Энциклопедия Кольера - метеорология и климатология
Метеорология и климатология
См. также
Атмосфера;
Климат. Значительная часть метеорологов занимается прогнозом погоды. Они работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, сельское хозяйство, строительство и флот, а также передают их по радио и телевидению. Другие специалисты проводят наблюдения за уровнем загрязнения, оказывают консультации, преподают или занимаются научно-исследовательской работой. При метеорологических наблюдениях, прогнозе погоды и научных изысканиях все большее значение приобретает электронное оборудование.
ПРИНЦИПЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОГОДЫ
Температура, атмосферное давление, плотность и влажность воздуха, скорость и направление ветра основные показатели состояния атмосферы, а к дополнительным параметрам относятся данные о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п. Характеристикой внутренней энергии физического тела является температура, которая повышается с увеличением внутренней энергии среды (например, воздуха, облаков и т.д.), если баланс энергии положителен. Основными составляющими энергетического баланса являются нагревание при поглощении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения; остывание за счет излучения инфракрасной радиации; теплообмен с земной поверхностью; приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха. Температура может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или Кельвина (К). Минимальная возможная температура, 0В° по шкале Кельвина, называется "абсолютным нулем". Разные температурные шкалы связаны между собой соотношениями: F = 9/5 С + 32; С = 5/9 (F 32) и К = С + 273,16, где F, С и К соответственно обозначают температуру в градусах по шкалам Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают в точке -40В°, т.е. -40В° F = -40В° C, что можно проверить по приведенным выше формулам. Во всех прочих случаях значения температур в градусах по шкалам Фаренгейта и Цельсия будут различаться. В научных исследованиях обычно используются шкалы Цельсия и Кельвина. Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно изменяется, если меняется высота столба воздуха над данной точкой. Давление воздуха на уровне моря составляет ок. 10,3 т/м2. Это означает, что вес столба воздуха с горизонтальным основанием площадью 1 кв.м на уровне моря составляет 10,3 т. Плотность воздуха это отношение массы воздуха к занимаемому им объему. Плотность воздуха возрастает при его сжатии и уменьшается при расширении. Температура, давление и плотность воздуха связаны между собой уравнением состояния. Воздух в значительной степени подобен "идеальному газу", для которого, согласно уравнению состояния, температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделенная на давление, есть величина постоянная. Согласно второму закону Ньютона (закону движения), изменения скорости и направления ветра обусловлены действующими в атмосфере силами. Это сила тяжести, которая удерживает слой воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого давления в область низкого) и сила Кориолиса (см. также Атмосфера). Сила Кориолиса оказывает влияние на ураганы и другие крупномасштабные погодные явления. Чем меньше их масштабы, тем менее существенна для них эта сила. Например, от нее не зависит направление вращения смерча (торнадо).
