Тема 3 Вода в атмосфере 3 1

Тема 3. Вода в атмосфере 3. 1 Общая характеристика влагооборота 3. 2. Характеристики влагосодержания 3. 3. Конденсация в атмосфере. 3. 4. Облака 3. 5. Световые явления в облаках 3. 6. Туман, дымка, мгла 3. 7. Осадки 3. 8. Наземные гидрометеоры

3. 1 Общая характеристика влагооборота • Влагооборот - обмен водой между гидросферой, атмосферой, верхними слоями литосферы и живыми организмами. • (испарение – конденсация - выпадение осадков – сток).

• Поступление воды в атмосферу: - физическое испарение - испарения с поверхности океанов и других водоёмов, влажной почвы - транспирация воды растениями. • Суммарное испарение - испарение + транспирация. • Перенос молекул воды в воздухе - в результате молекулярной диффузии, общего переноса и турбулентной диффузии.

• Насыщение- возвращение молекул воды равно их отдаче с поверхности - испарение прекращается (состояние подвижного равновесия) - водяной пар— насыщающим, - воздух — насыщенным.

Испарение

• С суши испаряется 485 мм (стекает 315 мм) • С океана испаряется 1400 мм

• Испаряемость - максимально возможное испарение не ограниченное запасами влаги. • Величина испаряемости характеризует, насколько погода и климат в данной местности благоприятствуют процессу испарения. • Испаряемость не всегда совпадает с фактическим испарением, в аридных и семиаридных районах испаряемость всегда больше, чем фактическое испарение.

Осадки • Выпадает 577 тыс. км 2 (1130 мм) - суша – 21% (800 мм) - океан – 79% (1270 мм) • ½ - между 200 с. ш. и 200 ю. ш. • 4% - полярные зоны

• На всем земной шаре испарение = осадкам На суше – испарение меньше осадков На океане испарение больше осадков По широтам Испарение меньше осадков На экваторе Севернее 350 с. ш. и южнее 450 ю. ш.

• Внутренний влагооборот для данной территории - выпадение осадков за счет влаги, испарившейся с участка территории. • Внешний влагооборот для данной территории - выпадение осадков за счет влаги, привнесенной извне (адвективные осадки).

Адвективные осадки составляют для: • • Европы – 70% Азии – 55% Африки – 70% Северной Америки – 60% Южной Америки – 59% Австралии – 88% Внутренний влагооборот незначительно увеличивает количество осадков. Мероприятия по увеличению испарения с суши ненамного увеличат осадки.

3. 2. Характеристики влагосодержания • Абсолютная влажность. масса водяного пара в 1 м 3, выраженная в граммах на кубический метр называется • a=217 e/T г/м 3 • а - абсолютная влажность, • е - парциальное давление водяного пара, Т-температура воздуха в абсолютной шкале.

• а= 0, 8 е/1+ t, • где е - парциальное давление водяного пара (г. Па), • - объемный коэффициент теплового расширения газов (равен 1/273, 15 или 3, 66 х10 – 3 (0 С)-1 • t - температура воздуха по шкале Цельсия (0 С),

• Давление водяного пара (е, г. Па) (парциальное или фактическое давление водяного пара) пропорционально его плотности и его абсолютной температуре. Меняется от сотых долей (Антарктида) до 35 -40 г. Па (экватор).

• Давление насыщения (Е, г. Па)- давление водяного пара в состоянии насыщения - максимальное давление водяного пара, возможное при данной температуре. (при повышении температуры на каждые 10 давление насыщения возрастает почти вдвое).

• Относительная влажность (f) • отношение давления водяного пара, находящегося в воздухе к давлению насыщения при той же температуре, выраженное в процентах • =e/E*100%

Дефицит насыщения (Д, г. Па) – разность между давлением насыщения Е при данной температуре и фактическим давлением е пара в воздухе Д=Е - е

• Дефицит насыщения, рассчитанный по температуре испаряющей поверхности (d). • d = Е 1 –е • Е 1 давление насыщенного пара у поверхности воды или суши • е фактическое давление водяного пара в воздухе на некотором удалении от поверхности.

• Точка росы (τ, 0 С)- • температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар мог бы насытить воздух при неизменном давлении

Массовая доля водяного пара (удельная влажность) (S) показывает, какую часть общего давления атмосферы составляет давление водяного пара. S = 0, 622 e/p, е - парциальное давление водяного пара, р - атмосферное давление.

Вертикальный профиль парциального давления водяного пара • При линейном возрастании коэффициента турбулентности e 1 - e 2/e 2 -e 3 =ln(z 2/z 1) /ln(z 3/z 2) e 1 , e 2 , e 3 - парциальное давление водяного пара на уровнях z 1, z 2, z 3.

Условие испарения или конденсации Е 1 - е 0, то происходит перенос пара от поверхности воды в воздух - испарение; Е 1 - е 0, преобладает поступление пара из воздуха (конденсация или сублимация). Е 1 - е = 0 наблюдается динамическое равновесие потоков к поверхности водоема и от нее.

Равновесная относительная влажность Под равновесной относительной влажностью понимается влажность, при которой устанавливается динамическое равновесие систем пар-жидкость или пар-лед. • fp = E 1/E x 100 % • Е 1 - давление насыщенного водяного пара в тонком слое над поверхностью воды (льда), определяемое по температуре испаряющей поверхности с учетом ее фазового состояния, • Е - давление насыщенного водяного пара над плоской поверхностью чистой воды, определяемое по температуре воздуха. При отрицательных температурах Е берется по отношению к воде.

