Лекция 2 Основные определения и понятия Атмосфера

Лекция 2 Основные определения и понятия

Атмосфера l l l Атмосфера газовая оболочка земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущая вместе с землёй в мировом пространстве как единое целое. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь. Воздух, в отличие от воды, сжимаем. Поэтому, с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредо точенав нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20 км. Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высо тах до 1000 км и более 20 тыс. км. и далее межпланетное пространство (cпутники)

Высшие слои. Аэрономия l l Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в ниж них 10— 20 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены Высшие слои атмосферы, отдален ные от земной поверхности на сотни и тысячи километров, в по следнее время изучаются все более интенсивно и успешно, осо бенно с помощью геофизических ракет и спутников. Учение о физических (и химических) процессах в высших слоях атмосферы выделено в особую научную дисциплину, получившую название аэрономии. Происходят процессы поглощении ультрафиолетового солнечного излучения, фотохимические реакции разложения газовых молекул на электрически заряженные атомы; сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью; наблю даются такие явления, как полярные сияния и постоянное све чение воздуха, создающее так называемый ночной свет неба; в них происходят также сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением.

Погода l l l Физическое состояние атмо сферы у земной поверхности, а также и в более высоких слоях (как правило, в сфере действий воздушного транспорта) назы вают погодой. Характеристики погоды: температура воздуха, облачность, атмосферные осадки, ветер и пр. , носят название метеорологических элементов. Изменения погоды у земной поверхности имеют большое зна чение для сельского хозяйства и многих других областей хозяй ственной деятельности человека. Погода в более высоких слоях атмосферы влияет на работу авиации. Нужно при этом заме тить, что атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой. Поэтому для полноценного изучения погоды у зем ной поверхности необходимо изучать и более высокие слои ат мосферы.

Климат l l l Климатом называют сово купность атмосферных условий за многолетний период, присущую данной местности в зависимости от ее географической обстановки. Под географи ческой обстановкой подразумевается не только положение мест ности, т. е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности, орография, почвенный покров и пр. Атмосферные условия более или менее сильно меняются в годовом ходе — от зимы к лету и от лета к зиме. (межгодовая изменчивость) Совокупность этих условий несколько меняется и от года к году. Но от одного многолетнего периода к другому совокупность атмосферных усло вий меняется лишь в самых ограниченных пределах, причем эти изменения имеют характер колебаний то в одном, то в другом направлении. Климат обладает устойчивостью. Поэтому климат и является одной из физико географических ха рактеристик местности, одной из составляющих географического ландшафта.

Связи атмосферы с Солнцем и земной поверхностью l l Атмосферные процессы связаны с влияниями, идущими как сверху, из космоса, так и снизу, от земной поверхности. Источ ником энергии атмосферных процессов в основном является сол нечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из мирового пространства от солнца, количество тепла, получаемого от солнца единицей площади земной поверхности в 30000 раз больше, чем тепло идущее из недр земли и в 30 млн. раз больше чем от звёзд и планет. Лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. Но солнечные лучи больше нагревают земную поверхность, чем непосредственно воздух, а уже между земной поверхностью и атмосферой проис ходит оживленный обмен тепла, а также и воды. Строение зем ной поверхности, ее рельеф имеют значение и для движений воздуха. С влияниями земной поверхности (нагревание, запыление) в определенной степени связаны и оптические свойства ат мосферы, и ее электрическое состояние.

Продолжение l l В составе солнечной радиации входит коротковолновая ультрафиолетовая радиация, энергия которой невелика, но которая производит сильнейшее фотохимическое действие на высшие слои атмосферы. Сильно влияет на высшие слои атмосферы и корпускулярная радиация Солнца, т. е. потоки заряженных элементарных частиц, выбрасываемых Солнцем. Ультрафиолетовая и корпускулярная радиация значи тельно меняется во времени в зависимости от солнечной актив ности, т. е. от физических процессов, происходящих на Солнце и приводящих, между прочим, к изменению числа солнечных пятен. Изменение состояния высших слоев атмо сферы, содержание в них озона, их ионизация, электро проводность и пр. влияет и на состоянии нижних слоев, а стало быть, на погоде и климате.

