Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учение об атмосфере. Учебное пособие-1
.pdf
5. Вода в атмосфере
Скорости вертикальных движений в этих типах облаков различ-
ны. Так, если в слоистообразных облаках они малы и составляют
сантиметры в секунду, то в кучевообразных могут достигать 10–
20м/с и более. Поскольку последние облака имеют большую мощность (толщину), то такими потоками примеси могут быть занесены от высоких источников вниз, к подстилающей поверхности, а от
низких – вверх. В последнем случае обычно наблюдается снижение
концентраций примесей внизу. Однако при очень сильных скоростях вертикальных потоков и сухой подстилающей поверхности могут возникать пыльные или песчаные бури, а зимой – метели.
Кучевообразные облака обычно сильно развиты по вертикали и
их горизонтальные размеры соизмеримы с вертикальными (например, 1×1 км или 10×10 км). У слоистообразных облаков горизонтальные размеры несколько больше вертикальных (например, 10×1 км).
Более детальная характеристика облаков дается в международ-
ной классификации. В ней различают форму, виды и разновидности
облаков, а также их расположение по высоте. По этой классификации облака подразделяются на 4 яруса, или семейства, и 10 родов:
I – облака верхнего яруса, которые расположены выше 6000 м:
1 – перистые, 2 – перисто-кучевые и 3 – перисто-слоистые;
II – облака среднего яруса. Они наблюдаются в слое от 2000 до
6000 м:
4 – высококучевые и 5 – высокослоистые;
III – облака нижнего яруса, которые располагаются ниже 2000 м:
6 – слоисто-кучевые, 7 – слоистые и 8 – слоисто-дождевые;
IV – облака вертикального развития. Высота их нижней границы
составляет несколько сотен метров, а верхней может достигать тропопаузы: 9 – кучевые и 10 – кучево-дождевые.
Краткие характеристики всех перечисленных облаков представ-
лены в таблице 3, а их внешний вид можно найти на цветных фотоснимках в «Атласе облаков». Кроме русских названий, облака имеют
и латинские.
Из некоторых видов облаков выпадают осадки, которые обычно
очищают атмосферу за счет вымывания примесей, если сами осадки
не радиоактивные или не кислотные.
91
92
Таблица 3
прозрачность
Оптические явления,
облаков
Фазовое состояние
Хорошо просвечивают Солнце,
Луна, звезды.
В основном
Днем просвечивается небо
кристаллическая
Учение об атмосфере: учебное пособие
Примерно так же.
Просвечивают Солнце, Луна, слабо
голубое небо. Важное явление –
гало
При тонких облаках Солнце и
Луна местами просвечиваются.
Наблюдаются венцы
Солнце и Луна просвечивают,
как сквозь матовое стекло
Солнце и Луна
просвечиваются сквозь края
Солнце и Луна не
просвечиваются
Солнце и Луна не
просвечиваются
То же
То же
Изредка кристаллическая,
в основном капельная
Смешанная, из ледяных
кристаллов и капель воды
Капельная, ниже 0°С
изредка кристаллическая
Капельная, ниже 0°С – из
снежинок
Смешанная из капель,
снежинок
Солнце и Луна не
просвечиваются
Основание – темное,
вершина – ярко-белая
Нижняя часть –
капельная, средняя – из
крупы и снежинок,
верхняя кристаллическая
Толщина
(мощность)
Высота
нижней
Международная классификация облаков и их краткая характеристика [4]
Форма
Ярус
облаков
границы
облаков
облаков
Верхний Перистые >6 км 0,1–3 км
0,2–0,4 км
0,1–5 км
6–8 км
6–8 км
Перисто-
кучевые
Перисто-
слоистые
0,2–0,9 км
2–6 км,
плотные
до 2 км
Высоко-
кучевые
Средний
2–6 км 1–3 км
Высоко-
слоистые
<2 км 0,2–1 км
Слоисто-
кучевые
Нижний
<2 км 4–6 км
Слоистые <2 км 0,1–0,8 км
Слоисто-
дождевые
Вертикаль-
Кучевые <2 км 0,1–5 км Капельная
ного
развития
<2 км 4–12 км
Кучево-
дождевые
5. Вода в атмосфере
Осадки в виде обложного дождя и снега выпадают из слоисто-
дождевых и высокослоистых облаков, в виде ливневого дождя, снега, града – из кучево-дождевых (грозовых) облаков.
Моросящие осадки выпадают из слоистых облаков (зимой ино-
гда из слоисто-дождевых) и наблюдаются в тумане.
