Учение об атмосфере. Учебное пособие

Основоположником климатологии в России был А.И. Воейков (1842-1916

гг.). Его работы «Ветры земного шара», «Климаты земного шара» и другие определили уровень не только российской, но и мировой науки о климате и не потеряли научного значения до настоящего времени.

Следующий этап развития метеорологической службы в нашей стране начался с принятия в 1921 г. декрета «Об организации метеорологической службы в РСФСР». В 1929 г. Совет народных Комисаров принял решение об объединении метеорологической и гидрологической служб и создании Единой государственной гидрометеорологической службы. В 1979 г. Главное управление гидрометеорологической службы было реорганизовано в Государственный комитет по гидрометеорологии и контролю природной среды.

В связи с нарастающими темпами загрязнения окружающей среды, особенно за последние 50 - 60 лет, в значительной мере под влиянием хозяйственной деятельности человека возникла необходимость контроля и управления процессами антропогенного загрязнения. Для этого в нашей стране, как и в других развитых странах, была создана специальная служба, занимающаяся контролем загрязнения природной среды, включая атмосферный воздух. В настоящее время на территории России органом государственного управления в области гидрометеорологии и контроля над загрязнением природной среды является федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

1.3 Атмосфера и погода

Атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с Землей в мировом пространстве,

как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает вся жизнь.

Воздух - газ, который в отличие от воды сжимаем. Поэтому с высотой плотность его убывает и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в

11

космическое пространство) без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10 км, девять десятых - в

нижних 20 км. Но присутствие воздуха - чем выше, тем все более разреженного -

обнаруживается до очень больших высот.

В высоких слоях атмосферы происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает различные фотохимические реакции разложения нейтральных газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому высокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электрической проводимостью. В этих слоях наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха,

создающие так называемый ночной свет неба. Электрическое состояние высоких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения процессов, происходящих в высоких слоях, существенно отличаются от применяющихся для исследования нижних слоев атмосферы (30 - 40 км), но тесно связаны с методами изучения земного магнетизма [1].

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30 - 40 км в данный момент времени называется погодой.

Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление,

влажность воздуха, ветер, облачность и атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). Изменения погоды у земной поверхности влияют на очень многие области хозяйственной деятельности человека и, особенно, на сельское хозяйство. Погода в более высоких слоях влияет на работу авиации. Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, по крайней мере до 30 - 40 км.

В любом месте земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно характеризовать вполне определенным климатом. Локальным климатом называют

12

совокупность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности, т.е. широта, долгота

ивысота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, почвенный покров

идругие. Атмосферные условия, определяющие климат каждого места,

испытывают периодические изменения в годовом ходе - от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме периодических изменений совокупность атмосферных условий несколько изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость атмосферных условий.

Таким образом, в естественных условиях в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен лет локальный климат обладает определенной устойчивостью.

Поэтому он и является одной из физико-географических характеристик местности,

одной из составляющих географического ландшафта. Климат связан с другими составляющими географического ландшафта благодаря существованию тесных зависимостей между атмосферными процессами и состоянием земной поверхности, включая и Мировой океан. Однако локальный климат устойчив, если географическое распределение климатов на земном шаре, определяемое состоянием глобальной климатической системы, сравнительно мало меняется.

Главными задачами климатологии являются изучение глобальной климатической системы и прогноз возможных изменений глобального и локального климатов на ближайшее время и на далекую перспективу.

1.4 Методы метеорологии и климатологии

Метеорологические наблюдения - это измерения метеорологических величин, а также регистрация атмосферных явлений.

К метеорологическим величинам относятся температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков, потоки тепла и др. К ним присоединяются величины, непосредственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных

13

процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы и поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова,

продолжительность солнечного сияния и т.п. На некоторых станциях проводят наблюдения над солнечным и земным излучениями и над атмосферным электричеством.

К атмосферным явлениям относятся гроза, метель, пыльная буря, туман, ряд оптических явлений, таких как голубой цвет неба, радуга, венцы и т.д.

Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя и до высот около 40 км носят название аэрологических наблюдений.

Наблюдения над состоянием высоких слоев атмосферы можно назвать аэрономическими. Наиболее полные и точные наблюдения проводят в метеорологических и аэрологических обсерваториях. Число таких обсерваторий,

однако, невелико. Кроме того, даже самые точные наблюдения, но производимые в небольшом числе пунктов, не могут дать исчерпывающего представления о состоянии всей атмосферы, поскольку атмосферные процессы протекают и разной географической обстановке по-разному. Поэтому кроме метеорологических обсерваторий наблюдения над основными метеорологическими величинами ведутся еще примерно на 3500 метеорологических и 750 аэрологических станциях,

размещенных по всему земному шару.

