Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учение об атмосфере. Учебное пособие-1
.pdf
1. Общие сведения об атмосфере
вратиться в Венецию». Однако некоторые ученые имеют и противоположное мнение. Например, К. Я. Кондратьев, Л. Т. Матвеев и
др. считают, что может наступить похолодание, а из-за эффекта «белой» Земли (увеличение отражательной способности заснеженной
поверхности) и слабый ледниковый период. Эта неопределенность
в возможном изменении климата практически исключает ориентацию работы заводов и промышленности на выпуск и развитие плавательных средств либо различных снегоходов. Это может иметь
негативные экономические последствия [17, 22].
Для жизни на Земле и развития процессов, происходящих на
высотах до 20–25 км, большое значение имеет газ озон. Он отличается от кислорода тем, что его молекула состоит не из двух атомов
кислорода, а из трех. Поглощение озоном ультрафиолетовой части
лучистой энергии Солнца приводит к значительному нагреванию
стратосферы. Зато тропосфера под районами, где наблюдается избыточное содержание озона, имеет пониженную температуру. Выявлена «озонная дыра» над Южным полушарием и в частности над
Антарктидой, а также в Северном полушарии. Это районы с низким
содержанием озона. Такое положение представляет угрозу животному и растительному миру. Последние исследования показали, что
содержание озона может изменяться на несколько десятков процентов в течение 2–3 суток. Поэтому дело не в химических озонообразующих и разрушающих веществах, а в атмосферно-динамических
и радиационных процессах. К ним можно, например, отнести колебание положения оси струйного течения и «блокирование» газообмена в атмосфере между высокими и умеренными географическими
широтами [29].
11
1.3. Строение атмосферы по вертикали
Атмосфера имеет слоистое строение по высоте и неоднородное
по горизонтали. По вертикали выделяют пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Переходные слои от одной сферы к другой соответственно называются
тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой и термопаузой. Эти паузы
называются по нижнему слою и являются задерживающими. Над
12
экзосферой паузы нет, так как она постепенно переходит в космическое пространство.
Рассмотрим некоторые характеристики первых двух слоев атмосферы.
Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся от
подстилающей поверхности до высоты 10–12 км в умеренных широтах, до 16–18 км в тропических и до 8–10 км в полярных областях.
Характерной особенностью тропосферы является понижение
температуры с высотой, которое в среднем составляет 6,5°С на каждый километр высоты, или 0,65°С на 100 м. Это вертикальный градиент температуры γ. Тропосфера получает тепло главным образом
от подстилающей поверхности, нагреваемой солнечными лучами.
Поэтому прилегающие к ней слои тропосферы значительно теплее,
чем более высокие. Вследствие неравномерного распределения тепла тропосфера оказывается неустойчивой – в ней происходит непрерывное движение воздуха, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Более теплый воздух поднимается вверх,
расширяется и охлаждается, а более холодный опускается вниз,
сжимается и нагревается [22].
Однако в тропосфере, особенно в нижнем ее слое ночью и утром
над сушей, а зимой почти круглые сутки, часто наблюдается рост
температуры с высотой. Такие слои называются инверсиями и являются задерживающими, так как препятствуют развитию вертикальных движений. Под этими слоями сосредотачиваются различные атмосферные примеси, в том числе капли воды и ледяные
кристаллы, которые ухудшают видимость и способствуют образованию слоистообразных облаков. Летом днем воздух над сушей нагревается и инверсии разрушаются.
Тропосфера условно подразделяется на три слоя. Нижний слой
располагается от подстилающей поверхности до высоты 2 км. В нем
располагаются облака нижнего яруса. Самая нижняя его часть называется слоем трения или возмущения, который простирается до высоты 1,0–1,5 км. Его обычно называют атмосферным пограничным
слоем. На него оказывает сильное тепловое и механическое влияние
подстилающая поверхность. В нем образуются все виды туманов и
низкие облака. Условия погоды в нижней тропосфере обычно наиболее сложные [22, 33].
Учение об атмосфере: учебное пособие
1. Общие сведения об атмосфере
Второй слой располагается на высотах 2–6 км. Это средняя тро-
посфера. В ней наблюдаются главным образом облака среднего яруса.
Третий слой, или верхняя тропосфера, простирается от 6 км до
тропопаузы. В нем располагаются облака верхнего яруса и вершины
кучево-дождевых облаков.
Несмотря на такое примитивное подразделение тропосферы на
три слоя, оно имеет практическое значение. Так, в ней в соответствии с морфологической классификацией выделяют облака нижнего, среднего и верхнего ярусов или семейств, которые возникают на
указанных выше высотах, а также облака вертикального развития.