ВОДЯНОЙ ПАР И ОБЛАКА
Водяной пар это вода в газообразном состоянии. Если воздух не способен удерживать большее количество водяного пара, он переходит в состояние насыщения, и тогда вода с открытой поверхности перестает испаряться. Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится в тесной зависимости от температуры и при ее повышении на 10В° С может увеличиться не более, чем вдвое. Относительная влажность это отношение фактически содержащегося в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения. Относительная влажность воздуха вблизи земной поверхности часто велика утром, когда прохладно. С повышением температуры относительная влажность обычно уменьшается, даже если количество водяного пара в воздухе мало изменяется. Предположим, что утром при температуре 10В° С относительная влажность была близка к 100%. Если в течение дня температура понизится, начнется конденсация воды и выпадет роса. Если же температура повысится, например до 20В° С, роса испарится, но относительная влажность составит лишь ок. 50%. Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. Формирование облаков происходит, когда при подъеме и охлаждении водяной пар переходит через точку насыщения. При подъеме воздух попадает в слои все более низкого давления. Ненасыщенный воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10В° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50% поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. Конденсация сначала происходит у основания облака, которое растет вверх до тех пор, пока воздух не перестанет подниматься и, следовательно, охлаждаться. Летом этот процесс легко увидеть на примере пышных кучевых облаков с плоским основанием и воздымающейся и опускающейся вместе с перемещением воздуха вершиной. Облака формируются также в фронтальных зонах, когда теплый воздух скользит вверх, надвигаясь на холодный, и при этом охлаждается до состояния насыщения. Облачность возникает и в областях низкого давления с восходящими потоками воздуха. Туман представляет собой облако, расположенное у самой земной поверхности. Он часто опускается на землю в тихие, ясные ночи, когда воздух влажный, а земная поверхность охлаждается, излучая в пространство тепло. Туман также может образоваться при прохождении теплого влажного воздуха над холодной поверхностью суши или воды. Если холодный воздух оказывается над поверхностью теплой воды, прямо на глазах возникает туман испарения. Он часто образуется по утрам поздней осенью над озерами, и тогда кажется, что вода кипит. Конденсация является сложным процессом, при котором микроскопические частицы содержащихся в воздухе примесей (сажи, пыли, морской соли) служат ядрами конденсации, вокруг которых формируются капельки воды. Такие же ядра необходимы для замерзания воды в атмосфере, так как в очень чистом воздухе при их отсутствии капельки воды не замерзают до температур ок. -40В° С. Ядро льдообразования представляет собой маленькую частицу, похожую по структуре на кристалл льда, вокруг которой и формируется кусочек льда. Вполне естественно, что находящиеся в воздухе ледяные частицы являются лучшими ядрами льдообразования. В роли таких ядер выступают также мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже -10В°-15В° С. Таким образом, создается странная ситуация: капельки воды в атмосфере почти никогда не замерзают при переходе температуры через 0В° С. Для их замерзания требуются существенно более низкие температуры, особенно если в воздухе содержится мало ядер льдообразования. Одним из способов стимулирования выпадения осадков является распыление в облаках частичек йодистого серебра искусственных ядер конденсации. Они способствуют смерзанию крошечных капелек воды в ледяные кристаллы, достаточно тяжелые, чтобы выпадать в форме снега. Формирование дождя или снега довольно сложный процесс. Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже летом в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град. Дождь обычно идет из "теплых" облаков, т.е. из облаков с температурой выше точки замерзания. Здесь мелкие капельки, несущие заряды противоположного знака, притягиваются и сливаются в более крупные капли. Они могут увеличиться настолько, что станут слишком тяжелыми, перестанут удерживаться в облаке восходящими потоками воздуха и прольются дождем.
См. также Дождь. Основа современной международной классификации облаков была заложена в 1803 английским метеорологом-любителем Луком Говардом. В ней для описания внешнего вида облаков использованы латинские термины: alto высоко, cirrus перистый, cumulus кучевой, nimbus дождевой и stratus слоистый. Различные сочетания этих терминов применяются для наименования десяти главных форм облаков: cirrus перистые; cirrocumulus перисто-кучевые; cirrostratus перисто-слоистые; altocumulus высококучевые; altostratus высокослоистые; nimbostratus слоисто-дождевые; stratocumulus слоисто-кучевые; stratus слоистые; cumulus кучевые и cumulonimbus кучево-дождевые. Высококучевые и высокослоистые облака располагаются выше, чем кучевые и слоистые. Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят почти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м. Облака, стелющиеся по земной поверхности, называются туманом. Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 0В° С до -25В° С и часто представляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов. Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) обычно имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания располагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже -25В° С. Кучевые и кучево-дождевые облака относятся к облакам вертикального развития и могут выходить за пределы одного яруса. Особенно это относится к кучево-дождевым облакам, основания которых находятся всего в нескольких сотнях метров от земной поверхности, а вершины могут достигать высот 15-18 км. В нижней части они состоят из капелек воды, а в верхней из кристаллов льда.