Теплооборот l l l Существует три основных цикла атмосферных процессов, определяющих климат: теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция. Теплооборот: процессы получения, переноса и потери тепла в системе земля – атмосфера, создающие тепловой режим атмосферы Он состоит в следующем: Сквозь атмосферу проходит поток солнечной радиации. Атмосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту; частично рассеивает их, меняя по качеству (спектральному составу); частично они отражаются назад облаками

Продолжение l l l Радиация, прошедшая сквозь атмосферу (отчасти и рассеян ная атмосферой), падая на земную поверхность, частично от нее отражается, но в большей части поглощается ею и нагре вает верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которая в боль шей части поглощается атмосферой и нагревает ее. Атмосфера, в свою очередь, излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой поглощается земной поверхностью. Температура воздуха, ощущается как тепло или холод, Тем пература воздуха меняется в течение суток и в течение года Распределение темпера туры воздуха по Земному шару в основном зависит от общих условий притока солнечной радиации по широтам, от распреде ления суши и моря, которые по разному поглощают радиацию и по разному нагреваются, и, наконец, от воздушных течений, переносящих воздух из одних областей Земли в другие.

Влагооборот l l Влагооборот это постоянный оборот воды между атмосферой и земной поверхно стью, происходящий с поверхности океанов и других водоемов, влажной почвы и растительности в атмосферу, испаряется вода. Водяной пар — вода в газообразном состоянии — является важ ной составной частью атмосферного воздуха. Водяной пар мо жет испытывать и обратное преобразование: он конденсируется, сгущается, вследствие чего возникают облака и туманы, В про цессе конденсации в атмосфере освобождаются большие коли чества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращаясь на земную поверхность, осадки тем самым уравновешивают испарение в целом для всего Зем ного шара. Количество выпадающих осадков и их распределение по се зонам влияют на растительный покров и земледелие. От рас пределения и колебания количества осадков зависят также ус ловия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явления. От большей или меньшей высоты снежного покрова зависят промерзание почвы и режим вечной мерзлоты.

Атмосферная циркуляция l l l Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, всю систему воздушных течений на Земле — общей циркуляцией атмосферы. Вихревые движения крупного масштаба — циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему особенно сложной. С перемещениями воздуха в процессе общей циркуляции связаны основные изменения погоды: воздушные массы, пере мещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности и пр. Кроме общей циркуляции атмосферы, существуют местные циркуляции: бризы, горно долинные ветры и др. ; возникают так же сильные вихри малого масштаба — смерчи, тромбы. Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океа нические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования

Климатообразование l l l Климатообразующие процессы определяются астрономическими и такими географическими факторами климата, как широта, распределе ние суши и моря, строение поверхности суши почва, растительный и снежный покров, морские льды, океанические теч. Микроклиматические условия на блюдаются в самом нижнем, приземном слое воздуха, в котором обитают сельскохозяйственные культуры. Здесь на особенности атмосферного режима влияют детали строения и состояния зем ной поверхности. Климат испытывает существенные и даже коренные измене ния на протяжении геологических эпох. Эти изменения связаны с изменениями в строении земной поверхности и в составе ат мосферы, а также с различными причинами астрономического характера. Например, изменения во вращении Земли вокруг Солнца, изменения плотности материи в межпланетном пространстве и в особенности, изме нения в солнечной активности. Происходят и некоторые колеба ния климатических условий на протяжении тысячелетий и сто летий и еще более коротких промежутков времени. Так, напри мер, в большей части Земного шара, особенно в средних и вы соких широтах, в первой половине текущего столетия замечено определенное потепление. Такие колебания климата в настоящее гремя связывают преимущественно (но не только) с измене ниями общей циркуляции атмосферы,

Наблюдение и эксперимент в метеорологии l l l Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений, результатов которых служат в метеорологии и климатологии для выяснения причинных связей в изучаемых явлениях. Атмосферные явления крупного масштаба, такие, как общая циркуляция атмосферы или теплооборот на больших пространствах, не могут быть существенно изменены вмешательством человека. Метеорология, как и дру гие геофизические науки, должна прибегать к наблюдениям, т. е. к измерениям и качественным оценкам процессов, проте кающих в природной обстановке. Непрерывно наблюдая за атмосферными процессами, человек является зрителем и регистратором тех грандиозных опытов, которые ставит сама при рода, без его участия.

Продолжение l l l В ограниченных пределах в метеорологии применяется и эксперимент. К числу метеорологических экспериментов отно сятся, например, опыты осаждения облаков и рассеяния тума нов путем различных физико химических воздействий на них. Насаждение лес ных полос, создание водохранилищ, орошение местности и т. п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воз духа Тем самым и они в. некоторой степени являются средст вами метеорологического (точнее, климатологического) экспе римента. Применяется моделирование некоторых атмосферных про цессов в лаборатории, т. е. воспроизведение их в малом мас штабе и при упрощенных условиях. Так, например, модели руется даже общая циркуляция атмосферы. Возможности та кого метода исследования также ограничены.