Атмосферные процессы, определяющие изменения погоды, развиваются на больших пространствах. Поэтому изучение их возможно, если метеорологические и аэрологические станции, ведущие наблюдения за атмосферными процессами,

размещаются (по возможности равномерно) на таких же больших пространствах.

Кроме того, изучение географического распределения метеорологических величин и сравнение состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли возможно при условии, что метеорологические станции в каждой стране и во всех странах мира ведут наблюдении однотипными приборами, по единой методике и в определенные часы суток. Станции в каждой стране и в мировом масштабе составляют единое целое - сеть метеорологических станций, т.е.

метеорологическую сеть. В России так же, как и в большинстве стран мира,

14

существует основная государственная сеть метеорологических станций,

отвечающая указанному выше требованию - оснащению однотипными приборами,

единообразной методикой наблюдений и согласованной по срокам работой.

Важнейшие требования к сетевым метеорологическим наблюдениям помимо синхронности - их длительность и непрерывность. Ход атмосферных процессов каждого года отличается от их хода в предыдущем и в последующем годах. Этим определяется необходимость при изучении климата иметь многолетние ряды систематических наблюдений. Для изучения изменений климата метеорологические наблюдения должны проводиться вообще неограниченно долго. Важно также, чтобы станции как можно дольше не меняли своего местоположения, так как перенос станции в другое место обрывает многолетний ряд наблюдений или, во всяком случае, нарушает его однородность.

Во всем мире на наземных метеорологических станциях проводят одновременные (синхронные) наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 час по единому - гринвичскому времени (времени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти так называемые синоптические сроки немедленно передают по телефону, телеграфу, радио или интернету в органы службы погоды, где по ним составляют синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды.

На метеорологических станциях основного типа регистрируют следующие метеорологические величины:

-температуру воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью;

-атмосферное давление;

-влажность воздуха - парциальное давление водяного пара;

-относительную влажность;

-ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10 - 12 м над земной поверхностью (измеряют его скорость и определяют направление, откуда дует ветер);

-количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и

др.);

15

-облачность, то есть степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высоту нижней границы облаков;

-наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и прочее), а также тумана;

-горизонтальную видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;

-продолжительность солнечного сияния;

-температуру на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве;

-состояние поверхности почвы;

-высоту и плотность снежного покрова.

Регистрируют также метеорологические и оптические явления, такие как метели, шквалы, смерчи, мглу, пыльные бури, грозы, тихие электрические разряды,

полярные сияния, радугу, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи и др.

Не все метеорологические величины наблюдают в каждый срок наблюдений.

Например, количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова - один раз в сутки, плотность снега - один раз в пять или десять дней и т.д.

Кроме метеорологических станций существует гораздо более многочисленная сеть метеорологических постов, на которых проводят наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для оценки распределения этих величин нужна более густая сеть наблюдений [2].

В программы наблюдений обсерваторий и ряда специальных станций также входят:

-наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением,

отражательными свойствами поверхности земли и воды;

-наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха;

-измерения содержания в воздухе озона, пыли, химических примесей,

радиоактивных продуктов и др.;

16

- атмосферно-электрические наблюдения над ионизацией воздуха, т.е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над измерениями электрического поля атмосферы.

1.5Метеорологическая сеть, метеорологическая служба,

международные метеорологические программы

Во всех странах существуют специальные государственные организации, так называемые метеорологические службы. В состав таких служб входят государственные сети метеорологических, аэрологических и других специализированных станций, оперативные и научные метеорологические учреждения. Задачами метеорологической службы являются развитие научных исследований атмосферы, практическое обслуживание народного хозяйства и населения информацией о погоде и климате, составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды. В России руководство метеорологической службой осуществляет Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В его систему кроме сети станций входят научно-исследовательские институты,

гидрометеорологические центры и обсерватории, авиаметеорологические станции,

центры по изучению и контролю загрязнения природной среды и т.п.

Атмосферные процессы не знают государственных границ. Воздух, сегодня,

например, расположенный над Скандинавией, завтра может оказаться над Северным Кавказом или Поволжьем. Неблагоприятные условия погоды наносят ущерб хозяйству любой страны, поэтому метеорологические наблюдения и исследования ведутся во всех странах. Именно поэтому существует настоятельная необходимость в обмене метеорологической информацией между странами, в

единообразии методики наблюдений и их обработки, в унификации форм оперативного обслуживания метеорологической информацией и прогнозами, а,

следовательно, в согласовании работы метеорологических служб всего мира. Такой организацией является Всемирная метеорологическая организация (ВМО).

