Дорожная климатология

Вместе с изменением полуденной высоты Солнца над горизонтом в зависимости от широты и времени года изменяются и продолжительность дня и ночи, как видно из данных табл. 2.2

Таблица 2.2

Изменение продолжительности дня в зависимости от географической широты

С положением Земли относительно Солнца связана солнечная радиация на нашей планете. Координаты точки М на местности определяются как пересечение соответствующих параллели и меридиана (рис. 2.4).

З

Рис. 2.4. Географическая сетка земной поверхности

2.2.Атмосфера

2.2.1.Состав атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, простирающаяся на высоту до 36 тыс. км. Резкой верхней границы она не имеет. В газовой оболочке Земли различают ряд сфер: тропосфера (до 16

км), стратосфера (16-50 км), мезосфера (50-80 км), термосфера (80-300 км), ионосфера (300-800

км), экзосфера (более 800 км). Между сферами имеются прослойки: тропопауза, стратопауза и мезопауза.

Смесь газов, образующих атмосферу, называют воздухом (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Состав атмосферного воздуха

Воздух имеет решающее значение для жизни на Земле, но люди часто воспринимают его как дар свыше: о нем вспоминают только при сильном загрязнении, когда уже необходимо принимать меры по охране воздушного бассейна, решать вопросы по снижению вредных выбросов в атмосферу.

Очень малое число людей осознают, как много воздуха они вдыхают. Здоровый человек делает около 2000 вдохов и выдохов за 24 часа, пропуская через легкие примерно 15 кг воздуха. Для сравнения скажем, что человек потребляет за такое же время меньше 1,5 кг пищи и около 2 кг воды. Человек может прожить приблизительно 5 недель без пищи и 5 дней без воды, но только 5 минут – без воздуха.

Воздух является смесью многих газов (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Некоторые газовые составляющие присутствуют в атмосфере в очень малых количествах, однако их важность определяется не этим. Например, содержание в атмосфере озона (О3), каждая молекула которого состоит из трех атомов кислорода, доходит только до 0,001 %, однако без озона жизнь на земле была бы совсем иной, чем мы ее видим сейчас.

Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,9644.

2.2.2. Происхождение атмосферы

Вопрос о происхождении атмосферы неотделим от вопроса о происхождении самой Земли. Современная земная атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) в процессе формирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: диссипации (улетучивания) атмосферных газов в космическое пространство; выделения газов из литосферы в результате вулканической деятельности; диссоциации (расщепления) молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения; химических реакций между компонентами атмосферы и породами, слагающими земную кору; аккреции (захвата) межпланетной среды (например, метеорного вещества). Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосферные газы, в свою очередь, оказывали большое влияние на эволюцию литосферы. Например, громадное количество углекислоты, поступившее в атмосферу из литосферы, было затем аккумулировано в карбонатных породах. Атмосферный кислород и поступающая из атмосферы вода явились важнейшими факторами, которые воздействовали на горные породы. На протяжении всей истории Земли атмосфера играла большую роль в процессе

выветривания.

Деятельность живых организмов, оказывающая сильное влияние на развитие атмосферы, сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота – в процессе питания растений.

В науке широко распространена гипотеза, что планеты солнечной системы образовались путем охлаждения раскаленных газовых сгустков, оторвавшихся от Солнца. При охлаждении такого газового сгустка должно было происходить соединение разных химических элементов и образование составляющих земной шар веществ. Зная имеющееся теперь в наличии количество этих веществ, можно подсчитать первоначальное количество кислорода в сгустке, хоть и приближенно. Эти расчеты были произведены, и обнаружены несоответствия кислорода и азота на Солнце и на Земле: кислорода оказалось в несколько тысяч раз больше на Земле. Это расхождение отвергает гипотезу отделения Земли от Солнца.

Новейшая теория образования Солнечной системы разработана академиком О.Ю. Шмидтом, который считает, что земной шар, как и другие планеты, образовался из сгустков холодной космической пыли. Атмосфера же появилась после формирования планеты в результате постепенного ее разогревания при медленном накоплении тепла из-за распада радиоактивных элементов и в результате появления жизни и создания почвенного покрова.

Имеются и другие гипотезы о происхождении атмосферы.

2.2.3. Структура атмосферы

Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженную слоистую структуру (рис. 2.6). Вертикальный разрез атмосферы и ее строение показаны на рис. 2.7.

Основные черты слоистого строения атмосферы определяются, в первую очередь, особенностями вертикального распределения температуры. В структуре атмосферы различают ряд сфер, в том числе: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, ионосфера, экзосфера, между которыми имеются прослойки – тропопауза, стратопауза и мезопауза.

Тропосфера. Физические свойства тропосферы, в основном, определяются влиянием земной поверхности, которая является ее нижней границей. Наибольшей высоты (16 - 18 км) тропосфера достигает в экваториальной и тропической зонах. В высоких широтах Земли верхняя граница тропосферы лежит в среднем на уровне 8-10 км, в средних она ежедневно колеблется от 7- 8 до 10-12 км. Эти колебания зависят от атмосферных процессов. Нередко в течение суток верхняя граница тропосферы над определенным пунктом опускается или поднимается на несколько километров, что связано, главным образом, с изменениями температуры воздуха.

