при помощи специаль­ ных геофизических ракет и особенно искусственных спутников Зем­ ли. Нижняя граница экзосферы начинается с высоты около 300/ш.> Газ в этом слое чрезвычайно сильно разрежен. Так, анализ обрабо­ танных материалов по третьему советскому искусственному спутни­ ку Земли показывает, что плотность на высоте 270 км в десять мил­ лиардов раз меньше, чем у поверхности земли, а на высоте 370 км— меньше в сто миллиардов раз.

Характерной особенностью последней сферы является рассеяние частиц в мировое пространство.

Кроме приведенного деления атмосферы на слои по характеру распределения температуры по высоте, существуют и другие прин­ ципы ее разделения по ряду физических признаков (электрические свойства, химический состав воздуха и т. д.).

§ 7. СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ

Чистый и сухой воздух представляет собой механическую смесь различных газов. Основными составляющими частями воздуха у земной поверхности являются азот, кислород, аргон и углекислый газ. По объему азота содержится в воздухе 78,09%, кислорода — 20,95%, аргона — 0,93% и углекислого газа — 0,03%. Кроме этих газов, в состав воздуха в ничтожных количествах входят неон, ге­ лий, криптон, водород, ксенон, озон и др. Но содержание их на­ столько мало, что в сумме они составляют по объему менее 0,01%. В пределах тропосферы воздух всегда влажный. Влага в воздухе может содержаться в газообразном, жидком и твердом состояниях, легко переходя из одного состояния в другое. Кроме того, в нижних слоях атмосферы содержатся различные примеси: частички солей, пыли, продукты .горения, пыльца растений, множество различных бактерий и т. п.

Многочисленные анализы показывают, что процентное содер­ жание газов в приземном слое воздуха, кроме водяного пара, отли­ чается большим постоянством. Объясняется это значительной под­ вижностью и непрерывным, перемешиванием воздуха. Количество же водяного пара в составе воздуха очень непостоянно. Оно может достигать 4% по объему при жаркой влажной погоде и понижаться почти до 0% при сильных морозах, т. е. влага является наиболее изменчивой из составных частей воздуха.

Из газов, содержащихся в воздухе в переменных количествах, следует особо выделить три: водяной пар, углекислый газ и озон. Их содержание в воздухе мало по сравнению с основными газами, но влияние на атмосферные процессы очень велико. Достаточно сказать, что поглощение и излучение атмосферной лучистой энер­ гии в основном определяется присутствием этих газов. Отсюда их большое влияние на тепловой режим атмосферы.

Исследования показывают, что1вследствие наличия в атмосфер­ ном воздухе твердых и жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии, атмосферу нельзя считать газовой сферой в чистом виде или молекулярно-дисперсной системой. Будет правильнее, рассмат­ ривать атмосферу, особенно вблизи земной поверхности, как кол-

.лоидно-дисперсную систему, т. е. аэрозоль. Причем, газы, входящие в состав атмосферы, играют роль растворителя (дисперсионная среда), а мельчайшие взвешенные частички твердых и жидких ве­ ществ являются коллоидными частичками (дисперсная фаза).

Воззрение на атмосферу как на аэрозоль позволило применить к сложным атмосферным явлениям богатейший опыт коллоидной химии и объяснить такие явления, как, например, конденсация во­ дяных паров, образование осадков и др.

О составе воздуха на различных высотах судят по непосредст­ венным пробам воздуха, а также косвенными путями, используя главным образом метод спектрального анализа. Пробы воздуха по­ казывают, что состав его в пределах высот до 80-у-ЮО км практи­ чески одинаков. Слой атмосферы от земли до высоты 100 км обыч­ но называют гомосферой (однородная сфера). Выше 100 км нахо­ дится область атмосферы с изменяющимся составом воздуха, так называемая гетеросфера. В целом же атмосфера до предельных своих высот остается азотно-кислородной. Правда, на больших вы­ сотах под действием ультрафиолетовой радиации Солнца происхо­ дит расщепление молекул кислорода на атомы, и выше 100 км он оказывается полностью диссоциированным. Многое говорит за то, что на еще больших высотах (выше 200—300 км) азот также нахо­ дится в диссоциированном состоянии.

Основными физическими свойствами атмосферы1и ее составных частей являются следующие.

Воздух примерно в 800 раз легче воды в том же объеме. Вслед­ ствие малой силы внутреннего трения воздух в 8300 раз подвиж­ нее воды; он обладает большой сжимаемостью (примерно в 800 раз по сравнению с первоначальным объемом) и хорошей упругостью.

34

Воздух, как и все его газообразные составные части, способен рас­ пространяться в других газах (диффундировать). Коэффициент объемного' расширения воздуха (а) равен 1/273.