• если f fp • осуществляется конденсация, • если f fp – • осуществляется испарение, • если f = fp- • динамическое равновесие.

Географическое распределение характеристик влажности воздуха. зависит: • от испарения в каждом данном районе, • от переноса влаги воздушными течениями из одних мест Земли в другие, • от распределения температуры воздуха на поверхности.

• Наибольшее влагосодержание наблюдается у экватора (многолетнее среднее месячное значение е выше 20 г. Па, экстремальные значения – до 35 г. Па -. испарение + транспирация). • Наименьшее влагосодержание - внутренне холодные районами Центральной и Восточной Азии (е - меньше 0, 1 г. Па), внутренние районы Антарктиды.

• Влажность убывает с широтой. Наиболее отчетливо связь влагосодержания с температурой проявляется зимой. • е ниже над материками, выше над океанами. Над океанами зональность характеристик влагосодержания отчетливо проявляется во все сезоны года.

• Абсолютная влажность воздуха соответствует ходу температуры • На экваторе - 19 г/м 3 • Приполярные районы (70 -600) - 3 г/м 3. • В среднем годовом для всей Земли - 11 г/м 3 (около 1% от общей плотности воздуха у земной поверхности) • Зимние значения во всех широтах меньше летних.

Максимальная относительная влажность – • экватор (в среднем годовом не менее 85%) • акватория Северного Ледовитого океана, севера Атлантического и Тихого океанов. • зимой в Сибири и над Европой (до 75 - 80%). • летом - Индия, (океанический югозападный муссон).

Очень низкая относительная влажность (50% и ниже): • круглый год в субтропических пустынях: Сахаре, Аравии, в пустынях Южной Америки, Австралии • зимой внутренняя Индия и Тибетское нагорье, • летом – внетропические пустыни Колорадо, Средней Азии и Ирана.

Испаряемость • Зональное распределение (повторяет распределение температуры) • Минимальна в приполярных широтах, (на Шпицбергене - 80 мм) • Средние значения – умеренные широты (Средняя Европа — 450 мм) увеличиваясь в субтропиках (Средняя Азия до 1800 мм).

• В тропиках на побережьях невелика, возрастает внутри материков (на Атлантическом побережье Сахары - 600 -700 мм, береговые пустыни Перу, Чили и Южной Африки 600 -800 мм, Аравия и пустыня Колорадо выше 3000 мм). • Относительно невелика у экватора (700 -1000 мм).

3. 3. Конденсация в атмосфере. Конденсация - это переход воды из газообразного в жидкое состояние • В результате - образования мельчайших капелек диаметром порядка нескольких микронов. • Более крупные капельки - путем слияния мелких или при таянии ледяных кристаллов.

Условия конденсации в атмосфере • Подъем воздушной массы • Охлаждение до точки росы (состояние насыщения) • Дальнейшее понижении температуры - избыток водяного пара сверх насыщения переходит в жидкое состояние. • Возникают зародыши облачных капелек • Начальные комплексы молекул воды растут до величины обычных облачных капель.

Механизмы подъема различны: Ø в процессе турбулентности в виде неупорядочных вихрей, Ø в сильных восходящих токах конвекции. Ø на атмосферных фронтах или в гребнях атмосферных волн. Ø в зависимости от механизма подъема возникают и различные виды облаков. Охлаждение воздуха адиабатическое

Ядра конденсации • Ядра конденсации - аэрозольные примеси (десятые и сотые доли микрона) природного или антропогенного происхождения : Ø частички растворимых гигроскопических солей – жидкие аэрозоли (морская соль) Ø частички пыли с поверхности почвы (Si. O 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 0, 7 -2 до 20 мкм) Ø продукты извержения вулканов (менее 1 мкм) Ø продукты сгорания при лесных и торфяных пожарах Ø частички органического происхождения (пыльца, споры 20 -60 мкм), бактерии (1 -15 мкм) Ø частички дыма, сажи, золы антропогенного происхождения Ø выбросы промышленных предприятий (SO 2, CO 2, NOn H 2 S NH 3, радиоактивные отходы атомных станций)

Газовое загрязнение Ø Выбросы промышленных предприятий (SO 2, CO 2, NOn H 2 S NH 3, радиоактивные отходы атомных станций) Ø Газовые выбросы вулканов В результате соединения газов с кислородом и фотохимических процессов образуются твердые и жидкие аэрозоли

• Поступление твердых аэрозолей: Ø Природных - 1300 млн. т/год Ø Антропогенных - 50 млн. т/год Поступление аэрозолей из газов: Ø Природных - 900 млн. т/год Ø Антропогенных – 300 млн. т/год

• В сумме – 2, 3 млн. т. /год (с разбросом в 1, 5 млн. т. /год • Около 1 млн. т/год – результат превращений газов в атмосфере (основная доля антропогенные газы)

Количество ядер конденсации • У земной поверхности – от нескольких тысяч до десятков тысяч в 1 см 3 • На высоте 3 -4 км - несколько сотен на 1 см 3. • 5 -10 км – десятки на 1 см 3

Свойства ядер конденсации • Малые размеры - не оседают и переносятся воздушными течениями на большие расстояния. • Гигроскопичны - плавают в атмосфере в виде мельчайших капелек насыщенного соляного раствора. • При повышении относительной влажности начинают расти, а при значениях влажности в 100% превращаются в видимые капельки облаков и туманов

• Если точка росы лежит ниже нуля, то первоначально возникают ледяные зародыши (ледяные ядра, ядра льдообразования), на которых намерзают переохлажденные капельки (кристаллизация) • Менее вероятна сублимация т. е переход водяного пара в твердое состояние.