Слои атмосферы, располагающиеся выше пограничного слоя, у
метеорологов называются свободной атмосферой. Экологи так называют воздух вне помещений. Не следует эти понятия путать, особенно при переводе с языка на язык.
Стратосфера располагается над тропопаузой и простирается
примерно до высоты 50 км. На распределение температуры воздуха
с высотой в этом слое атмосферы основное влияние оказывает озон.
Начиная от тропопаузы и до высоты 20–25 км, температура остается
постоянной. В умеренных широтах она равна минус 50–60°С. Выше
температура медленно растет и на верхней границе стратосферы
достигает значений, близких к 0°С. Нагрев воздуха здесь происходит за счет того, что озон поглощает солнечную коротковолновую
радиа цию с длиной волны менее 0,29 мкм [22].
Условное разделение атмосферы на отдельные слои не означает,
что они изолированы друг от друга и существуют самостоятельно.
Процессы, происходящие в атмосфере, связаны между собой и развиваются под воздействием солнечных лучей, а также под влиянием
подстилающей поверхности (воды и суши) и вертикальных движений. Поэтому примеси естественного и антропогенного происхождения проникают в стратосферу и наоборот. Например, выбросы
при извержении вулканов и при термоядерных взрывах, попавшие
в стратосферу, постепенно оседают в тропосферу, а затем осаждаются на подстилающую поверхность. Правда, с помощью сильных
ветров, тем более при пожарах, они вновь могут попадать в тропосферу и переноситься воздушными течениями на новые территории
[1, 9, 27].
13
14
Важную роль играют понятия «погода» и «климат». По Л. Т. Матвееву [22] погода – это физическое состояние атмосферы в определенный момент или промежуток времени, характеризуемое совокупностью метеорологических величин и атмосферных явлений. В словаре
Даля погода определяется как состоянье мироколицы (атмосферы),
воздуха, относительно тепла и холода, ветра и затиши, ведра и ненастья. Более современный словарь Ушакова гласит, что погода – это
состояние атмосферы (облачность, влажность, осадки, температура
воздуха и т. п.) в данной местности, в данное время.
Таким образом, погода – это состояние тропосферы в данном месте и в данный момент или за определенный промежуток времени
(сутки, месяц). Она обусловлена физическими процессами, происходящими при взаимодействии атмосферы с космосом и земной поверхностью. Погода характеризуется температурой и влажностью
воздуха, атмосферным давлением, ветром, облачностью, атмосферными осадками и видимостью.
Климат – это многолетний режим погоды на данной территории.
По вышеупомянутому Далю климат определяется как состояние воздуха известной местности, относительно жары и стужи, сухости, сырости, длительности времен года и пр. Термин климат возник в русском языке от греч. klima, родительный падеж klimatos, что буквально
означает «наклон». При этом подразумевается наклон земной поверхности к солнечным лучам. Климат зависит от широты места, близости моря, материков, от высоты местности, от гор, лесов, вод и болот.
Представления о климате складываются на основе статистической
обработки результатов многолетних метеорологических наблюдений.
Климат – это результат климатообразующих процессов, непрерывно протекающих в атмосфере и деятельном слое поверхности Земли:
приток, преобразование, отдача и перенос тепловой, кинетической и
других форм энергии, испарение, конденсация и перенос влаги и т. д.
Климат – одна из важнейших географических характеристик местности, проявляющаяся в абсолютных, крайних, средних значениях
и повторяемости отклонений от средних показателей температуры,
скорости ветра, осадков и других элементов погоды [6, 11, 22].
Учение об атмосфере: учебное пособие
1.4. Погода и климат
1. Общие сведения об атмосфере
1.4.1. Воздушные массы и атмосферные фронты
По горизонтали атмосфера неоднородна. Она состоит из различ-
ных воздушных масс.
Воздушной массой (ВМ) называется огромное количество возду-
ха в тропосфере, соизмеримое по площади с материками и океанами,
обладающее относительно одинаковыми физическими свойствами
и перемещающееся в одном из крупномасштабных течений общей
циркуляции атмосферы [8, 22].
Атмосферный воздух постоянно находится в движении. Раз-
личные потоки воздуха имеют определенные физические свойства
(температуру, влажность, прозрачность и т. д.). Свойства воздуха
зависят от того, в каком районе земного шара находился он продолжительное время. Например, в Арктике и Антарктике воздух сильно
охлаждается, в тропических районах – прогревается, а над водными
пространствами – увлажняется. В зависимости от географических
зон, где формируются ВМ, они подразделяются на следующие типы:
арктический воздух (АВ); умеренный воздух (УВ), или воздух умеренных широт; тропический (ТВ) и экваториальный (ЭВ). Вид подстилающей поверхности (суша или море) определяет, будет ли ВМ
морской (м) или континентальной (к). Это не относится только к
экваториальной ВМ. Таким образом, различают: мАВ и кАВ – морской и континентальный арктический воздух, мУВ и кУВ – морской
и континентальный воздух умеренных широт, мТВ и кТВ – морской
и континентальный тропический воздух [8, 22].