Анализ наблюдений над европейской частью России показывает,
что сплошные низкие облака высотой 300 м и ниже наблюдаются от
120 до 180 дней в году. При этом 60–70 % из всего числа наблюдений
приходится на холодную половину года.
Высота нижней границы слоистых облаков в среднем составляет
200–250 м, опускаясь иногда до 50–100 м. Их нижнее основание не
является резко очерченным, а представляет собой некоторый переходный слой ухудшенной видимости (рис. 21). Высота нижней границы облаков зависит от многих факторов, прежде всего от влажности и температуры воздуха.
Верхняя граница этих облаков имеет высоту 800–1500 м, гори-
зонтальная протяженность может составлять сотни и тысячи километров.
Высота нижней границы слоисто-кучевых облаков в холодную
половину года, как правило, составляет 300–600 м, а в теплую – 600–
1000 м. Она выражена более резко, чем у слоистых. Низкое расположение облаков свидетельствует о том, что примеси будут сосредотачиваться под ними, повышая общий фон загрязнения.
93
5.5. Осадки
Осадки – это капельки воды и ледяные кристаллы, выпадающие
из облаков (дождь, снег, морось, крупа, град), или образующиеся на
земной поверхности и предметах (роса, иней, гололед). Последние
называются гидрометеорами. При выпадении осадков из облаков
происходит очищение воздуха от примесей, если они сами не являются кислотными или радиоактивными.
Осадки по характеру подразделяются на ливневые, обложные и
моросящие.
Ливневые осадки – это крупные частицы дождя или крупные
снежинки, а также градины. Начинаются ливневые осадки неожи-
94
данно и так же заканчиваются. Их продолжительность от нескольких минут до 1–3 часов. Осадки имеют переменную интенсивность
и неравномерно распределены по территории. Капли дождя и градины на поверхности воды создают воздушные пузыри. Выпадают
ливневые осадки, как правило, из кучево-дождевых облаков.
Обложные осадки по сравнению с ливневыми имеют размеры капелек значительно меньше (от 0,2 до нескольких миллиметров). Начинаются постепенно и так же заканчиваются. Продолжительность
составляет от 1–2 часов до нескольких часов и даже суток. Обычно
они имеют меньшую интенсивность. Выпадают из слоисто-дождевых
и высоко-слоистых облаков.
Моросящие осадки представляют собой мельчайшие капельки
воды, размер которых составляет доли миллиметров (всегда меньше
0,2 мм). На поверхности воды следов не оставляют. Начинаются и
заканчиваются очень медленно. Продолжительность от нескольких
часов до нескольких суток. Выпадают из слоистых, слоисто-дождевых облаков и наблюдаются в тумане. Создается такое впечатление,
что капли плавают в воздухе.
По интенсивности осадки могут быть слабые, умеренные, сильные и очень сильные, а по продолжительности – кратковременные,
непрерывные, с перерывами и продолжительные.
По внешнему виду: жидкие (в виде дождя и мороси), твердые (снег,
град, крупа, ледяные иглы), смешанные (мокрый снег и снег с дождем).
При наблюдениях за осадками фиксируют время их начала и
окончания, а также изменение интенсивности. Количество осадков
измеряют 2 раза в сутки: в 7 и 19 часов. При этом используют осадкомер Третьякова.
Учение об атмосфере: учебное пособие
5.6. Туманы
Туманом называют скопления капелек воды и ледяных кристаллов у подстилающей поверхности, ухудшающие дальность видимости до величины менее 1 км. При этом влажность стремится к 100%.
Дымка – то же самое, только видимость изменяется в пределах
1–10км. По происхождению туманы подразделяют на туманы испарения, перемешивания, охлаждения и туманы склонов.
5. Вода в атмосфере
95
Первые возникают за счет испарения с поверхности воды или
влажной почвы. Вторые – при смешении воздушных масс (или порций воздуха) с различной температурой и влажностью (см. рис. 8).
Четвертый вид туманов возникает за счет адиабатического (без
притока и оттока тепла от окружающего воздуха) охлаждения воздуха, поднимающегося по склону горы (возвышенности).
Наиболее интересно и противоречиво развитие третьего вида
туманов – охлаждения. Их подразделяют на адвективные и радиационные. Условия их образования различны до противоположности.