Кристаллизация воды • При кристаллизации воды неупорядоченное расположение ее молекул сменяется упорядоченным. • В твердое состояние сначала переходят небольшие группы молекул воды толщиной в элементарную ячейку пространственной решетки кристалла (ледяные ядра). • Кристаллизация начинается не во всей ее массе, а лишь в тех местах, где условия уже "готовы" к возникновению кристаллов. • При низких температурах критические размеры зародыша льда, обеспечивающие его дальнейший рост, уменьшаются, — поэтому кристаллизация воды становится более вероятной и происходит быстрее.

• Если в воздухе нет ядер льдообразования, жидкая вода может долго находиться в переохлажденном состоянии. • Опытным путем, при отсутствии ядер кристаллизации, можно охладить воду до -50°С, и ниже. • В природе капельки воды в переохлажденном состоянии находятся в облаках при температуре от -12°С, до -30°С и ниже. • Если при таких условиях появляются ядра льдобразования, начинается бурное образование льда.

Слой Юнге • Стратосферные аэрозоли • мах концентрации: 18 -25 км (тропики), 14 -20 км полярные районы • Размеры -0, 1 -1 мкм • Концентрация 1 -10 частиц /см 3 • 90% - субмикронные • 75% - серная кислота • Рассеивают солнечную радиацию, увеличивают альбедо Земли.

3. 4. Облака - скопления продуктов конденсации — капелек и кристаллов Капельки и кристаллы это облачные элементы (ОЭ) Удельный вес ОЭ уравновешивается силой трения, а турбулентное движение воздуха поддерживает их взвешенными в воздухе, перемещая то вниз, то вверх. .

• Облака: - переносятся воздушными течениями. - при уменьшении относительной влажности воздуха испаряются. - при определённых условиях часть ОЭ укрупняется и выпадает из облаков (осадки) - отдельное облако существуют очень короткое время - В облаках постоянно идет образование и исчезновение отдельных ОЭ. - длительно существует процесс облакообразования

• Размеры ОЭ: • от долей микрона до сотен микронов. при замерзании капелек - полные кристаллы — ледяные шестиугольные пластинки или призмы диаметром 10 -20 мк. • При дальнейшей сублимации превращаются в шестилучевые звёзды или кристаллы более сложной структуры и размером до нескольких миллиметров в диаметре.

• Количество ОЭ в единице объёма - несколько сотен на кубический сантиметр в нижней части тропосферы. • Водность облаков (содержание воды в жидком или твёрдом виде) - от 0. 2 до 5 г на кубический метр облачного воздуха, (водность облаков меньше, чем абсолютная влажность воздуха).

Классификация облаков • • Международная классификация По составу ОЭ По высоте образования По происхождению

• По составу ОЭ Ø водяные (капельные) облака; Ø смешанные (смесь переохлаждённых капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах; Ø ледяные (кристаллические) облака при достаточно низких температурах Чисто капельное строение облака могут сохранять до температур -10 С.

Международная классификация 1. Перистые — Cirrus (Ci) 2. Перисто-кучевые — Cirrocumulus (Cc) 3. Перисто-слоистые — Cirrostratus (Cs) 4. Высоко-кучевые — Altocumulus (Ac) 5. Высоко-слоистые — Altostratus (As) 6. Слоисто-дождевые — Nimbostratus (Ns) 7. Слоисто-кучевые — Stratocumulus (Sc) 8. Слоистые — Stratus (St) 9. Кучевые — Cumulus (Cu) 10. Кучево-дождевые — Cumulonimbus (Cb)

По высоте образования Верхний ярус • в полярных широтах от 3 до 8 км, • в умеренных широтах — от 5 до 13 км, • в тропических — от 6 до 18 км. Средний ярус • в полярных широтах — от 2 до 4 км, • в умеренных — от 2 до 7 км, • в тропических — от 2 до 8 км. Нижний ярус — во всех широтах — от земной поверхности до 2 км.

Перистые, перисто-кучевые и перистослоистые — облака верхнего яруса Высоко-слоистые, располагаясь в среднем ярусе могут проникать в верхний Высоко-кучевые — среднего яруса Слоисто-дождевые — в нижнем ярусе, но проникают в средний. Слоисто-кучевые и слоистые — нижнего яруса Кучевые и кучево-дождевые – снования в нижнем ярусе, вершины часто проникают в средний и верхний ярус.

Генетические типы облаков • внутримассовые - в результате процессов внутри воздушных масс • Фронтальные – процессы между отдельными воздушными массами.

Внутримассовые облака • Облака конвекции - в результате адиабатического охлаждения воздуха в восходящих токах в неустойчивых воздушных массах. • Скорость восходящих токов - 3 -6 м/сек, (выше 20 м/сек). • Формируются кучевые облака, • При последующем развитии - кучеводождевые.

Процессы в кучево-дождевых (Cb) облаках • Появляются ледяные кристаллы в верхних частях облаков (оледенение вершин облаков) и волокнистые структуры. • Этот процесс приводит к выпадению осадков из кучево-дождевых облаков • Кучево-дождевые облака достигают уровня 13 км, (тропики и выше 14 км). Поперечники кучево-дождевых облаков 15 -20 км, облака состоят из отдельных ячеек, которые существуют в течении 20 -30 минут.

Условия развития облаков конвекции • воздушная масса обладает неустойчивой стратификацией • вертикальные градиенты температуры до уровня конденсации больше сухоадиабатического градиента, • выше уровня конденсации – больше влажноадиабатического градиента.

• • Высота конденсации : • Z =122 (t 0 - 0), где Z – уровень конденсации в метрах, t 0 - температура воздуха у земли (0 С), 0 – точка росы для этого воздуха, размерность коэффициента – 122 м/град. Температуры на уровне оледенения составляют -8 -120 С.

Высота облаков зависит от положения: Ø уровня конденсации Ø нулевой изотермы Ø уровня замерзания Ø уровня конвекции

Уровни: • • 1 – конденсации 2 –конвекции 3 –нулевой изотермы 4 - кристаллизации

Облака конвекции динамические: при натекании воздуха на горный хребет 1 – уровень конденсации 2 – уровень нулевой изотермы

Внутримассовые облака на суше летом имеют суточный ход: • появляются после восхода Солнца • наибольшее развитие в полуденные часы • исчезают с заходом В тропиках над океаном обратный суточный ход: • появляются перед заходом • наибольшее развитие ночью • исчезают с восходом

Внутримассовые волнообразные • Устойчивые воздушные массы (в основном тёплые) турбулентный перенос водяного пара вместе с воздухом от земной поверхности вверх до слоя инверсии накопление водяного пара адиабатическое или радиационное охлаждение формирование слоистых (St) и слоисто-кучевых (Sc) облаков нижнего яруса.

• Облака растянуты в горизонтальном направлении и имеют волнистую структуру (волновой процесс в слое инверсии). • В слое инверсии воздушные волны длиной порядка 50 -2000 м. • В гребнях волн воздух поднимается вверх, между гребнями опускается вниз. • Образуются ночью и в холодный сезон.

• Облачный слой разделяется на отдельные валы (слоисто-кучевые облака Sc). • Слой инверсии в средней тропосфере - высококучевые облака (Ac).

Фронтальные облака упорядоченного восходящего скольжения. • огромные облачные системы, вытянутые в длину вдоль линии раздела воздушных масс (вдоль фронта) на тысячи километров и в ширину сотни километров.

Облачность теплого фронта • Медленное вползание тёплого воздуха по холодному клину адиабатическое охлаждение теплого воздуха конденсация водяного пара облачная система в тёплом воздухе над холодным. • Вблизи линии фронта - слоисто-дождевые (Ns) облака мощностью в несколько километров между уровнями 1 -2 и 6 -8 км. • Далее менее мощные высокослоистые (As) - перисто-слоистые (Cs) • На расстоянии до 700 км перистые (Ci) облака.

• Осадки из высокослоистых (As) облаков не достигают земной поверхности, • Из слоисто-дождевых (Ns) облаков выпадают обложные осадки полосой 200 -300 км. • Вместе с перемещением фронта перемещаются облака и осадки. • Признаками тёплого фронта с последующей мощной облачностью и осадками являются вытянутые полосы перистых (Ci) облаков на западном или южном горизонте

Облачность холодного фронта • Перемещение холодной массы на место тёплой • Холодные фронты бывают двух типов: 1 -го и 2 -го родов

Холодный фронт 1 рода • Упорядоченное поднятие теплого воздуха над вторгающимся клином холодного. • Облачная система - сплошной массив высокослоистых (As) и слоисто-дождевых (Ns) облаков • Слоисто-дождевые облака появляются вначале и почти внезапно, а затем, за фронтом, переходят в высоко-слоистые. • Облачность, свойственная теплому фронту, но абсолютно в обратном порядке. • Осадки начинаются на линии фронта и выпадают за фронтом в холодном воздухе. • Ширина зоны осадков меньше, чем у теплого фронта.

Холодный фронт 2 -го рода • Быстродвижущийся или ускоряющийся фронт. • Перед фронтом - мощные кучево-дождевые облака (Cb), возникающие со шквалами, ливневыми осадками и грозами. • Местным признаком приближения грозового холодного фронта высоко-кучевые облака (Ac). • За линией фронта давление повышается и быстро наступает прояснение.

• Внетропические широты – преобладание фронтальной облачности, летом - облака конвекции • Тропики - более характерны облака конвекции и волнообразные

Кучевые облака Внешний облик: • плотные, с резко очерченными контурами, • белые и ярко белые в виде холмов, куполов, башен • с куполообразными вершинами и плоскими основаниями Состав: • Водяные (при отрицательных температурах переохлажденные капли) Осадки • не дают

Кучевые облака

Кучево-дождевые Внешний облик: • мощные кучевообразные облачные массы, • очень сильно развитые по вертикали в виде гор и башен, часто от нижнего и до верхнего яруса, верхние части имеют волокнистую структуру (наковальня с кристаллической структурой) • закрывают солнце и сильно уменьшают освещенность Состав: • в верхних частях ледяные кристаллы, а в нижних — кристаллы и капельки различной величины, вплоть до самых крупных Осадки: • осадки ливневого характера: это интенсивные дожди, иногда с градом, зимою сильный густой снег, крупа. • грозовые явления, • на их фоне нередко наблюдается радуга.