КЛИМАТ И КЛИМАТООБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ
Древнегреческий астроном Гиппарх (2 в. до н.э.) условно разделил поверхность Земли параллелями на широтные зоны, отличающиеся по высоте полуденного стояния Солнца в самый длинный день года. Эти зоны были названы климатами (от греч. klima наклон, первоначально означавшего "наклон солнечных лучей"). Таким образом было выделено пять климатических зон: одна жаркая, две умеренных и две холодных, которые и составили основу географической зональности земного шара. Более 2000 лет термин "климат" употреблялся именно в таком смысле. Но после 1450, когда португальские мореплаватели пересекли экватор и вернулись на родину, появились новые факты, потребовавшие пересмотра классических воззрений. В числе сведений о мире, приобретенных во время путешествий первооткрывателей, были и климатические характеристики выделенных зон, что позволило расширить сам термин "климат". Климатические зоны уже не были лишь математически рассчитанными по астрономическим данным районами земной поверхности (т.е. жарко и сухо там, где Солнце поднимается высоко, а холодно и сыро там, где оно стоит низко, а потому слабо греет). Было обнаружено, что климатические зоны не просто соответствуют широтным поясам, как это представлялось ранее, а имеют весьма неправильные очертания. Солнечная радиация, общая циркуляция атмосферы, географическое распределение материков и океанов и крупнейшие формы рельефа главные факторы, влияющие на климат суши. Солнечная радиация является важнейшим фактором климатообразования и поэтому будет рассмотрена более подробно.
РАДИАЦИЯ
В метеорологии термин "радиация" означает электромагнитное излучение, к которому относят видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но не включают радиоактивное излучение. Каждый объект в зависимости от своей температуры испускает разные лучи: менее нагретые тела главным образом инфракрасные, горячие тела красные, более горячие белые (т.е. эти цвета будут преобладать при восприятии нашим зрением). Еще более горячие объекты испускают голубые лучи. Чем сильнее нагрет объект, тем больше он излучает световой энергии. В 1900 немецкий физик Макс Планк разработал теорию, объясняющую механизм излучения нагретых тел. Эта теория, за которую в 1918 он был удостоен Нобелевской премии, стала одним из краеугольных камней физики и положила начало квантовой механике
(см. также Квантовая Механика).
Но не всякое световое излучение испускается нагретыми телами. Существуют и другие процессы, вызывающие свечение, например флюоресценция. Хотя температура внутри Солнца составляет миллионы градусов, цвет солнечного света определяется температурой его поверхности (ок. 6000В° С). Электрическая лампа накаливания испускает световые лучи, спектр которых существенно отличается от спектра солнечного света, так как температура нити накала в лампочке составляет от 2500В° С до 3300В° С. Преобладающим типом электромагнитного излучения облаков, деревьев или людей является инфракрасное излучение, невидимое для человеческого глаза. Оно является основным способом вертикального обмена энергией между земной поверхностью, облаками и атмосферой.
Метеорологические спутники оснащены специальными приборами,
которые выполняют съемку в инфракрасных лучах, испускаемых в космическое пространство облаками и земной поверхностью. Более холодные, чем земная поверхность, облака излучают меньше и, следовательно, выглядят в инфракрасных лучах темнее, чем Земля. Большое преимущество инфракрасной фотосъемки заключается в том, что ее можно проводить круглосуточно (ведь облака и Земля излучают инфракрасные лучи постоянно).
Угол инсоляции. Величина инсоляции (приходящей солнечной радиации) меняется во времени и от места к месту в соответствии с изменением угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли: чем выше Солнце над головой, тем она больше. Изменения этого угла определяются в основном обращением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси. Обращение Земли вокруг Солнца не имело бы большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. В этом случае в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и проявлялись бы только небольшие сезонные колебания инсоляции, обусловленные изменением расстояния от Земли до Солнца. Но на самом деле земная ось отклоняется от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23В°30Сћ, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите.
Вопрос-ответ:
