|
Строение атмосферы. Атмосферой
называется газообразная (воздушная) оболочка нашей планеты. Верхнюю границу
атмосферы можно указать лишь весьма условно, поскольку плотность ее
непрерывно убывает с высотой. Переход к космическому вакууму занимает тысячи
километров по высоте от поверхности Земли. Молекулы газов, составляющих
атмосферу, удерживаются силой земного тяготения и вместе с Землей совершают
движение в космическом пространстве.
Масса атмосферы в 250 раз меньше массы гидросферы и в 1
ООО ООО раз меньше массы литосферы и составляет 5,3xl0ls т, 99% ее заключено
в слое высотой 30 км, 95 % — до высоты 20 км и 50 % — до высоты 5,5 км.
Атмосферный воздух — это механическая смесь газов. В сухом
воздухе содержится около 78% азота, около 21% кислорода, около 1% аргона,
0,03 % углекислого газа. В меньших количествах присутствуют другие природные
и промышленные газы. Постоянный состав атмосферного воздуха поддерживается
естественным перемешиванием (восходящие и нисходящие потоки, ветер). В
воздухе может содержаться до 4% водяного пара, но содержание его резко
убывает с высотой за счет конденсации (облака и осадки).
По физическим свойствам атмосфера неоднородна, если
рассматривать ее слои (тропосфера, стратосфера, мезосфера и др.) по
вертикали. Наиболее отчетливо различие между слоями проявляется по
температуре воздуха.
Тропосфера характерна равномерным уменьшением
температуры по высоте. Воздух в тропосфере нагревается и охлаждается
преимущественно от земной поверхности. Почти весь водяной пар содержится в
тропосфере, здесь образуются туманы, облака, осадки и происходят основные
погодные процессы. Тропосфера простирается на высоту до 6 км над полюсами и до 18 км над экватором.
Стратосфера — слой с постоянной либо возрастающей
по высоте (до 50 км) температурой. Важная особенность стратосферы — наличие
озона, образующегося из кислорода под влиянием ультрафиолетовой солнечной
радиации. Роль озона в природе — защита органической жизни на нашей планете
от этой радиации.
Мезосфера — слой понижения температуры воздуха до
—80°С (50 — 80 км по высоте от поверхности Земли).
В стратосфере и мезосфере иногда наблюдаются облака,
называемые перламутровыми и серебристыми. Полярные сияния возникают в более
высоких слоях (80-1000 км).
Атмосфера неоднородна в горизонтальном направлении, причем
это наиболее выражено в тропосфере. Могут существовать, по горизонтали
соседствуя друг с другом, большие участки тропосферы с различными физическими
свойствами (температурой, влажностью). Они могут быть огромны по размерам,
соизмеримы с целыми континентами или морями. Это — воздушные массы.
Переходная зона между разнородными воздушными массами называется атмосферным
фронтом. При движении воздушных масс на фронтах образуются и развиваются
гигантские вихри — циклоны и антициклоны.
Воздушные массы находятся в постоянном движении,
первопричиной которого является неравномерное распределение лучистой энергии,
приходящей от Солнца, неоднородность земной поверхности (океаны, континенты)
и др. Циркуляция атмосферы приводит к постоянному изменению погоды, т. е.
совокупности таких элементов, как ветер, видимость, температура, осадки и др.
Вместе с тем в общей (глобальной) циркуляции атмосферы усматриваются
некоторая система, определенные общие черты. Это обусловливает относительное
постоянство климата обширных районов (климатических поясов).
Тепловые процессы в атмосфере. Атмосфера и Мировой океан
получают энергию от Солнца (солнечная радиация). Около 5% энергии приходится
на ультрафиолетовую часть спектра, 52% — на видимую и 43 % - на инфракрасную.
Энергия корпускулярных потоков в миллионы раз меньше, чем волнового
излучения, однако под их действием ионизируются верхние слои атмосферы
(высота около 90 км), что приводит к магнитным бурям и изменению условий
распространения радиоволн.