Кучево-дождевые

Перистые облака Ci • Отдельные белые волокнистые. Прозрачные (толщина от сотен м до нескольких км) • Просвечивающие • Осадков не дают • Ледяные

Перисто-кучевые Cc • Белые тонкие в виде мелкой ряби, волн, без серых оттенков • Ледяные • Просвечивают • Осадков не дают

Перисто-слоистые Cs • Беловатая или голубоватая пелена слегка волокнистого строения • Просвечивают. Могут закрывать весь небосвод • Ледяные • Вокруг светил образуют гало • В Арктике могут давать мелкий снег

• Перисто-кучевые (Cc) • Перисто-слоистые (Сs) • Перистые (Ci)

Высоко-слоистые (As) • • • Внешний облик: светлый, молочно-серый до серого облачный покров слегка волокнистое строение слабопросвечивающие или плотные постепенно закрывают все небо сквозь них можно видеть диски солнца и луны в виде размытых пятен, как сквозь матовое стекло Состав: Переохлажденные капли и ледяные кристаллы Осадки: • слабые осадки (редкие капли или снежинки), в теплое время года испаряются по пути к земной поверхности. Зимой выпадает мелкий снег.

Высоко-кучевые (Ac) • • Внешний облик: Белые, иногда сероватые в виде облачных пластов или гряд, состоящих из отдельных пластин, дисков или хлопьев, иногда сливаются в сплошной покров затеняют солнце Состав: переохлажденные капли Осадки: не дают Характерны: венцы (окрашенные круги небольшого радиуса вокруг дисков светил). иризация (края облаков, находящихся перед солнцем, получают радужную окраску).

• Высоко-кучевые (Ac) • Высоко-слоистые (As)

Слоисто-кучевые Sc • • Внешний облик: серые или беловатые, всегда имеют более темные части состоят из отдельных гряд, волн, пластин, расположенных регулярно, иногда сливаются в покров Состав: преимущественно водяные (зимой смешанные) Осадки не дают (зимой может быть слабая морось или очень слабый снег).

Слоисто-дождевые Ns Внешний облик: • темно-серый облачный покров с синеватым оттенком • закрывают все небо без просвета • непросвечивающие, сильно уменьшают солнечную радиацию Состав: • смешанные Осадки: • обложные (дождь и снег) Имеют общее происхождение с высоко-слоистыми.

Слоистые St Внешний • • облик: однородные, серые (сходные с туманом) закрывают все небо солнечный диск, если просвечивает, имеет четкие очертания Сильно уменьшают солнечную радиацию Состав: • Водяные (при очень низких температурах – ледяные) Осадки: • морось (при низких температурах - ледяные иглы, мелкий снег, снежные зерна). Нижняя часть иногда представлена в виде разорванных клочьев (тогда их называют разорванно-слоистыми).

• Слоисто-дождевые (Ns) • Слоистые (St) • Слоисто-кучевые (Sc)

Облачность. Суточный и годовой ход • Облачность - степень покрытия небесного свода облаками • Выражается в десятых долях покрытия неба (0 -10 баллов). • Оценивают общую облачность и количество нижних облаков

Суточный ход облачности • Внутримассовые слоистые и слоистокучевые - максимум ночью и утром. • Облака конвекции имеют отчетливо выраженный суточный ход.

• Над сушей в умеренных широтах Летом: два максимума облаков — утром и после полудня. Зимой: преобладает утренний максимум. • В тропиках • весь год послеполуденный максимум, (конвекция). • Над морем облака конвекции и облака восходящего скольжения не имеют ясного суточного хода.

Годовой ход • Различен в разных климатических зонах. Высокие и умеренные широты • умеренно континентальный климат максимум приходится на зиму (циклоническая деятельность), минимум – на весну и лето(облака конвекции). • морской климат различий в годовом ходе облачности между сезонами не наблюдается. • резко континентальный климат минимальная облачность зимой, максимальная летом.

• • • Субтропики летом минимум (господствуют антициклоны) зима –максимум. Тропики в пассатной зоне – максимум лето, минимум зима Антарктида -8, 9 балла Сахара – 0, 5 балла

• Над морем облачность больше, чем над сушей. • Северное полушарие над морем — 5. 6, над сушей — 4. 8, • Южное полушарие — над морем 6. 0, над сушей — 4. 9. • Для всего Земного шара в целом облачность составляет 5. 4

• • • Продолжительность солнечного сияния Время, в течение которого прямые солнечные лучи освещают земную поверхность. зависит от длины дня (широта местности и время года), облачности. Определяется гелиографами Выражают либо в часах, либо в процентах от наиболее возможной продолжительности.

• Возрастает от полярных широт к тропикам. • В Арктике 25% и ниже, • в Северной Европе — около 40%, • в Италии — 50%. • Максимум в субтропических пустынях (например, в Аризоне — 88%, а в летнее время до 97% от возможной). • Близ экватора — 35%.

Суточный ход • Умеренные широты - самые солнечные часы суток летом от 10 до 11 часов, зимой от 13 до 14 часов. . • Тропики самые солнечные часы суток 8 -9 часов

В годовом ходе • Умеренные широты - максимум июльавгуст • Субтропики (пустыни) — июнь и сентябрь. • Тропики — максимум сухой период, минимум —влажный (особенно в муссонных районах).

• Горы беднее, чем прилегающие равнины (но зимой наоборот). Это является важным преимуществом горных курортов. • На горных вершинах максимум приходится на два часа раньше, чем на равнине • В больших городах загрязнение воздуха снижает на 20% и более по сравнению с сельской местностью.

Число ясных и пасмурных дней Ясные дни: ü Ифрена (Ливия) — 293, ü Термез (Узбекистан) — 260, ü Имандра (Кольский п-ов) — 9, Пасмурные дни: ü Бен-Невис в Шотландии — 247 ü Тайвань — 233.

3. 5. Световые (оптические) явления • отражение, преломление и дифракция света в капельках и кристалликах облаков

Гало Светлые круги радиусом 22 или 46 угловых градусов с центром в центре солнечного или лунного диска • Слабо окрашены в радужные цвета (красный внутри). • Образуются в ледяных облаках верхнего яруса (перисто-слоистых)

Ложные солнца (разновидность гало) • слегка окрашенные светлые пятна на одном уровне с солнцем и на том же угловом расстоянии от него (22 или 46°). • к основным кругам присоединяются иногда различные касательные к ним дуги. • неокрашенный горизонтальный круг на одном уровне с солнцем • неокрашенные вертикальные столбы, проходящие через солнечный диск (продолжающие его вверх и вниз)

• Окрашенные гало: преломление света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, • Неокрашенные (бесцветные) гало: отражение света от граней кристаллов. • Разнообразие форм гало зависит от: • высоты солнца • типов кристаллов, • движения и ориентации осей кристаллов в пространстве.

Гало в 22° Преломление света боковыми гранями кристаллов при беспорядочно ориентированных во всех направлениях главных осях кристаллов : • лучи света входят в одну из боковых граней и выходят из другой, образующей с первой угол 60°. Минимальное отклонение лучей от первоначального направления при этом будет около 22° (для красных лучей немного меньше, для фиолетовых немного больше). • наименее отклоненные лучи будут обладать максимальной интенсивностью. • вокруг диска светила возникает светлый круг радиусом около 22° с некоторым спектральным расчленением окраски.

При преимущественной ориентировке главных осей по вертикали: • возникают два светлых пятна — ложные солнца — по обе стороны от солнечного диска, также на расстоянии 22°. При преимущественной ориентировке главных осей по горизонтали: • возникает солнечный столб

Гало в 46° (и ложные солнца в 46°) • Преломление света боковыми гранями с преломляющим углом 90°. • Угол минимального отклонения будет при этом около 46°.

Венцы • В тонких водяных облаках перед диском светила, состоящих из мелких однородных капелек (обычно это высоко-кучевые облака) • Венцы наблюдаются также в тумане около искусственных источников света.

Внешний вид: • голубоватый, по внешнему краю красноватый светлый круг небольшого радиуса, окружающий диск светила (или искусственный источник света). • радиус ореола - 1— 5° (обратно пропорционален диаметрам капелек в облаке по нему можно определять размеры капелек в облаках). • может быть окружен несколькими дополнительными кольцами такой же окраски, не примыкающими к нему и друг к другу вплотную.

Механизм образования: • Дифракция света на мельчайших капельках облаков, которые образуют дифракционную решетку. • Вокруг каждой точки диска светила образуется дифракционный спектр или несколько спектров, имеющих кольцевую форму. • Спектры налагаются друг на друга, их цвета сливаются и дают голубоватый оттенок. • Спектры, образованные точками по краю диска светила, создают кайму красноватого цвета вокруг внешней периферии каждого кольца. • Венцы вокруг искусственных источников света малых размеров (по сравнению с дисками светил) имеют более богатые радужные цвета.

Глория • Подобна венцу • Возникает вокруг точки, прямо противоположной диску светила. • Наблюдается на облаках, расположенных прямо перед наблюдателем или ниже его, т. е. в горах или с самолета. • На те же облака падает тень наблюдателя, и глория представляется наблюдателю расположенной вокруг тени его головы. • Объясняется дифракцией света, до этого уже отраженного в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.

Радуга • Светлая дуга радиусом 42°, от красного (внешний край) до фиолетового (внутренний край) цвета. • Дуга радуги часть окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей центр солнечного диска с глазом наблюдателя • Наблюдается при высоте солнца не более 42° (с самолета удавалось видеть радугу в виде почти полного круга). • Бывают более слабые дополнительные дуги радиусом около 50° с фиолетовым цветом по наружному краю,

• Интенсивность света, ширина и окраска радуги зависят от размеров капель. • Наблюдается на фоне освещенных солнцем кучево-дождевых облаков, из которых выпадает дождь • Радуга объясняется преломлением солнечных лучей при входе и выходе из капель, их отражением внутри капель и явлениями дифракции на каплях.

3. 6. Туман, дымка, мгла. • Дымк - небольшое ухудшение прозрачности атмосферы у земной поверхности ( «помутнение» ), приводящее к уменьшению дальности видимости (ДВ). Помутнение вызывают зачаточные продукты конденсации и пыль. • Дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает ДВ от 1 до 10 км. • При размерах помутняющих частичек меньших, чем длины световых волн дымка окрашивает отдалённые предметы в синий цвет; белые или светящиеся предметы – в желтоватую опалесцирующее помутнение. • При более крупных размерах помутняющих частиц дымка принимает белесоватый или сероватый оттенок.