С точки зрения термодинамических (тепловых) характеристик
различают следующие типы ВМ: теплые (ТМ), холодные (ХМ) и
местные (ММ), а также подразделяют их на устойчивые и неустойчивые.
Устойчивой массой считается ВМ, в которой преобладают воз-
душные ламинарные течения, то есть скорости вертикальных движений очень малы (доли метров в секунду).
В неустойчивой ВМ скорости вертикального движения велики
(до 10 м/с), и при достаточной влажности в них развиваются облака
вертикального развития.
15
16
ТМ называется такая ВМ, которая имеет температуру выше соседних ВМ или подстилающей поверхности, хотя бы на 1–5 °С, и вызывает потепление.
ХМ имеет температуру ниже соседних ВМ или подстилающей
поверхности на те же значения и вызывает похолодание.
ММ формируется при длительном ее нахождении в одном и том
же районе. Зимой в ней формируются условия погоды, как в устойчивой ВМ, летом – как в неустойчивой. Чаще всего устойчивыми
бывают теплые ВМ, так как теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, и располагается вверху, а холодный – внизу.
Теплый воздух, двигаясь над холодной подстилающей поверхностью, охлаж дается от соприкосновения с ней. В этом случае восходящие движения воздуха возникнуть не могут. Такие процессы преобладают ночью и в холодное время года. При низкой влажности
воздуха в устойчивой ВМ наблюдается ясная погода. При высокой и
при охлаждении воздуха снизу происходит конденсация (сублимация) водяного пара, приводящая к образованию дымок, туманов и
низкой слоистообразной облачности.
Грубым аналогом таких процессов является процесс конденсации водяного пара на холодном стекле или зеркале, если подышать
на них. Так образуются адвективные туманы и низкие облака.
К неустойчивым ВМ относятся обычно ХМ, имеющие под собой
более теплую подстилающую поверхность. В этом случае нижние
слои воздуха, нагреваясь от соприкосновения с ней, начинают подниматься и охлаждаться за счет адиабатического расширения. При
этом водяной пар в поднимающемся объеме воздуха достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться. Это приводит к
образованию облаков кучевообразных форм. Неустойчивость ВМ
увеличивается при ее прогреве солнечной радиацией в дневное время. Подобные процессы можно грубо смоделировать, если брызнуть
несколько капель воды на горячую плиту или утюг. Появятся резкие
восходящие (конвективные) потоки [8, 22].
Разделами между ВМ являются атмосферные фронты (АФ).
В ВМ значения метеовеличин остаются практически постоянными
на расстояниях до 1–2 тыс. км (в зависимости от их протяженности),
а в зоне АФ они резко изменяются. Например, если Санкт- Петербург
Учение об атмосфере: учебное пособие
1. Общие сведения об атмосфере
и Волгоград находятся в одной ВМ, то в них может наблюдаться примерно одинаковая температура воздуха, а если между Санкт-Петербургом и даже Новгородом проходит АФ, то температура воздуха
в них может отличаться на 5–10°С. Таким образом, АФ – это узкая
переходная зона (шириной 10–50 км) между двумя ВМ. В этой зоне
резко изменяются значения метеовеличин (температуры, направления и скорости ветра). Обычно в зоне фронта наблюдается повышенная влажность воздуха, что приводит к образованию облачности и выпадению осадков [8, 22].
Перед АФ атмосферное давление обычно понижается, а за ним
повышается. Наклон фронтальной поверхности к горизонтальной
очень мал и составляет менее 1°. На рисунках-схемах этот угол для
наглядности увеличивают до 30° за счет резкого увеличения вертикального масштаба по сравнению с горизонтальным.
Состояние погоды в различных районах земного шара прогно-
зируют в гидрометеорологических центрах и на метеорологических
станциях с использованием специальных карт и фотоснимков подстилающей поверхности из космоса, а также аэрологических диаграмм и другой информации о фактической погоде.
Наука, занимающаяся прогнозом погоды, называется синопти-
ческой метеорологией. Она является одним из важнейших разделов
метеорологии. Это наука об атмосферных крупномасштабных процессах и о предсказании погоды на основе их исследования. Слово
«синоптическая» происходит от греческого «синопсис» – обозрение,
обзорная.
