§ 9. Скорость перемешивания вещества в атмосфере
При достаточно высокой подвижности атмосферы скорость перемешивания вещества атмосферы ограничена. Об этом свидетельствует неоднородность состава атмосферы на разных высотах.
Различие температур на полюсах и экваторе обусловлено различиями поступления солнечной энергии на разных широтах.
Положение континентов, морей и океанов влияет на скорость и направление перемешивания вещества в атмосфере. Неодинаковое нагревание атмосферы способствует развитию общей циркуляции, тесно связанной с распределением атмосферного давления. На уровне моря вблизи экватора давление имеет сравнительно низкие значения. Атмосферное давление повышается в субтропиках (пояса высокого давления) и понижается в средних и высоких широтах.
С планетарным распределением давления связана сложная система воздушных течений. Существуют сравнительно устойчивые направления воздушных течений. К ним относятся пассаты, устойчивые в течение всего года воздушные течения, направленные от субтропических широт обоих полушарий к экватору. Общее направление пассатов с востока на запад. Устойчивые воздушные течения сезонного характера – муссоны – возникают между океаном и материком. Зимой они направлены с континента на океан, летом – с океана на континент. Муссоны зависят от неодинакового нагревания суши и моря – суша зимой заметно холоднее, а летом теплее, чем море, и от возникающей таким образом разности давлений меняется направление муссонов зимой и летом.
В средних широтах преобладают воздушные течения западного направления (с запада на восток). В них возникают крупные вихри – циклоны и антициклоны, обычно простирающиеся на сотни и тысячи километров. Подобные вихри возникают и в тропических широтах. Они меньшего масштаба, но часто достигают ураганной силы.
Законы функционирования атмосферы в целом хорошо известны. Однако на всей планете также действуют локальные зоны перемещения воздушных масс. Точечные источники газов – жерла вулканов, трубы заводов, мегаполисов и т. п. – существенно влияют на состав воздуха. Если источник газообразных веществ велик, например Москва, его воздействие на состав атмосферы достигает верхней границы тропопаузы.
Вопросы для проверки знаний. Упражнения
Почему при достаточно высокой подвижности атмосферы скорость перемешивания вещества в атмосфере ограничена?
Где атмосферное давление больше: на уровне моря вблизи экватором или в субтропиках?
Что такое пассаты, муссоны, циклоны и антициклоны?
Глава 3. Электрические и оптические явления в атмосфере
В этой главе кратко рассмотрены электрические и оптические явления в атмосфере, которые определяют погоду на планете, расцвечивают окружающий мир яркими красками, являются причиной обыкновенных гроз и молний и необыкновенных небесных явлений, таких как радуга, полярное сияние, глория, гало и т. п.
§ 10. Электрические явления
Исследования атмосферного электричества связаны с тем, что Земля имеет отрицательный заряд, а атмосфера в целом заряжена положительно.
Изменение напряженности электрического поля Е [В/см] с высотой в атмосфере показано на рис. 15.
h,
км
5
4
3
2
2
1
1
0
0,5
1,0
Е,
В/см
Рис. 15. Изменение напряженности электрического поля атмосферы с высотой:
1 – в чистой атмосфере над океаном; 2 – над континентами [6]
Стационарное электрическое поле у поверхности Земли достигает напряженности Е = 130 В/м. По мере увеличения высоты напряженность электрического поля уменьшается.
Изменение погоды на планете вызывает электризацию атмосферы. Источниками электризации являются трущиеся частицы – аэрозоли. Пылевые бури, извержения вулканов, снежные метели, перемещения капелек воды в облаках, туманах, пене прибоев и водопадов приводят к постоянной электризации атмосферы. Так, в результате электризации частиц слоистых и слоисто-кучевых облаков плотность объемных зарядов достигает значений = 1010 Кл/м3. Распределение зарядов в облаках происходит таким образом, что верхняя часть облака обычно заряжается положительно, а нижняя – отрицательно.
Основными ионизаторами атмосферы являются космические лучи, действующие во всей толще атмосферы, а также излучение радиоактивных элементов, находящихся в земле и воздухе. Значительный вклад в ионизацию атмосферы вносит УФ-излучение Солнца, ионизирующее действие которого проявляется на высотах более 50 – 60 км. Количество образующихся при ионизации легких и тяжелых ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации и уменьшается с увеличением концентрации частиц в атмосфере.
Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её удельной электропроводностью, которая у поверхности Земли составляет (2 3) 10 омм.
Под влиянием разности потенциалов между атмосферой и Землей к последней течет вертикальный ток проводимости со средней плотностью
(2 3)-12А/м2. На всю поверхность Земли сила этого тока составляет около 1800 А.
В атмосфере происходят искровые разряды, генерируемые облаками. Молнии являются разновидностью искрового разряда в массе заряженных и хорошо изолированных друг от друга частиц. Различают линейные молнии, ударяющие в землю, и внутриоблачные.
Токи линейных молний длиной в несколько километров при средних значениях пиковых величин 20 кА иногда достигают 500 кА.
Внутриоблачные молнии способны достигнуть длины 50 и даже 150 км. Токи внутриоблачных молний примерно в 10 раз меньше линейных.
Наряду с линейными и внутриоблачными молниями существуют шаровые молнии, возникающие в грозовых облаках и даже вне грозовых облаков. Исчерпывающей теории происхождения шаровых молний пока нет.
Шаровые молнии представляют собой светящиеся образования, обычно со средним диаметром 10 – 20 см, с удельной плотностью близкой к плотности воздуха. Продолжительность их жизни от нескольких до десятков секунд. Удельная энергия шаровых молний достигает 106 – 107 Дж/г.
Когда в атмосфере напряженность электрического поля достигает величины 500 – 1000 В/м, у поверхности Земли возникают огни Эльма. Они связаны с возникновением электрического разряда с острых, вытянутых предметов (травы, деревьев, линий электропередач, мачт, труб и т.д.) и сопровождаются характерным шумом и довольно ярким свечением. Огни Эльма особенно часто встречаются в горах и на море.