Поэтому рассмотрим их в сравнении (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительные характеристики радиационных
и адвективных туманов [8]
Радиационные туманы Адвективные туманы
Возникают за счет радиационного
выхолаживания земли и
прилежащего воздуха при
безоблачной либо малооблачной
погоде, высокой относительной
влажности после захода солнца
Возникают ночью и утром В любое время суток и почти не имеют
Существуют от 1 до нескольких часов От нескольких часов до нескольких суток
Возникают при ветре 0–3 м/с При ветре 4–10 м/с
Тонкие по толщине, обычно небо
сквозь них видно
Развиваются в гребнях антициклонов
и в их центре
Наблюдаются в конце лета и осенью Зимой, ранней весной, а иногда и осенью
Над ними наблюдается тонкая
инверсия с небольшим перепадом
температуры на верхней и нижней
границах
Имеют суточный ход Суточного хода почти не имеют
По площади 1–10 км
2
При натекании теплого влажного воздуха
на холодную подстилающую поверхность
суточного хода
Мощные по толщине, небо сквозь них не
видно, а над ними обычно наблюдается
сплошная облачность
Возникают перед теплым фронтом и в
теплом секторе циклона
Мощная по толщине инверсия,
с большим перепадом температур на
верхней и нижней границах
По площади 1000–10 000 км
2
Иногда выделяют дополнительно адвективно-радиационные ту-
маны. Они больше похожи на адвективные, но имеют слабо выра-
96
женный суточный ход, то есть их повторяемость и интенсивность
несколько ослабевают в дневное время. Об этом можно судить по
улучшению дальности видимости в них днем и ухудшению ночью.
Кроме того, днем сквозь них может просвечивать Солнце, а ночью
Луна – обычно не просвечивает.
Туманы, особенно радиационные, способствуют повышению
уровней загрязнения из-за застойных явлений и слабого ветра. При
адвективных туманах, благодаря сильному ветру, примеси перемещаются по горизонтали, и поэтому уменьшается их концентрация.
Интересен обратный эффект воздействия примесей на повторяемость туманов. Известно, что в городе концентрация гигроскопических примесей, т. е. ядер конденсаций, больше, чем в пригороде (воздух там чище). Первоначально считалось, что из-за наличия большого
количества ядер конденсации в городе повторяемость туманов должна быть больше, т. е. они должны наблюдаться чаще. Однако сработал
другой эффект. Большое количество примесей в городе создает над
ним аэрозольную шапку. Она уменьшает выхолаживание воздуха в
городе и в результате температура в нем обычно на 1–2°С выше, чем
в пригороде. Это явление получило название «острова тепла». Благодаря ему повторяемость туманов в городе меньше, чем в пригороде.
Учение об атмосфере: учебное пособие
5.7. Физические основы, методы и технические средства
воздействия на облака и туманы
По физическому принципу воздействия на облака и туманы они
подразделяются на 2 большие группы: переохлажденные облака и туманы и теплые облака, и туманы (при температуре выше нуля градусов Цельсия). Впервом случае методы воздействия направлены на то,
чтобы искусственным путем вызвать образование ледяных кристаллов в среде, состоящей из переохлажденных капель воды. Во 2-м случае методы воздействия должны обеспечить рост вводимых в облако
частиц до размеров, начиная с которых частицы будут выпадать.
К настоящему времени учеными разработаны различные методы
и технические средства рассеяния как теплых, так и переохлажденных туманов, низких слоистых облаков.
5. Вода в атмосфере
Для облаков и туманов условия таковы, что средний рост ка-
пель радиусом менее 20–30 мкм целиком определяется процессами
конденсации, а капель радиусом более 60–80 мкм – коагуляцией.
Туман является полидисперсной средой с размерами капель порядка 2–20 мкм. Поэтому преимущественно внутри тумана будет
иметь процесс конденсационного роста при отсутствии внесения
в него каких-либо более крупных капель извне (без активного воздействия). Активное воздействие на туман с помощью струи воды
способствует «вымыванию» капель тумана за счет внесения в него
относительно крупных капель воды, образующихся при разбрызгивании струи. Основная масса «искусственных» капель, внесенных
извне, наиболее отвечает по своим размерам условиям гравитационного коагуляционного роста.
Надо отметить, что в процесс коагуляции, кроме гравитацион-
ных сил, свой вклад вносят еще броуновская, электростатическая
и турбулентная коагуляции. И каждая из этих видов коагуляции
усиливает общий процесс коагуляционного роста капель на различных стадиях их развития. При распаде водяной струи образуется
совокупность капель высокой концентрации. Такая совокупность
в поле силы тяжести падает существенно быстрее, чем отдельные
изолированные капли того же размера, что и капли, составляющие
эту совокупность. При этом происходит вовлечение окружающей
облачной среды в нисходящее движение. Такой «коллективный» эффект имеет место при концентрациях капель в совокупности, когда безразмерное расстояние между каплями не превосходит 35–40
(замасштаб взят среднеквадратический диаметр капли). Этот физический эффект лежит в основе инициирования нисходящего потока
облачного образования, способствующего его рассеянию.