Теплоемкость воздуха при постоянном давлении в 4 раза мень­

* Удельная газовая постоянная реального влажного воздуха в тропосфере всегда несколько больше постоянной сухого воздуха, что учитывается через виртуальную температуру (см. § 15).

возможное расстояние искусственного спутника Земли, что очень убедительно доказано успешным запуском советских, а затем и аме­ риканских спутников.

Выше 200 км вступают в действие почти все факторы межпла­ нетного пространства. Однако и здесь еще не кончается атмосфера в полном смысле слова, так как частицы газа обнаруживаются до высоты порядка 1000—1200 км, на что указывают регулярные на­ блюдения за искусствеными спутниками Земли, а также отдельные наблюдения за, светимостью ночного неба, за полярными сияниями и другими явлениями. Поэтому говорить о четкой определенной гра­ нице атмосферы нельзя. Она медленно, постепенно переходит в ми­ ровое пространство.

Исследования последних лет указывают на наличие у Земли га­ зового хвоста, который тянется от Земли в сторону, противополож­ ную Солнцу, на расстояние около 100 000 км. Наличие газового хвоста еще более осложняет определение верхней границы земной атмосферы.

§ 8 ПОНЯТИЕ О ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ В АТМОСФЕРЕ

Главным источником всякой энергии на Земле является Солнце. Без Солнца жизнь на Земле была бы невозможной. Из огромного количества энергии, излучаемой Солнцем, Земля получает менее одной миллиардной ее части. Однако этого количества вполне до­ статочно для поддержания жизни на Земле.

Лучистая энергия Солнца, проникающая в нашу атмосферу, на­ зывается солнечной радиацией.

Солнце посылает на Землю в течение года огромное количество энергии, около 1 )341021 ккал тепла; этого тепла хватило бы для того, чтобы расплавить ледяную корку толщиной в 36 м, покрываю­ щую всю поверхность земного шара, и превратить ее в воду при температуре 0~С. Вся остальная энергия, поступающая на земную поверхность, например, лучистая энергия звезд и планет, внутрен­ няя теплота Земли, энергия распада радиоактивных веществ зем­ ной коры и т. п., представляет по сравнению с солнечной радиацией крайне ничтожную величину, примерно 1 : 5000 доли солнечной ра­ диации.

Солнечная радиация является основным источником всех физи­ ческих процессов, совершающихся на земле и в атмосфере. Благо­ даря солнечной радиации поддерживается тот запас тепла, который необходим для жизни человека, животных в растений. Солнечной радиации мы обязаны круговороту воды, без которого даже при наличии тепла была бы невозможна жизнь на земле. Различное нагревание отдельных районов суши и водных пространств приво: дит также к возникновению воздушных и морских течений. Энер­ гия, которую мы получаем от сжигания в печах всякого рода топ­ лива, применения паровых и электрических двигателей, использо­ вания силы воды и ветра — в-се это не что иное, как использование преобразованной солнечной энергии.

36

Солнечная радиация характеризуется интенсивностью. Под ин­ тенсивностью солнечной радиации понимают количество тепла, при­ ходящегося в 1 минуту на 1 см2 черной поверхности, перпендику­ лярной солнечным лучам. У поверхности земли эту интенсивность называют напряжением солнечной радиации, а на внешней границе атмосферы (или земной поверхности, если бы атмосфера была аб­ солютно прозрачной) — солнечной постоянной. Точные наблюде­ ния, произведенные в различных пунктах, показали, что солнечная

кал

постоянная в среднем равна 1,94---- ц-------. Ее колебания вокруг

С$1/ Ж&Ин

среднего значения зависят от солнечной активности (количества солнечных пятен) и от расстояния между Землей и Солнцем.

Притекающая к нашей планете лучистая энергия Солнца далеко не вся поглощается системой земля — атмосфера. Часть этой энер­ гии (в среднем 42%) отражается атмосферой, облаками, а также земной поверхностью (сушей, водой, снегом и т. п.) и безвозвратно уходит в мировое пространство. Остальная лучистая энергия, попа­ дая в систему земля — атмосфера, частично доходит до земной по­ верхности и поглощается последней, а частично рассеивается и по­ глощается атмосферой, т. е. происходит так называемое ослабление радиации. При рассеивании лучистая энергия не переходит в дру­ гой вид энергии, а лишь меняет свое первоначальное направление вследствие преломления и отражения мельчайшими частицами, взвешенными в воздухе, и самими молекулами воздуха. При погло­

ультрафиолетовых (0,17р) до инфракрасных (4р). Видимые лучи имеют длины волн в пределах от 0,40р (фиолетовые) до 0,76р. (красные). Наибольшее количество лучистой энергии приходится на левую часть видимого спектра, т. е. на коротковолновые лучи зелено-голубой области (0,475р). Эти лучи значительно сильнее рассеиваются, чем поглощаются, поэтому атмосфера от лучей Солн­ ца нагревается незначительно.

Если рассеиванию в атмосфере подвержены в той или иной сте­ пени лучи всех длин волн, то поглощению подвержены определен­ ные лучи, преимущественно длинноволновые. Количество длинно­ волновых лучей в солнечной радиации сравнительно невелико, по­ этому невелика и доля поглощения радиации атмосферой — около 15% общей лучистой энерпии Солнца.

Часть лучистой энергии, приходящая к земной поверхности в ви- - де параллельных лучей от Солнца, называется прямой солнечной

верхности в виде так называемой рассеянной радиации.

Как прямая солнечная радиация, так и рассеянная при падения на земную поверхность частично отражаются от последней и направ­ ляются обратно в атмосферу в виде потоков отраженной радиации.

37

Все эти виды радиации состоят из лучей тех длин волн, которые входят в состав солнечной радиации и получили в метеорологии название коротковолновой радиации в отличие от длинноволновой радиации, которая излучается земной поверхностью и атмосферой.

Поверхность земли, нагретая прямой или рассеянной радиацией, сама излучает тепло в атмосферу, и тем сильнее, чем выше ее тем­ пература. Так как земная поверхность излучает преимущественно' длинноволновые лучи (от 3 до 80ц при максимуме 10ц), которые больше всего подвержены поглощению, особенно водяными пара-

ми, то даже в ясные дни до 90% этого излучения поглощается ат­ мосферой. Следовательно, атмосфера прогревается в основном за счет излучения нагретой солнцем поверхности земли. Прогреваются преимущественно' нижние слои атмосферы, так как водяной пар, частицы дыма, пыли и солей, которые поглощают земное излуче­

поверхности на границе атмосферы получает от Солнца в виде ко­ ротковолновой радиации 700 кал/см2 сутки. Примем указанное ко­

Итого отражается . . .42%

38

Поглощается:

можно считать, что поток тепла к Земле должен быть компенсиро­ ван соответствующей отдачей лучистой энергии в виде длинновол­ новой радиации. В указанных’ выше единицах земная поверхность вследствие лучеиспускания теряет 120%, .из которых 112% погло­ щается атмосферой, а 8% уходит в мировое пространство. Нако­ нец, атмосферный воздух, как и все нагретые тела, также излучает энергию, притом, как и Земля, в виде длинноволновой радиации. Это излучение составляет в тех же единицах 146%. Из этой радиа­ ции 96% поглощается Землей и 50% уходит в мировое простран­ ство. Кроме того, вследствие процессов испарения и конденсации Земля передает атмосфере 23% тепловой энергии и получает от ат­ мосферы благодаря вертикальному обмену 4%. Если сравнить ука­ занные числа, то получим, что приход тепла к системе Земля — атмосфера компенсируется отдачей.

От поверхности, земли тепло распространяется в атмосферу' не только излучением, но также теплопроводностью и конвекцией.

Теплопроводность неподвижной атмосферы ввиду ее незначи­ тельности и малой объемной теплоемкости воздуха большого зна­ чения в распространении тепловой энергии не имеет, а наибольшее значение приобретает механический перенос тепла — конвекция.

Причиной возникновения конвективных токов в атмосфере яв­ ляется неравномерность нагревания земной поверхности, которая объясняется различиями в физических свойствах воды и суши и са­ мой суши. Вода нагревается гораздо медленнее, чем суша. Но и су­ ша нагревается неравномерно из-за различия в теплопроводности и теплоемкости различного рода почв, степени их увлажненности, характера растительного покрова, неодинаковой способности погло­ щать лучистую энергию солнца и пр. Вследствие этого создаются большие разности в температуре поверхности земли и соприкасаю­ щегося с ней воздуха. Более нагретый от соприкосновения с поверх­ ностью земли воздух расширяется, становится более легким и, на­ чинает подниматься небольшими струйками вверх, освобождая ме­ стодля менее нагретого, относительно холодного, а поэтому и бо­ лее плотного воздуха, опускающегося вниз. В результате этих вер­ тикальных перемещений воздуха и происходит вертикальный обмен тепла в атмосфере. Движение воздуха вверх носит наименование восходящих токов, а движение вниз — нисходящих токов.

Описанное явление, называемое тепловой (термической) кон­ векцией, получает наибольшее развитие в дневные часы летом, когда особенно велико нагревание земной поверхности солнцем.

39