Рис. 2.6. Структура атмосферы

Рис. 2.7. Схема строения атмосферы на высоте до 250 км

ивертикальный разрез атмосферы:

1– горы; 2 – океан; 3 – облака; 4 – облака конвекции; 5 – облака перистые; 6 – облака перламутровые; 7 – облака серебристые; 8 – стратостат; 9 – радиозонд; 10 – метеорологические ракеты; 11 – геофизические ракеты; 12 – искусственные спутники Земли; 13 – отражение звуковых волн; 14 – отражение средних радиоволн; 15 – отражение коротких радиоволн; 16 – полярное сияние в нижней ионосфере; 17 – полярное сияние в верхней ионосфере; 18 – метеориты; 19 – слой наибольшей концентрации озона

В соответствии с притоком солнечной энергии температура воздуха понижается от экватора к полюсам. Так, средняя его температура у поверхности Земли на экваторе достигает

+26 С, над полярными областями зимой -34 – (-36) С, а летом – около 0 С. Таким образом,

разность температур между экватором и полюсами зимой составляет 60 С, а летом – лишь 26 С. С высотой разность температур между экватором и полюсом уменьшается.

Энергию атмосферной циркуляции можно определить по контрастам температуры между экватором и полюсами. Так как зимой разность температур больше, чем летом, то и атмосферные процессы протекают интенсивнее. Этим же объясняется то, что преобладающие западные ветры зимой в тропосфере имеют большие скорости, чем летом. Скорость ветра, как правило, с высотой возрастает, достигая максимума у верхней границы тропосферы. Горизонтальный перенос сопровождается вертикальными перемещениями воздуха турбулентным движением. Вследствие подъема или опускания больших масс воздуха образуются или рассеиваются облака, возникают или прекращаются осадки.

В тропосфере сосредоточены более 4/5 массы земной атмосферы и почти весь содержащийся в ней водяной пар. Кроме того, в этом слое наблюдается непрерывное понижение

температуры с высотой в среднем на 0,6 С на каждые 100 м. Причина этого в том, что воздух в тропосфере нагревается и охлаждается преимущественно от поверхности Земли.

Выше сравнительно тонкого переходного слоя – тропопаузы – находится стратосфера. Стратосфера – это слой атмосферы в пределах 16-50 км. Температура здесь, как правило,

повышается в среднем на 1-2 С на 1 км поднятия и у верхней границы становится положительной.

В создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере большую роль играет озон (О3), который находится на высоте 20-30 км. Он образуется под действием ультрафиолетовых лучей Солнца и, хотя общее количество его незначительно, имеет большое значение в протекающих в атмосфере процессах. Озон обладает способностью поглощать ультрафиолетовую радиацию Солнца и тем самым предохраняет животный и растительный мир от ее губительного воздействия.

Количество озона неодинаково над различными частями Земли (в высоких широтах его больше, в средних и низких – меньше) и зависит от смены времен года: весной озона больше, осенью – меньше. Кроме того, его количество также зависит от горизонтальной и вертикальной циркуляции атмосферы.

Зимой (в условиях полярной ночи) в высоких широтах как в тропосфере, так и в стратосфере, происходит охлаждение воздуха.

Летом (в условиях полярного дня) в высоких широтах в слое озона происходит поглощение солнечного тепла, и воздух нагревается сильнее, чем в средних широтах. В результате градиенты температуры и давления летом в стратосфере бывают направлены от высоких к средним широтам.

Мезосфера. Общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается у ее верхней границы. Выше температура вновь понижается и на высоте 80 км

достигает -75 – -90 С. Затем вновь происходит повышение температуры с высотой.

На высоте 80 км, в слое мезопаузы, понижение температуры прекращается, и начинается ее повышение. Здесь под инверсионным слоем в сумерки или перед восходом Солнца при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака – серебристые.

Термосфера расположена выше мезосферы. Для нее характерно непрерывное повышение температуры с высотой. Данные, полученные с помощью ракет, свидетельствуют о том, что на

уровне 150 км температура воздуха достигает +220 – +240, а на уровне 200 км – более 500 С. Выше этого уровня температура продолжает повышаться и на высоте 500-600 км превышает 1500

С; в течение суток она значительно колеблется.

В термосфере газы очень разрежены. В этой среде сравнительно немного молекул весьма малых размеров (легких газов), поэтому они движутся с большими скоростями. При столкновениях молекул возникает высокая температура в данном объеме воздуха. В термосфере в каждом кубическом сантиметре воздуха содержатся десятки и сотни тысяч молекул различных газов, в то время как у поверхности Земли их – около сотни миллионов миллиардов.

Экзосфера – самая верхняя часть атмосферы – расположена выше 800 км. Температура в

экзосфере с высотой возрастает предположительно до +2000 С. В отличие от нижней части атмосферы в экзосфере газы настолько разрежены, что частицы их, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

Для сравнительного анализа атмосферы в различных районах земного шара используется понятие стандартной атмосферы (рис. 2.8).

2.2.4. Свойства атмосферы

Современная атмосфера сформировалась в результате множества постепенных изменений и содержит примерно 78 % азота, 21 % кислорода и около 1 % большого числа других составных частей. Все слои имеют примерно одинаковый газовый состав. Среди всех слоев атмосферы наибольшее значение имеет тропосфера, так как в ней происходят основные погодные процессы.

Общая масса атмосферного воздуха равна 5,25 1015 т. Она распределяется неравномерно: до 6 км сосредоточено около 50 % ее массы, до 29 км – 97 %; в пределах тропосферы находится от 75 (умеренные широты) до 90 % (тропики). Принимая во внимание, что площадь земной поверхности составляет 510 млн. км2 и зная массу атмосферы, можно подсчитать, что плотность на уровне моря в среднем равна 1,3 кг/м3.

Свойства атмосферы в приземных слоях зависят также от степени ее загрязнения природными и антропогенными загрязнителями.

Кприродным загрязнителям относятся: космическая, вулканическая и почвенная пыль; дым лесных пожаров; морская соль; сероводород и аммиак, образующиеся при гниении органических веществ; метан при брожении углеводородных веществ. В атмосферном воздухе содержатся микроорганизмы, которые сорбированы на поверхности пылинок.

Кантропогенным относятся выбросы, образующиеся при работе автомобильного транспорта, предприятий черной и цветной металлургии, горнорудной, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, сельского хозяйства и др. По своему составу и свойствам они отличаются большим разнообразием. Для автотранспорта характерными являются: оксиды углерода, диоксиды азота и серы, свинец, сажа, кадмий, асбестовая пыль, бенз(а)пирен и другие отравляющие вещества, входящие в состав отработавших газов.

Состояние атмосферы определяется рядом физических характеристик (параметров), основными из которых являются температура, влажность, давление, плотность воздуха.

Температура воздуха – степень нагретости или характеристика теплового состояния воздуха. Она пропорциональна энергии движения молекул воздуха, измеряется в градусах по шкале Цельсия или в кельвинах по абсолютной шкале.

Температура замерзания пресной воды или таяния льда принята за 0 С (273,15 К), а

температура кипения воды соответственно равна 100 С (373,15 К). Соотношение различных шкал температур и их характеристика приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Практические и англо-американские температурные шкалы

Примечания:

1.1 м – путь, проходимый в вакууме светом за 1/29972458 доли секунды.

2.1 с – 9192631770 периода излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния (атом цезия–133).

Для измерения температуры применяются различные термометры (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Термометры: а – ртутный метеорологический к психрометру аспирационному (большая модель); б – ртутный метеорологический к психрометру аспирационному(малая модель);

в – пращ ртутный метеорологический (1) с футляром (2) и шнуром (3); г – ртутный метеорологический для определения температуры поверхности почвы

Термометры в зависимости от их особенностей подразделяются:

1)срочные;

2)максимальные;

3)минимальные.

Для непрерывной записи температуры воздуха используются суточные и недельные термографы (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Термограф с лентой для записи температуры: 1 – биметаллическая пластинка; 2 – стрелка; 3 – барабан; 4 – часовой механизм

На метеорологических площадках термометры и термографы устанавливаются в метеорологических будках на высоте 2 м от поверхности земли. Метеорологическая будка должна хорошо вентилироваться и защищать установленные в ней приборы от непосредственного воздействия солнечных лучей.

Для измерения температуры почвы используются почвенные коленчатые термометры (рис.

2.11).

Рис. 2.11. Почвенные коленчатые термометры Савинова:

а– комплект термометров; б – отдельный термометр;

в– установка термометра в почве

Температура воздуха для практических целей измеряется с точностью 0,1 С, а в метеорологических телеграммах и на картах погоды указывается в целых числах.

Температура воздуха – величина непостоянная, она изменяется периодически в течение суток и года и непериодически в результате изменения метеорологической обстановки. Временные изменения температуры подразделяются на суточные, годовые и непериодические. Пространственные изменения температуры зависят от географической широты и долготы места, от высоты над поверхностью Земли.

В приземном слое температура воздуха изменяется в течение суток. Минимальная температура наблюдается обычно в момент восхода Солнца: в июле – около 3 ч, в январе – около 7 ч по местному среднему солнечному времени. Максимальная температура бывает в 14-15 ч.

Амплитуда колебаний температуры может меняться от нескольких до десятков градусов. Она зависит от времени года, широты места, высоты его над уровнем моря, рельефа, характера подстилающей поверхности, наличия облачности и развития турбулентности в атмосфере. Наибольшая амплитуда бывает в низких широтах, в котловинах с песчаной или каменистой почвой, в безоблачные дни. Над морями и океанами суточный ход температуры незначителен.