Статистический и физико математический анализ l l Первостепенное значение имеет в метеорологии стати стический анализ большого материала наблюдений, особенно применение осреднения, которое отсеивает случайные детали яв лений и яснее показывает их существенные особенности. Результаты метеорологических наблюдений сопоставляются, сравниваются во времени и пространстве. Атмосферные процессы настолько изменчивы и многообразны, что для изуче ния современного климата во всех его особенностях необходимо наблюдать их в течение длительного, многолетнего периода. Климатические характеристики являются статистическими выводами из многолетних рядов наблюдений

Продолжение l l l С помощью статистического метода корреляции можно также установить наличие большего или меньшего параллелизма или противоположности (или отсутствие их) в изменениях раз личных метеорологических величин во времени. Для выражения количественных связей между явлениями в метеорологии употребительны также эмпирические формулы, коэффициенты которых подбираются из опыта, т. е. опять таки из большого числа сравнительных наблюдений. Поскольку в метеорологии рассматриваются физические явления, их объяснение может быть дано только на основании законов физики. Наиболее совершенный путь для этого — фи зико математический анализ. На ос нове общих законов физики составляются дифференциальные уравнения, описывающие атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения исходные данные, полученные из наблюдений, и решая уравнения, можно находить количественные законо мерности атмосферных процессов и даже прогнозировать их дальнейшее течение.

Применение карт l l l Существенное значение в метеорологии и климатологии имеет сопоставление наблюдений на географиче ских картах Последующий. анализ наблюдений относится уже не к наблюдениям в отдельных пунктах, а к пространственным распределениям имеющихся величин. На карту наносятся фактические результаты наблю дений, сделанные в разных местах в один и тот же момент. Та кая карта называется синоптической; она позволяет видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных моментов времени, можно просле живать развитие атмосферных процессов и делать выводы о бу дущей погоде. На карты можно наносить и результаты статистической об работки многолетних наблюдений; тогда мы получим клима тологические карты. Можно составить, например, карты много летнего среднего распределения величин температуры или осад ков на определенной территории за любой период, снежного покрова, карты повторяемо сти гроз, карты наибольших или наименьших температур, наблюдавшихся в данной местности

Метеорологические наблюдения! l l Метеорологические наблюдения — это измерения и качественные оценки метеорологических элементов. Метеорологические элементы: температура и влажность воздуха, атмосферное дав ление, ветер, облачность, осадки, туманы, метели, грозы, ви димость. Сюда же присоединяются и некоторые величины, непо средственно не отражающие свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними: температура почвы или поверхностного слоя воды, испарение, высота и со стояние снежного покрова, продолжительность солнечного сия ния и т. п. В меньшем числе мест производятся еще наблюдения над солнечным и земным излучением и над атмосферным элек тричеством.

Продолжение l l l Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя, до высот около 40 км, носят название аэрологических наблюдений. От них отличаются по методике на блюдения над состоянием высших слоев атмосферы, которым можно дать название аэрономических наблюдений. Наиболее полные и точные наблюдения производятся в метеорологических и аэрологических обсерваториях, имею щихся во всех странах мира. Даже самые точные наблюдения в немногочисленных пунктах не могут дать исчерпывающего представ ления обо всей жизни атмосферы, поскольку атмосферные процессы протекают в разной географической обстановке по разному. Поэтому, кроме метеорологических обсерваторий, на блюдения над основными метеорологическими элементами ве дутся еще на многих тысячах метеорологических станций и многих сотнях аэрологических станций по всему Земному шару.

Метеорологическая сеть l l l Для изучения метеорологи ческих элементов и сравнения состояния атмосферы (погоды и климата) в различных местах Земли необходимо, чтобы метео рологические станции в каждой стране и во всех странах мира вели наблюдения по возможности однотипными приборами, по единой методике, в определенные часы суток. Станции в каждой стране и в мировом масштабе должны составлять единое целое — сеть метеорологических станций, метеорологическую сеть. В каждой стране, в том числе и в Беларуси, существует основная государственная сеть метеорологических станций, отвечающая этим требованиям. Помимо нее, существуют и ме теорологические станции специального назначения, связанные с различными потребностями науки и народного хозяйства (например, станции на курортах, на транспорте и т. п. ).