Основной задачей синоптической метеорологии является раз-
работка методов и приемов предсказания погоды на основе исследования закономерностей развития процессов, происходящих в
атмосфере на больших географических пространствах. К таким процессам относятся возникновение, развитие и перемещение воздушных масс и атмосферных фронтов, различных барических образо-
ваний (БО), таких как циклоны, антициклоны (это, соответственно,
области с пониженным и повышенным давлением, см. Приложение
2, и др.). В последние годы возможности синоптической метеорологии расширились благодаря развитию гидродинамических методов
предсказания погоды, широкому применению ЭВМ в производстве
17
18
различных расчетов и использованию спутниковой информации.
Успешность прогнозов на одни-двое суток составляет 85–90%.
Прогнозы погоды находят все большее применение в различных
отраслях народного хозяйства и особенно в деятельности авиации.
В связи с этим возникла и получила большое развитие авиационная
метеорология – прикладная отрасль науки об атмосфере, изучающая влияние метеорологических параметров на деятельность авиации и разрабатывающая методы метеорологического обеспечения
полетов ЛА [3, 21].
Для синоптического метода анализа атмосферных процессов и
прогноза их дальнейшего развития используются синоптические карты погоды, на которые условными символами и цифрами согласно
международному метеорологическому коду наносятся результаты наблюдений за погодой, проведенных в большом количестве пунктов в
одно и то же время, в сравнимых единицах измерения [8, 22].
В современной синоптической метеорологии основным является
фронтологический метод, применение которого дает возможность
установить по синоптическим картам, аэрологическим диаграммам
и вертикальным разрезам атмосферы распределение, свойства и
происхождение воздушных масс во всей толще тропосферы и определить границы между ними – атмосферные фронты. Погода при
этом рассматривается в зависимости от распределения, свойств и
перемещения БО, ВМ и АФ. Большую помощь синоптикам оказывают, благодаря своей наглядности, фотоснимки облачного покрова
из космоса (рис. 1) [18].
Теплые и холодные воздушные массы разделяются атмосферными фронтами.
Атмосферный фронт – это зона (раздел) между двумя соприкасающимися воздушными массами, различными по своим свойствам. На АФ происходит образование облаков, выпадают осадки,
изменяются направление и скорость ветра, т. е. происходит резкое
изменение погоды. По сравнению с размерами ВМ атмосферный
фронт представляет собой сравнительно узкую полосу шириной
10–30 км. Различают теплые, холодные фронты и фронты окклюзии.
При перемещении теплой ВМ в сторону холодной раздел между
ними называется теплым фронтом (рис. 2). В этом случае теплый
Учение об атмосфере: учебное пособие
1. Общие сведения об атмосфере
Рис. 1. Пример фотоснимка облачного покрова из космоса и схема
атмосферных фронтов за 16 июня 2007 года (светлый тон – облачность,
черными сплошными линиями нанесены линии АФ, кроме того нанесена
географическая сетка)
19
воздух медленно поднимается по клину холодного и охлаждается,
что приводит к образованию облаков слоистых форм. Нижняя граница облачности на теплых фронтах (ТФ) располагается обычно
на высоте 200–300 м, а верхняя – 6–7 км и выше. Ширина облачной
зоны может достигать 800–1000 км и более, а ширина зоны осадков –
300–500 км зимой и 100–300 км летом. Первыми облаками при приближении ТФ (на расстоянии 800–1000 км) будут перистые, постепенно переходящие в перисто-слоистые. Перистые облака кажутся
сходящимися в одной точке горизонта, напоминая облачный веер.
С приближением ТФ перисто-слоистые облака постепенно пе-
реходят в высоко-слоистые, затем в слоисто-дождевые, из которых
выпадают обложные осадки. Ширина зоны осадков, их интенсивность и продолжительность на ТФ зависят от контраста температуры между двумя соприкасающимися ВМ и от содержания влаги
20
Рис. 2. Осредненный вертикальный разрез облачной системы ТФ
Учение об атмосфере: учебное пособие
(https://wind-sail.ru/weather)
поднимающегося теплого воздуха по клину холодной ВМ. Чем больше контраст температуры и больше содержание влаги, тем больше
вертикальная протяженность облачности, больше осадков. В зоне
осадков под слоисто-дождевыми облаками иногда образуются разорванно-дождевые облака. Приближение ТФ обнаруживается по
падению атмосферного давления и усилению скорости ветра. После
прохождения ТФ падение давления прекращается, ветер поворачивает вправо и, как правило, ослабевает, температура воздуха повышается, особенно зимой.
При перемещении холодной ВМ в сторону теплой раздел между
ними называется холодным фронтом (ХФ). В этом случае холодный
воздух клином подтекает под теплый, вытесняя его вверх, что приводит к образованию облаков кучевообразных форм.
При медленном перемещении ХФ (скорость менее 30–40 км/ч)
погода в его зоне аналогична погоде в зоне ТФ, только сменяется
она в обратной последовательности (уменьшенное зеркальное ото-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]