Учение об атмосфере. Учебное пособие

УДК 551.5(075.8)

ББК 26.23я73 У91

Рецензенты кандидат технических наук, доцент Е.В. Сальникова

Авторы: А.И. Байтелова, Т.Ф. Тарасова, М.Ю. Гарицкая, О.В. Чекмарева

Байтелова, А.И.

У91 Учение об атмосфере: учебное пособие / А.И. Байтелова, Т.Ф. Тарасова, М.Ю. Гарицкая, О.В. Чекмарева; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург:

ОГУ, 2016.- 124 с.

ISBN 978-5-7410-1501-8

Учебное пособие подготовлено в соответствии с содержанием курса «Учение об атмосфере», определяемым образовательным стандартом высшего образования и предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование.

В пособии рассмотрены общие вопросы метеорологии и климатологии: состав, строение и циркуляция атмосферы, радиационный баланс атмосферы и земной поверхности тепловой баланс, вода в атмосфере, формирование климата и климатические зоны земного шара.

2

Содержание

1.4Методы метеорологии и климатологии …………………………………. 13

1.5Метеорологическая сеть, метеорологическая служба, международные метеорологические программы ………………………………………………. 17

2.4Плотность воздуха …………………………………………………………. 23

2.5Строение атмосферы: основные слои атмосферы и их особенности ……. 23

2.6Адиабатические процессы в атмосфере ………………………………….. 27

2.7Ветер. Связь ветра с изменениями давления. Скорость и направление ветра ……………………………………………………………………………. 28

2.8Розы ветров…………………………………………………………………. 31

2.9Воздушные массы………………………………………………………….. 32

2.10Атмосферные фронты ……………………………………………………. 34 3 Вода в атмосфере………………………………………………………………. 36

3.4Влагооборот………………………………………………………………….. 40

3.5Облака. Микроструктура и водность облаков. Описание основных родов облаков…………………………………………………………………………. 41

3

4.5Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере.

5.1Причины изменения температуры воздуха………………………………. 65

5.2Механизмы теплообмена между атмосферой и подстилающей поверхностью………………………………………………………………….. 66

5.3Тепловой баланс……………………………………………………………... 66

5.4Суточный и годовой ход температур поверхности почвы и водоемов.

6.3Барические системы………………………………………………………… 77

6.4Колебания давления во времени, непериодические изменения и суточный

ход……………………………………………………………………. 78

6.5 Геострофический и градиентный ветер, изменение ветра с высотой…… 79

6.6 Суточный ход ветра……………………………………………………….. 81

7 Атмосферная циркуляция……………………………………………………. 83

7.1Масштабы атмосферных движений, средняя величина давления для земного шара и полушарий……………………………………………………... 83

7.2Циркуляция в тропиках……………………………………………………. 86

7.3Пассаты и антипассаты…………………………………………………….. 87

7.4 Тропические муссоны……………………………………………………… 89

7.5Преобладающие направления ветра………………………………………. 90

7.6Внетропическая циркуляция………………………………………………... 91

8.4Методы исследования микроклимата……………………………………. 103

8.5Непреднамеренные воздействия человека на климат…………………….. 104

8.6Техногенное увеличение концентрации углекислого газа и аэрозолей и

его последствия…………………………………………………………………. 105

8.7 Климат большого города………………………………………………….. 107

5

6

Введение

Из всех компонентов географической оболочки атмосфера обладает наибольшей способностью переносить возникающие в ней возмущения на большие расстояния. По этой причине происходящие в ней процессы являются основным механизмом превращения локальных воздействий человека на окружающую среду

вглобальные изменения природных условий.

Врезультате хозяйственной деятельности человека ежегодно в атмосферу поступает огромное количество загрязняющих веществ. Выбросы диоксида углерода, оксидов азота, метана, диоксида серы, фреона и других загрязняющих веществ оказывают влияние на глобальный климат и вызывают негативные экологические последствия, то есть парниковый эффект, разрушение озонового слоя и кислотные дожди.

Данное учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование, уже имеющих определенный набор знаний в области экологии и охраны окружающей среды.

Содержание материала учебного пособия соответствует требованиям программ государственного образовательного стандарта высшего и профессионального образования по указанному направлению подготовки. В

пособии рассмотрены физические процессы и географические факторы,

формирующие погоду и климат Земли, в том числе и обусловленные человеческой деятельностью, изложены основные сведения о метеорологических величинах и метеорологических явлениях. Описаны основы физики и динамики атмосферы,

закономерности радиационного и теплового режима атмосферы Земли, раскрыта практическая значимость изучения процессов атмосферы в различных временных диапазонах для решения задач народного хозяйства и охраны природы.

7

1 Определение науки «климатология» и «метеорология»

1.1 Положение метеорологии и климатологии в системе наук, их

практическое значение

Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении,

свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах.

