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

Если температура тропосферы понижается от экватора к полю­ сам, то в стратосфере, вблизи тропопаузы, на'оборот, температура на одной и той же высоте над экватором ниже, чем в умеренных широтах и над полюсами (рис. 21).

В стратосфере температура воздуха до высоты 30—35 км изме­ няется в среднем незначительно, а на больших высотах увеличи­ вается (рис. 4).

и ю л ь

Изменение температуры воздуха во времени. Наблюдения над изменениями температуры воздуха на различных высотах обнару­ живают как периодические, так и непериодические ее изменения. Прежде всего рассмотрим суточные периодические изменения тем­ пературы воздуха на различных высотах.

Периодический ход метеорологических элементов, в том числе и температуры воздуха, характеризуется, как обычно при периоди­ ческих колебаниях, амплитудой и фазой. Под амплитудой суточно­ го хода элемента в метеорологии понимают разность между макси­ мальным и минимальным! его значением за данный период (т. е. двойная амплитуда в физическом толковании). Фаза крайних зна­ чений дает время наступления суточного максимума и минимума.

60

Определяющими факторами для периодического суточного хода температуры в нижних слоях атмосферы являются приток тепла от солнца и степень нагревания и охлаждения подстилающей поверх­ ности, от которой тепло передается этим слоям.

Представим (рис. 22) график среднего суточного хода темпера­ туры на различных высотах в летнее время при безоблачной пого­ де над средней Европой. Из графика следует, что наиболее резко суточные колебания температуры выражены у поверхности земли, т. е. на высоте 2 м. На этой высоте суточный максимум температу­ ры наступает летом в 14—15 часов по местному времени, зимой — в 13—14 часов. Суточный минимум достигается под утро, перед

Ч а с ы с у т о к

Рис. 22. Суточный ход температуры на различных вы­ сотах (летом в безоблачную погоду)

восходом солнца. Следовательно, он изменяется с широтой и в те­ чение года вслед за смещением восхода солнца. Наблюдения пока­ зывают, что амплитуда суточных периодических колебаний темпе­ ратуры с высотой быстро уменьшается; зимой эти колебания прак­ тически затухают на высоте 500 м, летом — на высоте 1500—2000 м. Кроме того, с увеличением высоты происходит сдвиг колебаний по фазе, т. е. запаздывание времени наступления максимума и мини­ мума. Так, если у поверхности земли максимум температуры на­ блюдается около 14—15 часов, то на высоте 500 м он отодвигается на 17 часов, а на высоте 1000 м — на 18 часов. Такой сдвиг колеба­ ний объясняется основным механизмом передачи тепла от земной поверхности воздуху — турбулентным теплообменом.

Суточные периодические колебания температуры в средней и верхней тропосфере определяются в основном лучистым прито­ ком тепла. Поэтому суточные колебания, наблюдаемые в тропосфе­ ре выше 2 км, не сдвинуты по фазе сравнительного с наземными, так что время наступления максимума (приходится на дневные ча­ сы (13—14 часов), минимума — на утренние. Суточные амплиту­ ды периодических колебаний в свободной атмосфере невелики: зи­

61

мой 1—2°, а летом 3—4°. Более значительные колебания являют­ ся уже непериодическими и связаны преимущественно' с прохожде­ нием теплых или холодных воздушных масс (атмосферных фрон­

тов) .

По суточному ходу температуры в стратосфере надежных дан­ ных пока нет, хотя там и можно предполагать непериодические колебания температуры. Так, например, над Германией (в районе Берлина), над Данией (вблизи Копенгагена), а также над Англи­ ей наблюдались случаи, когда в течение суток температура возду­ ха стратосферы на высоте 20—30 км изменялась более чем на 10°, а в течение трех суток — на 25—30J. Причины таких резких коле­ баний температуры в стратосфере пока еще окончательно не уста­ новлены. Однако обнаруживается связь с изменением направления

ветра.

На периодические суточные колебания температуры воздуха влияют следующие основные факторы: широта пункта наблюдения, время года, характер рельефа и подстилающей поверхности, ветер, облачность, влажность воздуха и осадки.