Успехи в области физики облаков заложили основу для изыс-
каний методов искусственного воздействия на облака и туманы.
Разработана методика самолетного рассеяния переохлажденных
туманов в аэропортах с помощью твердой углекислоты, созданы
разнообразные наземные и самолетные углекислотные распылительные установки и методика рассеяния переохлажденных туманов для нужд авиации наземными средствами, экологически чистая
97
98
и высоко эффективная, технология рассеяния туманов с помощью
жидкого азота.
Обширным комплексом натурных и лабораторных экспериментов показана возможность инициирования нисходящих потоков и
разрушения мощных конвективных облаков введением в их вершины грубодисперсных порошков нерастворимых веществ. Отработана технология оперативного увеличения осадков, которая позволяет
осуществлять операции по увеличению осадков на площади более
150 тысяч квадратных километров с сезонным увеличением осадков
на 12–15 %.
Учение об атмосфере: учебное пособие
6. ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ
6.1. Основные силы, действующие в атмосфере
В статике принимается, что атмосфера неподвижна, т. е. все силы
находятся в равновесии. Практически это можно применить только
к ограниченным районам и небольшим (по толщине) слоям воздуха.
Вдействительности атмосфера – очень подвижная среда, находящаяся в постоянном движении с различными скоростями.
В физике все силы подразделяют на массовые и поверхностные.
Вслучае с атмосферой можно к первым отнести силу тяжести и силу
Кориолиса (отклоняющая сила вращения Земли). Она возникает
только при движении. Из поверхностных сил в атмосфере выделяют силу давления воздуха и силу трения. Последняя тоже возникает
только при движении.
Атмосферный воздух находится в постоянном движении. В очень
редких случаях он неподвижен. Это наблюдается, когда нет перепада
давления. Как только появляется разность давлений, которая обычно вызывается разной степенью нагрева подстилающей поверхности
и воздуха, так сразу начинается движение воздуха из области высокого давления в сторону низкого. Как только начинается движение,
появляется отклоняющая сила вращения Земли или сила Кориолиса.
Витоге движение воздуха в свободной атмосфере происходит так, что
слева остается низкое давление, а справа – высокое в Северном полушарии, а в Южном – наоборот. Горизонтальное движение воздуха называется ветром. Чем больше разность давлений, тем сильнее ветер.
Ветер характеризуется направлением и скоростью.
За направление ветра в метеорологии принимается та часть гори-
зонта, откуда движется воздух. В навигации, наоборот, та часть горизонта, куда сносит летательный аппарат (ЛА). Северный ветер с точки
зрения метеоролога означает движение воздуха с севера, а с точки зрения навигатора– то, что на север будет сносить летательный аппарат.
Поэтому направление навигационного ветра (dн) отличается от направления ветра, измеренного метеоспециалистами (dм) на 180°:
dн = dм ± 180°. (35)
100
Направление ветра выражается в градусах или в румбах. Один
градус – это 1/360 часть горизонта. Градусы отсчитываются от северного направления географического меридиана по часовой стрелке
от 0 до 360°. Румбы (их 16), или стороны горизонта, имеют русские
и латинские наименования. Главными румбами (их 4) называют северный (С, N), южный (Ю, S), восточный (В, Е), западный (3, W).
Средние направления (их 4) между главными соседними румбами
называют по наименованию последних. Например, северо-восточный румб (СВ, NE) или юго-западный (ЮЗ, SW).
Кроме того, есть еще 8 промежуточных румбов. Их названия состоят из трех слов. Например: северо-северо-восток (ССВ, NNE),
или восток-северо-восток (ВСВ, ENE), или юго-юго-запад (ЮЮЗ,
SSW). В этих случаях один из главных румбов указывается дважды.
Скорость ветра измеряется в м/с, км/ч или узлах. Для определения
на карте направления и скорости ветра надо знать, как изменяется
давление в этом районе. Для этих целей введено понятие горизонтального барического градиента, представляющего собой разность
давлений в двух точках горизонтальной плоскости, отнесенных
к единице расстояния в том направлении, в котором давление изменяется наиболее быстро. За единицу расстояния условно взят 1°
меридиана, что соответствует примерно 111 км. Горизонтальный барический градиент обозначают через Δp/Δn, где Δp – разность давлений, а Δn – расстояние между изобарами. Градиенты всех метеовеличин в метеорологии направлены в область наименьших значений.
Учение об атмосфере: учебное пособие
Рис. 22. Изобары и барический градиент [8]
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]