Длительность и непрерывность наблюдений l l l Важнейшие условия сетевых метеорологических наблюде ний, помимо синхронности, — их длительность и непрерывность для того, чтобы иметь многолетние ряды систематических на блюдений. Для изучения изменений климата метеорологические наблюдения должны производиться вообще неограниченно долго. Важно также, чтобы станции как можно дольше не ме няли своего местоположения Для целей предсказания погоды также необходимо вести метеорологические наблюдения постоянно и непрерывно: каждый день в атмосфере наблюдаются все новые бесконечно разнооб разные условия, а при прогнозе (предсказании) погоды на бу дущее приходится исходить из фактических условий в настоя щем и прошлом.

Развитие метеорологической сети l l l Сей час на Земном шаре имеются многие тысячи метеорологических станций с полной программой наблюдений, и еще несколько тысяч метеорологических постов для наблюдений над осадками и снежным покровом. Наблюдения производятся и на тысячах торговых судов. Для регулярных наблюдений в океанах приме няются специальные корабли погоды (метеорологические суда), длительно находящиеся в определенных районах океана. Густота метеорологической сети еще недостаточна в Арктике, Антарктике, на океанах и в ряде областей всех ма териков, кроме Европы.

Продолжение l l l Большое значение для развития ме теорологической сети в наше время имеет радиосвязь, позво ляющая срочно передавать результаты наблюдений из отда ленных районов. В настоящее время существуют и автоматические станции, длительное время работающие без вмешательства человека. Их устанавливают в труднодоступных или неудобных для жизни районах, например на льдах Арктики; наблюдения их автомати чески передаются по радио. , за ними будущее Сеть аэрологических станций возникла лишь в XX веке, и густота ее еще невелика в сравнении с сетью обыч ных метеорологических станций. Общее число станций с наблю дениями над давлением, температурой и влажностью в высоких слоях с помощью радиозондов составляет на Земном шаре более 1000. Значительно больше станций для наблюдений над ветром на высотах. Производятся также многочисленные наблюдения с самолетов.

Программа наблюдений на метеорологических станциях ! l l l l l На наземных метеорологических станциях во всем мире производятся одновременные (синхронные) наблюдения через каждые три часа по единому — гринвичскому — времени (вре мени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы службы погоды. Там по ним составляются синоптиче ские карты и другие материалы, служащие для предсказания погоды. На метеорологических станциях основного типа регистри руются следующие метеорологические элементы: Температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхно стью. Атмосферное давление. Влажность воздуха — упругость водяного пара в воздухе и относительная влажность. Ветер — горизонтальное движение воздуха на высоте 10— 12 м над земной поверхностью. Измеряется его скорость и опре деляется направление, откуда он дует. Облачность — степень покрытия неба облаками, типы обла ков по международной классификации, высота нижней границыоблаков, ближайших к земной поверхности, скорость и направ ление движения облаков. Количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр. ). Наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр. ), а также тумана

Продолжение l l l l Горизонтальная видимость — расстояние, на котором, вслед ствие мутности атмосферы, перестают различаться очертания предметов. Продолжительность солнечного сияния. Температура на поверхности почвы и на нескольких глуби нах в почве. Состояние поверхности почвы. Высота и плотность снежного покрова. На некоторых станциях — испарение воды с водных поверх ностей или с почвы. Регистрируются также метели, шквалы, смерчи, мгла, пыль ные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния и некоторые оптические явления в атмосфере (радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи). На береговых метеорологических станциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности.

Продолжение l В программы наблюдений обсерваторий и отдельных стан ций входят еще актинометрические наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами (альбедо) поверхности земли и воды; уточненные наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиентные наблюдения); измере ния содержания в воздухе пыли, химических примесей, радио активных продуктов и пр. ; атмосферно электрические наблюде ния над ионизацией воздуха, т. е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над изменениями электри ческого поля атмосферы.

Метеорологические приборы l l Наблюдения на метеорологических станциях ведутся с помощью специальных измерительных приборов; лишь немногие метеорологические элементы количественно оцениваются без приборов (степень облачности, дальность видимости и некоторые другие). Каче ственные оценки, например определение характера облаков и осадков, производятся без приборов. Для сетевых приборов необходима однотипность, облегчаю щая работу сети и обеспечивающая сравнимость наблюдений! Приборы для определения температуры и влажности воздуха защищают от действия солнечной радиации, от осадков и поры вов ветра, и для этого их помещают в будках особой конструк ции

Продолжение l l Самопишущие приборы нередко конструируют так, что их приемные части, помещенные на площадке или на крыше здания, имеют электрическую передачу к пишущим частям, установленным внутри здания. Принципы ряда метеорологических приборов были пред ложены еще в XVII—XIX веках. В настоящее время создаются новые конструкции приборов с использованием воз можностей современной техники: термо и фотоэлементов, полу проводников, радиосвязи и радиолокации, различных химиче ских реакций и т. п. Особенно нужно отметить применение в последние годы в метеорологических целях радиолокации. На экране радиолокатора (радара) можно обнаружить скопления облаков, области осадков, грозы и даже большие атмосферные вихри (тропические циклоны) в значительном отдалении от на блюдателя и прослеживать их эволюцию и перемещение. Используются с большим успехом автоматические станции, передающих свои наблю дения в течение более или менее длительного времени без вме шательства человека.

Методы аэрологических наблюдений l l l Простым видом аэрологических наблюдений яв ляется ветровое зондирование, т. е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров пилотов. Так называ ются небольшие резиновые шары, наполняемые водородом и выпускаемые в свободный полет. Наблюдая в теодолиты за по летом шара пилота, можно установить скорость и направление ветра на тех высотах, на которых летит шар. В настоящее время при аэрологических наблюдениях над ветром все шире применя ются методы радиообнаружения и радиолокация (радиоветровое зондирование), обеспе чивающие получение сведений о ветре при наличии облачного покрова. Распространился метод радиозондирования: Прикрепленный к шару при бор — радиозонд, находясь еще в полете, посылает радиосиг налы, по которым можно определить значения метеорологиче ских элементов в высоких слоях.

Продолжение l l Радиозондирование вытеснило другие методы температур ного зондирования — подъем метеорографов на змеях, привяз ных аэростатах, самолетах и пр. Самолет остается, однако важным средством для специальных сложных наблюдений, тре бующих участия наблюдателя, например для изучения физического строения облаков, для актинометрических и атмосферно электрических наблюдений Для исследования еще более высоких слоев атмосферы производят выпуски метеорологических и геофизических ракет с приборами, показания которых передаются по радио. Потолок подъема ракет в настоящее время стал уже неограниченным. С 1960 г. регулярно запускаются так называемые метеорологические спутники, предназначенные для исследования нижележащих слоев атмосферы. Они фотографируют и передают телевизион ным путем распределение облачности по Земному шару, а так же измеряют поступающую от земной поверхности радиацию.

Метеорологическая служба l Во всех странах существуют специальные государственные организации, так называемые метеорологические службы, в состав которых входят сети станций и научные метеорологические учреждения. Задачей метеорологической службы является науч ное исследование атмосферы и практическое обслуживание на родного хозяйства информацией о погоде и климате и прогно зами погоды.

История метеорологии и климатологии l l l Еще в древности в Китае, Индии, странах Средиземно морья делались попытки регулярных метеорологических наблю дений и существовали зачаточные научные представления об атмосферных процессах и о климате. Наблюдения над наиболее выдающимися атмосферными явлениями велись и регистрирова лись и в средние века. Современная научная метеорология, однако, ведет начало с XVII века, когда были заложены основы физики, частью кото рой на первых порах являлась метеорология. Тогда же были изобретены (Галилеем и его учениками) первые метеорологиче ские приборы и появилась возможность инструментальных на блюдений. Во второй половине XVIII века была организована по част ной инициативе международная сеть метеорологических стан ций в Европе (свыше 30 станций), функционировавшая 12 лет. Ее наблюдения были опубликованы и стимулировали дальней шее развитие метеорологических исследований.

Продолжение l l l В начале XIX столетия возникают первые государствен ные сети станций и трудами А. Гумбольдта и Г. В. Дове в Гер мании закладываются основы климатологии. Около 1820 г. Г. В. Брандес в Германии составлял первые синоптические карты и новая отрасль метеорологической науки — синоптическая метеорология. К середине XIX века относится организация первых метеорологических, институтов, в том числе Главной физической (ныне геофизической) обсерватории в Петербурге (1849 г) Во второй половине XIX столетия были заложены основы динамической метеорологии, т. е. применения законов гидроме ханики и термодинамики к исследованиям атмосферных процес сов. Большой вклад в эту отрасль метеорологии был сделан в то время В. Феррелем в США, Г. Гельмгольцем и рядом дру гих ученых в Германии. Достигнуты успехи с начала XX века в области аэрологических исследований. Во многих странах выдвинулись выдающиеся организаторы и исследователи в этом новом на правлении, в частности А. Тейсеран де Бор во Франции и Р. Ассман в Германии, открывшие существование стратосферы. Позд нее стало знаменитым имя изобретателя первого радиозонда (1930 г. ) — П. А. Молчанова. В настоящее время объем метеорологических исследований и публикаций бурно растет; быстро развивается и международ ное научное сотрудничество в области метеорологии