17

Международное сотрудничество в области метеорологии началось во второй половине XIX в. В 1873 г. в Вене состоялся Первый международный метеорологический конгресс, принявший решение по вопросам градуировки и проверки метеорологических приборов, сроков наблюдений, единиц измерений,

взаимного обмена информацией по телеграфу, заложивший основы Международной метеорологической организации. Для придания постоянного характера международному сотрудничеству было решено учредить Постоянный комитет, который должен был координировать деятельность метеорологических служб в промежутках между регулярно созывавшимися конференциями директоров метеорологических служб, а также учреждать международные комиссии по разным вопросам метеорологии. Второй Международный метеорологический конгресс собрался в 1879 г., его участником был Д.И.

Менделеев. На этом конгрессе была одобрена идея проведения Первого Международного полярного года (1882–1883 гг.), заложившего начало последующих грандиозных международных научных экспериментов XX в.

После Второй мировой войны сотрудничество метеорологических служб было восстановлено на новой основе, была создана Всемирная метеорологическая организация (ВМО) - специализированное межправительственное агентство ООН.

Высшим органом ВМО является Конгресс, который собирается раз в четыре года,

утверждает бюджет, избирает президента, трех вице-президентов и Исполнительный совет, состоящий из 26 директоров национальных метеорологических или гидрометеорологических служб. В Исполнительный совет входят по должности также президенты шести региональных ассоциаций ВМО,

которые объединяют метеорологические службы Африки, Азии, Южной Америки,

Северной Америки, Австралии, Океании и Европы. Техническую деятельность организации осуществляют восемь технических комиссий, а также Секретариат ВМО, который находится в Женеве.

Одной из важнейших программ ВМО является поддержание на должном уровне функционирования Всемирной службы погоды (ВСП), другой важной программой ВМО, учрежденной в 1979 г., является Всемирная климатическая

18

программа, задачами которой являются изучение изменений климата, построение теории климата и его изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов, а также возможных последствий таких изменений для человечества.

2.1 Атмосферное давление, единицы измерения

Атмосферное давление - давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. За единицу давления принимают такое равномерно распределенное давление, при котором на единицу поверхности приходится единица силы. Единицей давления является паскаль (1 Па= 1 кг⁄м∙с2).

Атмосферное давление удобно выражать в гектопаскалях (1 гПа=100 Па).

Атмосферное давление определяется с точностью до 0,1 гПа.

2.2 Температура воздуха и температурные шкалы

Температура является характеристикой теплового состояния тел. Существует

5 наиболее известных температурных шкал: стоградусная, или шкала Цельсия (ºC),

Фаренгейта (ºF), абсолютная, или шкала Кельвина (K), шкала Реомюра (ºR) и шкала Ранкина (ºRa).

В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, в

которой за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100 градусам. За градус принимается сотая часть интервала между этими точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке.

Шкала Кельвина была предложена в 1848 году английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью

перестают двигаться. Это значение было получено путём теоретического изучения

19

свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует минус 273,15 ºС.

Следовательно на практике 0 ºС может быть приравнен к 273 К. До 1968 года единица измерения кельвин (К) именовалась как градус Кельвина (ºК).

Шкала Фаренгейта была предложена зимой 1709 года немецким учёным Габриэлем Фаренгейтом. По этой шкале за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре учёного. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной плюс 32 ºF, а точка кипения воды плюс 212 ºF.

Шкала популярна в США и Великобритании [3].

В 1731 году французский учёный Рене де Реомюр предложил температурную шкалу, основанную на использовании спирта, обладающего свойством расширяться. За нижнюю точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объёма, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80 градусов. Шкала Реомюра ныне повсеместно вышла из употребления.

Шкала Ранкина была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль её совпадает с нулём термодинамической температуры,

а по размеру 1 ºRa равен 5/9 К. То есть принцип тот же, что и в шкале Кельвина,

только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. Данная система измерения температуры распространения не получила.

При метеорологических наблюдениях температура выражается в градусах шкалы Цельсия (t, °С). Для оценок термодинамического состояния системы используется температурная шкала Кельвина (Т, К). Обе шкалы характеризуют эквивалентное изменение теплового состояния тел при изменении температуры на равное количество градусов, но имеют различные значения начала отсчета,

20