Атмосфера ослабляет солнечную радиацию. Степень ослабления
зависит от прозрачности атмосферы и от длины пути, проходимого солнечными
лучами. Так, от Солнца, наблюдаемого в зените, проходит в 34 раза больше
радиации, чем в моменты восхода или захода. Лучистая энергия частично
поглощается атмосферой, причем наибольшую роль в этом играют озон, водяной
пар и углекислый газ. Озон поглощает почти всю ультрафиолетовую часть
спектра, а водяной пар и угле- 142 кислый газ — значительную часть
инфракрасных лучей (17-25%). Второй причиной ослабления солнечной радиации
является рассеяние энергии солнечных лучей в атмосфере, так как она является,
строго говоря, оптически неоднородной средой, в которой перемешаны объемы
воздуха различной плотности, влажности, запыленности и т. п.
В результате к земной поверхности приходит 1,5—1,6 кал/
(см2 -мин) так называемой прямой радиации. К ней добавляется рассеянная
радиация (максимум 25% от прямой). Часть проникшей до поверхности Земли
солнечной радиации поглощается ею, а часть отражается в сторону атмосферы.
Длительными наблюдениями установлено, что средняя •
температура поверхности Земли и атмосферы от года к году практически не
меняется, т. е. имеет место нулевой тепловой баланс. Это обстоятельство
объясняется обратным излучением атмосферы и подстилающей поверхности в
космическое пространство.
Температура воздуха у земной поверхности в общем
понижается с увеличением географической широты (северной или южной), причем
изотермы не совпадают с параллелями, образуя извилистые кривые линии. Причины
этого — неравномерное распределение суши и воды на земном шаре, а также
действие теплых и холодных океанических течений. Местное влияние оказывают
горные хребты, препятствующие движению воздушных масс. В среднем северное
полушарие из-за преобладания в нем суши теплее, чем южное (среднегодовые
температуры + 15,2 °С и 13,2 °С). Самые высокие температуры летом и самые
низкие Зимой наблюдаются над материками. Наибольшие значения: Оймякон — 71
°С, станция "Восток" в Антарктиде — 88 °С, Ливан, Южный Иран + 58
0С. В океане изменения температур в течение года незначительны.
Облака, туманы, атмосферные осадки. В природе постоянно
происходит кругооборот воды. В результате испарения с поверхности суши и
океанов поднимается водяной пар. Под действием ветра, явлений конвекции и
турбулентности он разносится по всей толще тропосферы. Конденсируясь, вода
выпадает обратно в виде осадков. Объемы этого водооборота огромны, порядка
10' 3 т.
Облака представляют собой взвешенные в атмосфере капли
воды или кристаллы льда. Облачность в значительной мере характеризует
состояние погоды. Из облаков выпадают осадки, днем они уменьшают приток
солнечной радиации, а ночью ослабляют охлаждение земной поверхности. При
пасмурном небе невозможны астрономические наблюдения для определения
координат судна и проверки поправок курсо- указателей, ухудшается
освещенность, что затрудняет визуальное наблюдение, особенно в сумерки и
ночью.
В наиболее общем смысле облака делят на внутримассовые и
фронтальные в зависимости от того, где они образовались - внутри воздушных
масс или на атмосферных фронтах.
На судах для наблюдения за облачностью' пользуются
"Сокращенным атласом облаков для судовых гидрометеорологических
наблюдений". Наблюдения состоят в определении общего количества облаков
(в баллах) и отдельно количества облаков нижнего яруса и высоты их нижней
границы. Баллы облачности определяют по площади неба, покрытой облаками (0 -
чистое небо, 10 — все небо покрыто облаками) . Информация об облачности очень
важна для прогнозирования погоды. В настоящее время этому помогают наблюдения
с метеорологических спутников, дающие наглядную картину глобального
распределения облачности.
Туманы охлаждения возникают в теплых воздушных массах при
их натекании на более холодную поверхность либо вследствие выхолаживания
подстилающей поверхности путем излучения.
Туманы испарения (парение моря) наблюдаются в районах, где
температура воды намного выше температуры воздуха. Такие туманы возникают в
холодные сезоны года либо в местах встречи теплого и холодного морских
течений. Более характерно образование туманов в морях умеренной и полярной
климатической зон обоих полушарий.
|