Чем больше широта пункта наблюдения, тем обычно меньше амплитуда суточного хода температуры. Средняя амплитуда на­ земной температуры во внутритропичееких областях составляет около 12°, в умеренных широтах й—9°, у полярного круга 3—4°. В полярных областях зимой (в полярную ночь) суточные колеба­ ния температуры почти отсутствуют, летом (в полярный день) — также очень малы; наибольшие амплитуды наблюдаются здесь вблизи дней равноденствия. В умеренных широтах наименьшие амплитуды наблюдаются зимой, наибольшие — весной.

На суточные колебания температуры особенно сильно сказыва­ ются физико-географические условия данного района. Так, суточ­ ные колебания над морями и океанами не превышают 2—3°, поэто­ му и в приморских районах эти колебания будут обычно незначи­ тельными. Больших значений колебания достигают внутри матери­ ков. В торной местности амплитуды больше в ложбинах, чем, на вершинах. Над увлажненными районами с обильной раститель­ ностью колебания температуры малы. Над песчаными и камени­ стыми поверхностями при большой сухости воздуха, как это имеет место в пустынях, суточные колебания могут достигать до 40—50°. Наличие снежного покрова зимой увеличивает колебания темпера­ туры. Наконец, суточные колебания температуры зависят и от ус­ ловий погоды. Чем больше ветер, влажность воздуха и облачность, тем амплитуды колебаний меньше. Сильные осадки уменьшают амплитуду.

Годовые колебания температуры, поскольку они прежде всего' зависят от годовых изменений притока тепла от Солнца, изменя­ ются с широтой места. С увеличением географической широты го­ довые колебания увеличиваются. Они также увеличиваются с уда­ лением пункта от морей и океанов вглубь материков; в умерен­ ных широтах амплитуда годовых колебаний в глубине материков

62

достигает 40—60°, а в отдельных районах и больше (в районе Вер­ хоянска — до 100°).

Годовые колебания температуры наблюдаются во всей тропо­ сфере. Амплитуда колебаний с высотой вначале несколько умень­ шается, а затем в верхней тропосфере снова увеличивается и толь­ ко с переходом в стратосферу отмечается значительное ее убыва­ ние. У нижней границы стратосферы годовая амплитуда колебаний температуры составляет около 10°. Время наступления годового минимума и особенно максимума температуры с высотой несколь­ ко запаздывает, так что в средней тропосфере они смещаются соот­ ветственно с января на февраль и с июля на август. В верхней тро­ посфере дальнейшего запаздывания крайних температур не наблю­ дается, а в стратосфере минимум и максимум смещаются обратно ко времени солнцестояний.

Правильный периодический ход температуры воздуха выявляет­ ся в результате осреднения и сглаживания наблюдений за дли­ тельный период. В отдельные промежутки времени (за отдельные часы, сутки, недели и т. п.) плавный ход температуры нарушается так называемыми непериодическими колебаниями.

Известно, что в атмосфере наблюдаются как очень быстрые не­ периодические колебания температуры в интервалах от десятых долей секунды до нескольких минут (колебания порядка до 1°), так и более или менее медленные изменения в течение часов, су­ ток, месяцев и даже многих лет. Каждый вид колебаний опреде­ ляется процессами соответствующих масштабов: от очень малых, зависящих от так называемой мелкомасштабной турбулентности атмосферы, до больших, планетарных и даже космических.

Для метеорологического обеспечения стрельбы артиллерии наибольший практический интерес представляют суточные (часо­ вые) непериодические изменения температуры. Быстрые колебания температуры на стрельбу артиллерии в среднем сказываются мало, ща и устано<вить эти колебания обычными метеорологическими термометрами затруднительно. Вследствие микроколебаний темпе­ ратуры отдельные отсчеты по термометрам становятся случайны­ ми, непоказательными. Поэтому в артиллерии для получения неко­ торой осредненной температуры воздушного потока целесообразно

медленные колебания, возникающие вследствие турбулентности больших масштабов, включая сюда и смену воздушных масс, опре­ деляют изменения температуры в пределах нескольких часов (су­ ток) и сказываются на устойчивости часовых и суточных значений температуры.

Изучение временных изменений температуры, наряду с про­ странственными изменениями, имеет для артиллерии очень важное практическое значение. Эти изменения совместно с другими фак­ торами в конечном итоге определяют сроки и необходимую высоту зондирования атмосферы, срЬки составления и передачи метеоро-

63

логических бюллетеней, их точность, радиус действия артиллерий­ ских метеорологических подразделений, густоту их размещения и, наконец, организацию метеорологического обеспечения стрель­ бы артиллерии в целом.

Основной причиной часовых и суточных непериодических изме­ нений температуры является вторжение одних воздушных масс

вобласти расположения других, происходящее вследствие общей циркуляции атмосферы, и связанное с этим изменение условий по­ годы в данном районе. Так, вторжение арктических масс вЬздуха

внаши широты вызывает резкое похолодание, а вторжение тропи­ ческих масс воздуха —• потепление. Кроме того, часто наблюдают­ ся случаи вторжения морского воздуха на .материк, вызывающие потепление зимой и похолодание летом. Иногда непериодические колебания температуры вызываются изменениями погоды местного значения (появление или исчезновение облачности, осадки, грозы и т. п.). В большинстве случаев установить какую-либо закономер­ ность явлений, вызывающих непериодические колебания темпера­ туры, весьма трудно. Объясняется это тем, что процессы атмосфер­ ной циркуляции во внетропических широтах очень сложны и дина­ мичны, да и недостаточно хорошо еще изучены.

Однако необходимо отметить, что некоторые отклонения темпе­

ратуры повторяются из года в год и в довольно определенные сро­ ки. Подобные отклонения в метеорологии названы температурны­ ми особенностями. Так, в умеренных широтах хорошо известны ве­

в основном от температуры 'поверхности земли и определяется та­ кими факторами, как широта места наблюдения, характер рельефа

иподстилающей поверхности, условия погоды.

2.Температура воздуха изменяется /во времени и по расстоянию вдоль земной поверхности, как правило, незакономерно, особенно резко она может изменяться при прохождении атмосферных фронтов.

3.Температура воздуха изменяется с высотой также незаконо­ мерно. Для учета температуры при стрельбе артиллерии необходи­ мо в каждом конкретном случае производить температурное зон­

дирование атмосферы. Сроки зондирования должны быть по воз­ можности совмещены с моментами стрельбы, а место и направле­ ние зондирования — с огневыми позициями и траекториями сна­

рядов.

§ 13. ДАВЛЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Под давлением атмосферы (р ) на данном уровне понимается обусловленное силой тяжести действие массы атмосферного возду­ ха на единицу поверхности.

На практике давление атмосферы определяется высотой ртут­ ного столба (h), выраженного в миллиметрах {мм рт. ст.), вес ко­

64

торого уравновешивает вес столба воздуха с поперечным сечением в 1 смг тавысотой от данного уровня до верхней границы атмосферы.

За нормальное давление атмосферы в физике условно принято давление, измеряемое весом ртутного столба высотою 760 мм и ос­ нованием 1 см2 при температуре 0°С на уровне моря и на широте

ния принято давление 1 дин/см2, которая в физике носит название бар. Однако для метеорологической практики эта единица очень мала, и в метеорологии баром называют единицу в один миллион раз большую, т. е. равную 106 дин,/см2, а в качестве основной еди­ ницы принимают 1 жб=1000 дин/см2=]0~2 б. Давление в 1000 мб 'доответствует 750,08 мм рт. ст.

750 мм рт. ст. ~1000 мб.

Давление атмосферы является одним из наиболее важных ме­ теорологических элементЬв. Изменение давления в пространстве

ивремени тесно связано с развитием основных атмосферных про­ цессов. Так, неравномерность распределения атмосферного давле­ ния в горизонтальных плоскостях (на определенных уровнях) яв­ ляется непосредственной причиной возникновения воздушных тече­ ний (ветра). Изменение давления во времени отражает особенно­ сти развития погоды (прохождение барических систем, атмосфер­ ных фронтов и пр.). Большое значение для решения теоретических

имногих практических задач имеет закон убывания давления с вы­ сотой.

Распределение давления атмосферы по высоте. Давление атмо­ сферы в любой точке обусловлено весом вышележащего вЬздуха, поэтому с увеличением высоты давление убывает. Уменьшение дав­ ления с высотой происходит закономерно и может быть рассчитано по так называемым барометрическим формулам. Однако это умень­ шение зависит от характера распределения по высоте плотности воздуха, т. е. от изменения с высотой веса единицы объема возду­ ха. Плотность же воздуха, как увидим дальше, в свою очередь за­ висит от давления, температуры и влажности воздуха.

*Наставление артиллерии Советской Армии „Артиллерийская метеороло­ гическая служба", 1956, приложение 19.

Выведем выражение для барометрической формулы, которая находит широкое применение при решении теоретических и прак­ тических задач в артиллерии. С этой целью выделим в атмосфере вертикальный столб воздуха с поперечным сечением s и бесконечно малой высотой dy (рис. 23). Давление в атмосфере на уровне ниж­ него основания элементарного столба обозначим через р, а на уров­ не верхнего — через p + dp. Сила давления, действующая на ниж­ нее основание, направлена по вертикали вверх и по величине рав­ на sp, а действующая на верхнее основание — направлена по вер­ тикали вниз и по величине равна s{p + dp).

В условиях вертикального равновесия атмосферы в окрестно­ стях выделенного элементарного столба воздуха разность (резуль-

s-(p+dp)

Рис. 23. Элементарный объем воздуха пло­ щадью s и высотой dy

тирующая) сил давления, действующих на нижнее и верхнее ос­ нования, равная

sp —s (р -f- dp) = — sdp,

должна быть направлена по вертикали вверх (/?>/? + dp) и уравно­ вешивать вес этого столба воздуха

66

Последнее выражение представляет барометрическую формулу в ее общем виде. В этой формуле величина Т переменная и зависит от высоты у.

В артиллерии барометрическая формула применяется в основ­ ном для решения двух задач:

1)определения давления атмосферы на заданной высоте по из­ вестным значениям давления у поверхности земли и температуры на различных высотах;

2)определения высот (превышений) по известным значениям давления и температуры на этих высотах.

Переходя к давлению, выраженному в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах (/г), барометрическую формулу в преде­ лах от поверхности земли до высоты у можно записать в виде

У

_ 1 Ыу

* ) г

При решении первой задачи атмосферу в пределах заданной высоты у делят на п слоев произвольной толщины*. В этом слу­ чае выражение для давления на заданной высоте можно записать как

При линейном распределении температуры в слоях ее можно в пределах каждого слоя вынести за знак интеграла средним зна­ чением

Используя таблицу показательной функции е~х , по этой фор­ муле можно сравнительно быстро и достаточно точно рассчитать величину давления на заданной высоте у. Для этого необходимо измерить величину давления атмосферы у поверхности земли

иопределить средние значения температуры в каждом слое.

*Слои целесообразно назначать с учетом характера распределения темпе­ ратуры воздуха по высоте.

При определении высот (превышений) по известным значениям давления и температуры на этих высотах задача решается также по слоям. Для этого представим уравнение (3.5) в виде

где 7'ср — средняя абсолютная температура воздуха в слое неболь­ шой толщины (до 1—2 км) с пределами ух и у2.

Выражая в этом уравнении давление в миллибарах (h мб) и под­

туру воздуха в этом слое (tcp). Очевидно, что эта поправка будет пропорциональна толщине слоя (у2 — уг)1=0, вычисленной по гипсо­

метрической таблице, и средней температуре tcp. Поправка имеет знак средней температуры слоя.

68

Для определения поправок к толщине слоя на среднюю темпе­ ратуру воздуха в слое имеется специальный график (приложе­ ние 2), рассчитанный по формуле

Таким образом, применительно к решению второй задачи

•барометрическая формула может быть записана в виде

Определение -высот (превышений) по этой формуле требует ис­ пользования гипсометрической таблицы и графика поправок на

•среднюю те-мпературу слоя.

Пример. В момент выпуска радиозонда РЗ-049 на поверхности Земли (высота ухм) были измерены давление /ц --- 1017 мб и температура воз­ духа t-j—— 18°С.

По полученным через некоторое время от радиозонда сигналам (с высоты у2м)

•было установлено, ч.то давление Л2 = 909 мб и температура f2= — 22°С.

Необходимо определить высоту подъема радиозонда над местом его вы­ пуска, на которой давление и температура имеют значения h.2 и L.

Решение. По гипсометрической таблице находим

Пользуясь формулой (3.12) или соответствующим графиком, находим по­ правку byf в высоту у = у 2 — У1 на среднюю температуру tср= — 20°С; она будет

Таким образом, согласно формуле (3.13) искомая высота будет равна

v=898 — 66=832 м.

Для сравнительно небольших превышений (порядка до 1 км) можно применять следующую упрощенную барометрическую фор­ мулу (формула Бабине)

Проверка правильности барометрических формул -показала, что они вполне пригодны не только для -случая статического равнЬвесия атмосферы, а и для реальных условий, когда наблюдаются го­ ризонтальные и вертикальные перемещения воздуха.

69