Теоретической основой метеорологии служат общие законы физики и химии,

записанные применительно к атмосфере. Главными задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее состояния на будущее. В некоторых случаях возникает необходимость восстановить состояние атмосферы в прошлом.

Климатологией называется раздел метеорологии, в котором изучаются закономерности формирования климатов, их распределения по Земному шару и изменения в прошлом и будущем.

Введение в научную литературу термина «климат», который дословно означает «наклонение, наклон», восходит ко II веку до н.э. Так назвал древнегреческий астроном Гиппарх из Никеи (190–120 гг. до н.э.) каждую из пяти зон, на которые он разделил Землю. Гиппарх выделил на Земле пять климатических зон, зависящих от наклона солнечных лучей.

Представления Гиппарха и его последователей о том, что природные или климатические условия зависят только от наклона солнечных лучей или высоты Солнца над горизонтом, господствовали вплоть до начала XIX в. А. Гумбольдт

(1769–1859) в своем труде «Космос» дал новое определение понятия «климат»,

которое учитывало влияние океана с его течениями. Впоследствии была всесторонне развита и детализирована, прежде всего, в трудах В. Докучаева (1857– 1903 гг.) теория широтной, а затем и вертикальной географической, в том числе и климатической, зональности поверхности суши.

Теперь, когда остроумное древнегреческое определение климата ушло в прошлое, климатом называется статистическая совокупность состояний,

проходимых системой «атмосфера–океан–суша–криосфера–биосфера» за периоды

8

времени в несколько десятилетий. В таком понимании климат есть понятие глобальное. Под климатом в узком смысле слова, или локальным климатом,

понимают совокупность атмосферных условий за многолетний период,

свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки.

Климат, являясь одной из физико-географических характеристик среды,

окружающей человека, решающе влияет на хозяйственную деятельность людей: на специализацию сельского хозяйства, размещение промышленных предприятий,

воздушный, водный и наземный транспорт и т.п.

Использование в метеорологии и климатологии точных физических законов

исложного математического аппарата роднит эту науку с физико-

математическими науками. В то же время все атмосферные движения протекают на планете Земля с характерными только для нее очертаниями материков и океанов,

строением рельефа, распределением рек, морей, ледникового, снежного покровов и растительности. Это определяет географичность метеорологии и климатологии и их вхождение в комплекс географических наук.

1.2 Основные этапы истории развития метеорологии и климатологии

Начало истории развития метеорологии уходит в глубокую древность.

Упоминания о различных метеорологических явлениях встречаются у большинства народов древности. По мере развития цивилизации в Китае, Индии,

странах Средиземноморья делаются регулярные попытки метеорологических наблюдений, появляются отдельные догадки о причинах атмосферных процессов и зачаточные научные представления о климате. Первый свод знаний об атмосферных явлениях был составлен Аристотелем, взгляды которого затем долго определяли представления об атмосфере.

В средние века регистрировались наиболее выдающиеся атмосферные явления, такие как катастрофические засухи, исключительно холодные зимы,

9

дожди и наводнения. В эпоху великих географических открытий (XV - XVI вв.)

появились климатические описания открываемых стран.

Научное изучение атмосферы началось с XVII в. и совпадало с периодом бурного развития естественных наук. Были изобретены термометр (Галилей, 1597

г.), барометр (Торичелли, 1643 г.), дождемер, флюгер. М. В. Ломоносов в середине

XVIII в. изобрел анемометр для измерения скорости ветра и разработал схему образования грозы.

Регулярные метеорологические наблюдения в России стали проводиться при Петре I. В 1849 г. в России было открыто первое в мире научное метеорологическое учреждение - Главная физическая (ныне Геофизическая) обсерватория имени А. И.

Воейкова. В XIX в. начинает развиваться сеть метеорологических станций. В 50-е

годы XIX в. получила развитие синоптическая метеорология. Во второй половине

XIX в. стала создаваться сеть наземных станций, развитие которых связано с именами Г. И. Вильда и М. А. Рыкачева.

Споявлением летательных аппаратов люди получили возможность изучения атмосферы в слоях, удаленных от земной поверхности. В 1930 году советский ученый П. А. Молчанов изобрел радиозонд, что позволило дополнить наземные наблюдения на метеорологических станциях аэрологическими наблюдениями.

Ссередины XX в. в практику метеорологических наблюдений стали входить метеорологические радиолокаторы и ракетное зондирование атмосферы.

Современные методы прогноза погоды не обходятся без информации, получаемой с метеорологических искусственных спутников Земли.

Важный этап в развитии климатологии - внедрение картографического метода: с его помощью оказалось возможным выявлять основные закономерности распределения метеорологических элементов на больших пространствах,

соизмеримых с материками. Первая карта изотерм земного шара была создана А.

Гумбольтом (1817 г.), а карты изобар, отображающие распределение атмосферного давление, были построены Буханном в 1869 г.

Одна из первых классификаций климатов была предложена В. П. Кёппеном.

10