• Туман – значительное ухудшение прозрачности атмосферы (ДВ меньше километра) из-за концентрации большого количества крупных продуктов конденсации • Слово “туман” обозначает как само скопление помутняющих продуктов (капель, кристаллов) у земной поверхности, так и связанное с ним сильное помутнение воздуха. • При низких температурах туман состоит не только из жидких капелек, но и из кристалликов.

• Мгла- сильное помутнение атмосферы, вызванное содержанием в воздухе большого количества твёрдых коллоидных частиц. • Мгла наблюдается при пыльных бурях, лесных пожарах и над промышленными городами. • При мгле относительная влажность невелика, что отличает мглу от тумана. • ДВ при сильной мгле может уменьшаться так же, как при тумане.

Смог • Смог - уменьшение прозрачности воздуха, связанное с концентрацией в атмосфере большого количества антропогенных примесей. • Возникает в промышленных городах. . • Уменьшает количество солнечной радиации в городах на 30 -40%, почти полностью препятствует проникновению ультрафиолетовой радиации. • Вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждения растений, зданий. • Сильные смоги могут приводить к серьёзным заболеваниям дыхательных путей и сердечнососудистой системы, иногда даже к смертельным случаям

Синоптические условия возникновения смогов: Ø отсутствие осадков, Ø безветренная погода, Ø температурная инверсия, сохраняющиеся в течение нескольких дней.

В зависимости от географических условий выделяют 3 типа смога • Ледяной • Лондонский • Фотохимический

Ледяной смог Специфические географоклиматические условия возникновения: • В полярном климате, зимой • Солнце поднимается не более чем на 45 часов • Низкие не меняющиеся температуры (t >-35 ), • Отсутствует суточный ход температуры.

Механизм образования: водяные пары искусственного происхождения примешивается двуокись серы образование серной кислоты в атмосфере преобразуются в мельчайшие ледяные кристаллики (5 -10 мкм в диаметре) уменьшение ДВ до 10 м. Впервые такой вид смога был отмечен в США в поселке Фербенкс на Аляске

Смог лондонского типа Специфические географоклиматические условия возникновения: • в условиях умеренного влажного климата в переходные сезоны, • сильный туман • температура воздуха близкой к 0 С. .

• Основные загрязнители — продукты сгорания нефти и угля. • При образовании этого типа смога снижается видимость, быстро нарастает концентрация вредных веществ, воздух приобретает неприятный запах. • В 1952 году в Лондоне при таком смоге погибло 4 тысячи жителей.

Фотохимический (Лос-Анджелеский) смог • Специфические географоклиматические условия возникновения: • субтропики с жарким летом • высокие значения солнечной радиации (свыше 2. 0 Кдж/см 2 мин). Фотохимический смог имеет белый цвет. В стабильных синоптических условиях дымовая шапка такого смога может сохраняться над городом до 270 дней.

Основные загрязнители: • выхлопные газы. Механизм образования: • Под воздействием солнечной радиации и, прежде всего ультрафиолетовой ее части, происходят фотохимические преобразования выхлопных газов. • Катализатор - озон. • Фотохимические преобразования угарного газа СО, соединений азота NOх, азотной кислоты НNО 3 органические перекиси (фотооксидантов), по своей токсичности превосходят исходные загрязнители.

3. 7. Осадки. Формы осадков По форме выпадения: • дождь, морось, снег, крупа, снежные зёрна, ледяные иглы, ледяной дождь, град. По интенсивности: • обложные, ливневые

• Дождь - капели диаметром 5 мм-0, 5 мм. При ливневом дожде – размер максимальный • Морось - капли диаметром 0. 5 -0. 05 мм (малая скорость падения, легко переносятся ветром в горизонтальном направлении).

• Снег - сложные ледяные кристаллы (снежинки). • Основная форма — шестилучевая звезда. • Размеры - нескольких миллиметров. • При выпадении часто слипаются в хлопья.

• Снежная крупа - непрозрачные крупинки белого цвета диаметром от 2 до 5 мм. • Выпадает при температуре воздуха около 0 °C • Образуется, когда снежинки из верхней части облака попадают в нижележащий облачный слой, состоящий из мельчайших переохлаждённых капель. • Частички снежной крупы отличаются от снежинок отсутствием различимой кристаллической основы. • Выпадает из слоисто-дождевых и кучеводождевых облаков

Ледяная крупа • крупинки прозрачные у поверхности и имеющие небольшое белое ядро • образуется при столкновении снежной крупы с более крупными переохлаждёнными каплями в слое облака, расположенном ниже. • выпадает весной при неустойчивой погоде.

Ледяной дождь Твердые осадки, выпадающие при отрицательной температуре воздуха (0. . . -10°, иногда до -15°) • твёрдые прозрачные шарики льда диаметром 1 -3 мм. • Внутри шариков находится незамёрзшая вода - падая на предметы, шарики разбиваются на скорлупки. • свидетельствует о наличии инверсии температуры.

Снежные зерна • Твердые осадки в виде мелких непрозрачных белых частиц (палочек, крупинок, зёрен) диаметром менее 2 мм, выпадающие при отрицательной температуре воздуха.

• Ледяные иглы Твёрдые осадки в виде мельчайших ледяных кристаллов (шестиугольных призмы), • образуются в морозную погоду (температура воздуха ниже -10. . . -15°). • Днём сверкают в свете лучей солнца, ночью - в лучах луны или при свете фонарей. • Нередко образуют в ночное время красивые светящиеся "столбы", идущие от фонарей вверх в небо. • Наблюдаются чаще всего при ясном или малооблачном небе, иногда выпадают из перисто-слоистых или перистых облаков.

3. 8. Наземные гидрометеоры • Жидкие: роса, жидкий налет • Твердые: иней, твердый налет, изморось

• Роса Капельки воды на поверхности земли, растениях, предметах, крышах зданий и автомобилей Возникают: • в результате конденсации содержащегося в воздухе водяного пара • при положительной температуре воздуха и почвы, • малооблачном небе • слабом ветре. • Чаще всего наблюдается в ночные и ранние утренние часы, может сопровождаться дымкой или туманом. • Обильная роса может вызвать измеримое количество осадков (до 0. 5 мм за ночь), стекание на землю воды с крыш.

Жидкий налет: • Пленка воды, возникающая на холодных вертикальных поверхностях в пасмурную и ветренную погоду • Причина – адвекция теплого и влажного воздуха

Твердый налет –мелкие кристаллы или тонкий слой прозрачного льда • На вертикальных поверхностях с наветренной стороны при таких же условиях, что и жидкий налет, но при температурах ниже нуля

• Иней Белый кристаллический осадок на поверхности земли, траве, предметах, крышах зданий и автомобилей, снежном покрове Образование: сублимация содержащегося в воздухе водяного пара при • отрицательной температуре почвы, • малооблачном небе • слабом ветре. Наблюдается в вечерние, ночные и утренние часы, может сопровождаться дымкой или туманом. На ветках деревьев, проводах иней отлагается слабо (в отличие от изморози) - на проводе гололёдного станка (диаметр 5 мм) толщина отложения инея не превышает 3 мм.

• Изморозь Белый рыхлый снеговидный осадок на ветвях деревьев и проводах на наветренной стороне • Образование: в результате оседания мелких капелек переохлаждённого тумана в облачную туманную погоду (в любое время суток) при температуре воздуха от нуля до 10° и умеренном или сильном ветре. • Нарастание изморози продолжается столько, сколько длится туман и ветер (обычно несколько часов, а иногда и несколько суток). Сохранение отложившейся изморози может продолжаться несколько суток.

• Гололёд Слой плотного стекловидного льда (прозрачного или матового), образующийся на растениях, проводах, предметах, поверхности земли • Образование: в результате намерзания частиц осадков (переохлаждённой мороси, переохлаждённого дождя, ледяной крупы, иногда дождя со снегом) при соприкосновении с поверхностью, имеющей отрицательную температуру. • Наблюдается при температуре воздуха от нуля до -10° (иногда до -15°), • Сильно затрудняет передвижение людей, животных, транспорта, • приводит к обрывам проводов и обламыванию ветвей деревьев (а иногда и к массовому падению деревьев и мачт линий электропередач). • Сохранение отложившегося гололёда может продолжаться несколько суток.

Экологическое значение осадков. Их химизм • Поглощение осадками газовых и аэрозольных примесей – важнейший механизм очищения атмосферного воздуха. • Снег в 3 -4 раза эффективнее вымывает аэрозоли • Снег в в 10 раз менее эффективен при очищении от растворенных в воде газов.

• dq= -q*dt/f • q – концентрация частиц в начальный момент • dq- изменение концентрации частиц за единицу времени dt • f- «время жизни» частицы

• После интегрирования • q 0 -концентрация примеси до выпадения • Время жизни –временной интервал, за который концентрация примеси уменьшается в е раз

Время жизни примесей минимально при выпадении мелких капель • . Вид осадков f (час) морось слабый дождь 0, 6 0, 8 умеренный дождь 0, 9 сильный дождь 1, 5

Вымывание примесей осадками, q мкг/м 3 Концентрация примесей аэрозоли газы NH 4+ NO 3 SO 42 NO 3 - - NO 2 SO 2 Cl 2 Перед дождем 6, 7 6, 0 16, 7 21, 6 11, 9 328 14, 3 После дождя 4, 7 1, 6 9, 7 11, 0 9, 1 212 5, 3 Осталось после 70 дождя, % 27 58 76 76 65 37

• На сети станций глобального и регионального мониторинга определяют: Ø Кислотность Ø Электропроводность Ø Катионы (Na, K, Mg, Ca) Ø Анионы (SO 4, Cl, NO 3, HCO 3)

Показатель станции Мауна-Лоа Пятигорск, 230 с. ш. 440 с. ш. р. Н Туруханск, 650 с. ш. Велен (Швеция) 660 с. ш. 5, 1 5, 4 3, 8 6, 2

• Все осадки ( от полярных до тропических) имеют кислую реакцию. • Минимальные значения р. Н имеют осадки промышленных районов • Для дождевой воды р. Н меняется от 4, 5 до 6, 5 даже на фоновых станциях) вследствие присутствия кислот НСL, H 2 SO 4, HNO 3, поступающих в результате глобального воздухообмена