Учение об атмосфере

Приборы для измерения влажности. Психрометр состоит из двух расположенных рядом термометров: сухого, измеряющего температуру воздуха, и смоченного, резервуар которого обернут тканью (батистом), увлажненной дистиллированной водой. Воздух обтекает оба термометра. Из-за испарения воды с ткани смоченный термометр обычно показывает более низкую температуру, чем сухой. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний термометров. На основе этих показаний при помощи специальных таблиц и определяется относительная влажность.

Волосной гигрометр измеряет относительную влажность на основании изменений длины человеческого волоса. Для удаления натуральных жиров волос сначала вымачивают в этиловом спирте, а затем промывают в дистиллированной воде. Длина подготовленного таким образом волоса имеет почти логарифмическую зависимость от относительной влажности в диапазоне от 20 до 100%. Время, необходимое для реакции волоса на изменение влажности, зависит от температуры воздуха (чем ниже температура, тем оно больше). В волосном гигрометре при увеличении или уменьшении длины волоса специальный механизм передвигает указатель по шкале. Такие гигрометры обычно используют для измерения относительной влажности в помещениях.

Электролитические гигрометры. Чувствительным элементом этих гигрометров служит стеклянная или пластмассовая пластинка, покрытая углеродом или хлоридом лития, сопротивление которых меняется в зависимости от относительной влажности. Такие элементы обычно используются в комплектах приборов для метеорологических шаров-зондов. При прохождении зонда сквозь облако прибор увлажняется, а его показания в течение довольно длительного времени (пока зонд не окажется за пределами облака и не высохнет чувствительный элемент) искажаются.

Приборы для измерения скорости ветра. Чашечные анемометры. Скорость ветра обычно измеряют при помощи чашечного анемометра. Этот прибор состоит из трех или более конусообразных чашек, вертикально прикрепленных к концам металлических стержней, которые радиально-симметрично отходят от вертикальной оси. Ветер действует с наибольшей силой на вогнутые поверхности чашек и заставляет ось поворачиваться. В некоторых типах чашечных анемометров свободному вращению чашек препятствует система пружин, по величине деформации которых и определяется скорость ветра.

В анемометрах со свободно вращающимися чашками скорость вращения, примерно пропорциональная скорости ветра, измеряется электрическим счетчиком, который сигнализирует, когда определенный объем воздуха обтекает анемометр. Электрический сигнал включает световой сигнал и записывающее устройство на метеостанции. Часто чашечный анемометр механически соединяют с магнето, и напряжение или частоту генерируемого электрического тока соотносят со скоростью ветра.

Анемометр с мельничной вертушкой состоит из трех- четырехлопастного пластмассового винта, укрепленного на оси магнето. Винт при помощи флюгера, внутри которого размещено магнето, постоянно направляется против ветра. Сведения о направлении ветра поступают по телеметрическим каналам на наблюдательную станцию. Электрический ток, вырабатываемый магнето, изменяется в прямой зависимости от скорости ветра.

Шкала Бофорта. Скорость ветра оценивается визуально по его воздействию на окружающие наблюдателя предметы. В 1805гФрэнсис Бофорт, моряк британского флота, для характеристики силы ветра на море разработал 12-балльную шкалу. В 1926г к ней были добавлены оценки скорости ветра на суше. В 1955г, чтобы различать ураганные ветры разной силы, шкала была расширена до 17 баллов. Современный вариант шкалы Бофорта (табл. 6) позволяет оценивать скорость ветра без использования каких-либо приборов.

Таблица 6 - Шкала бофорта для определения силы ветра

Баллы	Визуальные признаки на суше	Скорость ветра, км/ч	Термины, определяющие силу ветра
0	Спокойно; дым поднимается вертикально	Менее 1,6	Штиль
1	Направление ветра заметно по отклонению дыма, но не по флюгеру	1,6-4,8	Тихий
2	Ветер ощущается кожей лица; шелестят листья; поворачиваются обычные флюгеры	6,4-11,2	Легкий
3	Листья и мелкие веточки находятся в постоянном движении; развеваются легкие флаги	12,8-19,2	Слабый
4	Ветер поднимает пыль и бумажки; раскачиваются тонкие ветви	20,8-28,8	Умеренный
5	Качаются покрытые листвой деревья; появляется рябь на водоемах суши	30,4-38,4	Свежий
6	Качаются толстые ветви; слышен свист ветра в электропроводах; трудно удерживать зонт	40,0-49,6	Сильный
7	Качаются стволы деревьев; трудно идти против ветра	51,2-60,8	Крепкий
8	Ломаются ветви деревьев; практически невозможно идти против ветра	62,4-73,6	Очень крепкий
9	Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу с крыш	75,2-86,4	Шторм
10	На суше бывает редко. Деревья выворачиваются с корнями. Значительные разрушения строений	88,0-100,8	Сильный шторм
11	На суше бывает очень редко. Сопровождается разрушениями на большом пространстве	102,4-115,2	Жестокий шторм
12	Сильные разрушения (Баллы 13-17 были добавлены Бюро погоды США в 1955 и применяются в шкалах США и Великобритании)	116,8-131,2	Ураган
13		132,8-147,2
14		148,8-164,8
15		166,4-182,4
16		184,0-200,0
17		201,6-217,6

Приборы для измерения осадков. Атмосферные осадки состоят из частиц воды как в жидком, так и твердом виде, которые поступают из атмосферы на земную поверхность. В стандартных незаписывающих осадкомерах приемная воронка вставлена в измерительный цилиндр. Соотношение площади верхней части воронки и поперечного сечения мерного цилиндра 10:1, т.е. 25 мм выпавших осадков будут соответствовать в цилиндре отметке 250 мм.

Записывающие осадкомеры - плювиографы - автоматически взвешивают собранную воду или подсчитывают, сколько раз маленький измерительный сосуд наполнится дождевой водой и автоматически опорожнится. Если ожидается выпадение осадков в виде снега, воронка и измерительный стакан убираются, а снег собирается в осадкомерное ведро. Когда снег сопровождается умеренным или сильным ветром, количество снега, попадающее в сосуд, не соответствует действительному количеству осадков. Высота снежного покрова определяется измерением мощности слоя снега в пределах типичной для данного района территории, причем берется среднее значение по меньшей мере трех измерений. Для установления водного эквивалента на участках, где воздействие метелевого переноса минимально, в толщу снега погружают цилиндр и вырезают столбик снега, который растапливают или взвешивают. Количество осадков, измеряемое осадкомером, зависит от его расположения. Турбулентность воздушного потока, вызванная самим прибором или окружающими его препятствиями, приводит к занижению количества попадающих в измерительный стакан осадков. Поэтому осадкомер устанавливается на ровной поверхности как можно дальше от деревьев и других препятствий. Для снижения воздействия вихрей, создаваемых самим прибором, используется защитный экран.

Аэрологические наблюдения

Приборы для измерения высоты облаков. Простейший способ определения высоты облака состоит в измерении времени, которое требуется небольшому воздушному шару, отпущенному с поверхности земли, для достижения основания облака. Высота его равна произведению средней скорости подъема воздушного шара на время полета. Другой способ заключается в наблюдении пятна света, образованного на основании облака направленным вертикально вверх лучом прожектора. С расстояния ок. 300 м от прожектора измеряется угол между направлением на это пятно и лучом прожектора. Высота облака рассчитывается методом триангуляции подобно тому, как измеряются расстояния при топографической съемке. Предложенная система может работать автоматически днем и ночью. Для наблюдения за пятном света на основаниях облаков применяется фотоэлемент. Высота облачности измеряется также при помощи радиоволн - посылаемых радиолокатором импульсов длиной 0,86 см. Высота облака определяется по времени, которое требуется радиоимпульсу для достижения облака и возвращения назад. Поскольку облака частично проницаемы для радиоволн, этот метод применяется для определения высоты слоев при многослойной облачности.

Метеорологические шары-зонды. Простейший тип метеорологического воздушного шара - т.н. шар-пилот - это небольшой резиновый шар, наполненный водородом или гелием. Путем оптических наблюдений за изменениями азимута и высотой полета шара и предполагая, что скорость его подъема постоянна, можно рассчитать скорость и направление ветра как функцию высоты над земной поверхностью. Для ночных наблюдений к шару прикрепляется небольшой фонарь, работающий на батарейках.

Метеорологический радиозонд - это резиновый шар, несущий радиопередатчик, терморезисторный термометр, барометр-анероид и электролитический гигрометр. Радиозонд поднимается со скоростью ок. 300 м/мин до высоты ок. 30 км. По мере подъема данные измерений постоянно передаются на станцию запуска. Направленная принимающая антенна на Земле прослеживает азимут и высоту радиозонда, по которым рассчитываются скорость и направление ветра на различных высотах так же, как при шар-пилотных наблюдениях. Радиозонды и шары-пилоты запускаются из сотен пунктов по всему миру дважды в сутки - в полдень и в полночь по Гринвичскому среднему времени.

Спутники. Для дневных съемок облачного покрова освещение обеспечивается солнечным светом, в то время как инфракрасное излучение, испускаемое всеми телами, позволяет вести съемки и днем и ночью специальной инфракрасной камерой. Используя фотографии в разных диапазонах инфракрасного излучения, можно даже рассчитать температуру отдельных слоев атмосферы. Спутниковые наблюдения имеют высокую плановую разрешающую способность, однако их вертикальное разрешение намного ниже обеспечиваемого радиозондами. Некоторые спутники, как, например, американский TIROS, выведены на круговую полярную орбиту на высоте ок. 1000 км. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, с такого спутника каждая точка земной поверхности видна обычно дважды в сутки. Еще большее значение имеют т.н. геостационарные спутники, которые вращаются над экватором на высоте ок. 36 тыс. км. Такому спутнику требуется 24 ч для полного оборота. Поскольку это время равняется продолжительности суток, спутник остается над одной и той же точкой экватора, и с него открывается постоянный вид на земную поверхность. Таким образом, геостационарный спутник может повторно фотографировать одну и ту же территорию, фиксируя изменения погоды. Кроме того, по движению облаков могут быть рассчитаны скорости ветра.

Метеорологические радиолокаторы. Сигнал, посылаемый радиолокатором, отражается дождем, снегом или температурной инверсией, и этот отраженный сигнал поступает на принимающее устройство. Облака обычно не видны на экране радиолокатора, так как образующие их капельки слишком малы, чтобы эффективно отражать радиосигнал. К середине 1990-х годов Национальная метеорологическая служба США была переоснащена радиолокаторами с эффектом Доплера (см. также ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ; РАДИОЛОКАЦИЯ). В установках такого типа для измерения скорости приближения отражающих частиц к радиолокатору или удаления от него используется принцип т.н. доплеровского смещения. Поэтому эти радиолокаторы могут применяться для измерения скорости ветра. Особенно они полезны для обнаружения смерчей, поскольку ветер по одну сторону смерча быстро несется навстречу радиолокатору, а по другую - стремительно от него удаляется. Современные радиолокаторы могут обнаруживать метеорологические объекты на расстоянии до 225 км.



Литература

1.Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л., 1977.

2. Монин А.С. Введение в теорию климата. Л., 1982.

3. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л., 1984

4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М., 1994



Методические рекомендации студентам по самостоятельной работе и изучению дисциплины (раздела, темы).

Общие рекомендации.

Самостоятельная работа содержит необходимый минимум задач, выполняя которые студент закрепляет полученные теоретические знания, осваивает тематические карты. При работе с литературными источниками, студент развивает навыки анализа. Кроме этого анализируя тематические карты студенты учатся анализировать, системазировать полученные данные, знания. Так же студент вырабатывает навыки правильного выбора литературных источников для самостоятельной работы.

Методические материалы для самоконтроля и систематического контроля преподавателем результативности изучения дисциплины.

Данный раздел состоит из следующих подразделов:

Вопросы по темам для самоконтроля студентов;

Тестовые вопросы для контроля результативности изучения дисциплины подготовки студентами;



Вопросы для самоконтроля студентов

Тема 1. Введение. Метеорология и климатология.

Атмосфера. Погода и климат.

Связь атмосферы с Солнцем и земной поверхностью.

Теплооборот, влагооборот, атмосферная циркуляция.

Метеорологические наблюдения. Длительность и непрерывность.

Программа наблюдений на метеостанциях.

Метеорологические приборы.

Развитие метеорологической сети.

Метеослужба. ВМС, ВСП.

Из истории метеорологии и климатологии.

Тема 2. Воздух и атмосфера.

Состав сухого воздуха у земной поверхности.

Водяной пар в воздухе.

Давление водяного пара и относительная влажность.

Изменение состава воздуха с высотой.

Распределение озона в атмосфере.

Жидкие и твердые примеси в воздухе.

Дымка, облака, туманы.

Ионы в атмосфере. Электрическое поле атмосферы.

Общая масса атмосферы.

Адиабатические изменения состояния в атмосфере.

Ветер и турбулентность.

Слои атмосферы. Воздушные массы и фронты.

Тема 3. Радиация в атмосфере.

О радиации вообще. Виды радиации.

Лучистое и тепловое равновесие Земли.

Солнечная постоянная и общий приток солнечной радиации к Земле.

Явления, связанные с рассеянной радиацией. Сумерки и заря. Видимость.

Альбедо Земли.

Встречное и эффективное излучение.

Радиационный баланс земной поверхности.

Методы измерения радиации.

Распределение радиации «на границе атмосферы».

Тема 4. Тепловой режим атмосферы.

Причины изменений температуры воздуха.

Тепловой баланс земной поверхности.

Различия в тепловом режиме почв и водоемов.

Суточный и годовой ход температуры на поверхности почвы.

Температура воздушных масс.

Стратификация воздушных масс.

Конвекция и инверсия.

Тепловой баланс системы Земля-атмосфера.

Тема 5. Вода в атмосфере.

Испарение и насыщение. Скорость испарения.

Характеристики влажности.

Конденсация в атмосфере. Ядра конденсация.

Облака. Микроструктура облаков. Туманы.

Международная классификация облаков.

Световые явления в облаках.

Облачность, ее суточный и годовой ход.

Характеристика режима осадков.

Водный баланс на земном шаре.

Внешний и внутренний влагооборот.

Снежный покров, его климатическое значение. Снеговая линия.

Тема 6. Барическое поле и ветер.

Барическое поле и ветер. Карты барической топографии. Изобары.

Барические системы. Колебания давления.

Области изменения давления. Годовой ход давления.

Месячные и годовые аномалии давления.

Скорость и направление ветра, порывистость ветра.

Градиентный ветер.

Градиентный ветер в циклоне и антициклоне.

Термический ветер. Сила трения.

Фронты в атмосфере, типы фронтов, фронт и струйное течение.

Тема 7. Атмосферная циркуляция.

Общая атмосферная циркуляция.

Зоны давления и ветра в верхней тропосфере и стратосфере.

Зона давления и ветра у земной поверхности.

Пассаты, погода в пассатах, антипассаты.

Муссоны, тропические муссоны, тропические циклоны и погода в них.

Внетропическая циркуляция. Антициклоны.

Местные ветры: бризы, фены, горно-долинные, ледниковые, бора, шквал.

Маломасштабные вихри.

Служба погоды. Синоптический анализ и прогноз.

Тема 8. Климатообразование.

Климатообразующие процессы. Географические факторы климата.

Географическая широта.

Высота над уровнем моря. Распределение суши и моря.

Орография. Океанские течения.

Растительный и снежный покров. Деятельность человека.

Микроклимат. Микроклимат пересеченной местности.

Микроклимат леса и города.

Методы исследования микроклимата.

Температура в приземном слое воздуха.

Туманы и смоги.

Тема 9. Классификация климатов. Климаты Земли.

Классификация климатов Кеппена.

Классификация климатов Алисова.

Экваториальный климат. Климат тропических муссонов (субэкваториальный).

Муссонный и пассатный климат.

Субтропический климат и климат тропических пустынь.

Средиземноморский климат. Муссонный климат.

Климат умеренных широт. Климат горных районов.

Климат западных частей материков в умеренных широтах.

Климат океанов в умеренных широтах. Субполярный климат.

Климат Арктики. Климат Антарктиды.

Тема 10. Изменения климата.

Изменения климата в геологическом прошлом.

Причины изменения климата.

Современное потепление.

Причины современных колебаний климата.

О возможности улучшения климата.



Глоссарий

атмосфера пар влажность испарение

Атмосфера -воздушная оболочка Земли, самая внешняя земная оболочка, находящаяся в непрерывном взаимодействии с остальными оболочками нашей планеты и постоянно испытывающая влияние Космоса, и прежде всего влияние Солнца.

Абсолютная влажность - содержание в атмосфере водяного пара в граммах на 1 м3 воздуха («а» г/м3).

Адиабатическими процессами в газах, в том числе и в воздухе, называют изменения температуры и давления газа, происходящего без обмена теплом с окружающей средой.

Барическое поле - распределение атмосферного давления.

Барические системы- области пониженного и повышенного давления, на которые постоянно расчленяется барическое поле атмосферы, называют. Барические системы основных типов -- циклон и антициклон -- на приземных синоптических картах обрисовываются замкнутыми концентрическими изобарами неправильной, в общем округлой или овальной формы.

Бризами называют ветры у береговой линии морей и больших озер, имеющие резкую суточную смену направления. Днем морской бриз дует в нескольких нижних сотнях метров (иногда в слое более километра) в направлении на берег, а ночью береговой бриз дует с берега на море.

Борой называется сильный холодный и порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря.

Влагооборот-постоянный оборот воды на земном шаре. Большую часть земной поверхности занимает Мировой океан и с ее поверхности происходит испарение воды. Пар поднимаясь вверх конденсируется (сгущается), в результате чего возникают облака и туманы, из облаков при понижении температуры выпадают осадки, падая на земную поверхность, они возвращаются поверхностным и подземным стоком в океан и процесс возобновляется.

Ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12м над земной поверхностью. Измеряется его скорость и определяется направление, откуда он дует.

Горно-долинные ветры - ветры с суточной периодичностью, днем долинный ветер дует из горла долины вверх по долине, а также вверх по горным склонам. Ночью горный ветер дует вниз по склонам и вниз по долине, в сторону равнины.

Геопотенциалом (абсолютным) называется потенциальная энергия единицы массы в поле силы тяжести. Иначе говоря, геопотенциал изобарической поверхности в каждой ее точке есть работа, которую нужно затратить против силы тяжести, чтобы поднять единицу массы от уровня моря в данную точку.

Гребень - представляет собой полосу повышенного давления между двумя областями пониженного давления. Изобары в гребне либо напоминают параллельные прямые, либо имеют форму латинской буквы U.

Длительность и непрерывность наблюдений -при изучении климата необходимо иметь многолетние ряды систематических наблюдений. Чтобы станции не меняли своего местоположения, перенос станции в другое место обрывает многолетний ряд наблюдений и нарушает его однородность.

Зондирование, т.е. наблюдения над ветром в свободной атмосфере с помощью шаров - пилотов.

Ионы-электрические заряды молекул атмосферных газов.

Климатология - это наука о климате, т.е. о совокупности атмосферных условий, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки.

Климат - это совокупность атмосферных условий присущей данной местности в зависимости от ее географической обстановки.

Корпускулярная радиация-это потоки электрически заряженных элементарных частиц вещества, преимущественно протонов и электронов, движущихся со скоростями в сотни км/с, но далекими от скорости света.

Квазигеострофические течения общей циркуляции в большей части атмосферы являются достаточно приближенному к геострофическому ветру, т.е. малокриволинейны, мало подвержены трению и связаны с распределением давления таким образом, что направлены почти по изобарам.

Ложбина -- это полоса пониженного давления между двумя областями повышенного давления. Изобары в ней либо близки к параллельным прямым, либо имеют вид латинской буквы V

Ледниковый ветер -- ветер, дующий вниз по леднику в горах. Этот ветер не имеет суточной периодичности, так как температура поверхности ледника круглые сутки производит на воздух охлаждающее действие.

Метеорологией называется наука об атмосфере - воздушной оболочке Земли, самой внешней земной оболочке, находящейся в непрерывном взаимодействии с остальными оболочками нашей планеты и постоянно испытывающая влияние Космоса, и прежде всего влияние Солнца.

Метеорологические наблюдения - это измерения и качественные оценки метеорологических величин, к которым относятся температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, облака, количество осадков, поток тепла и др. К ним относятся величины, непосредственно не отражающие свойства атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанные с ними. Таковы температура почвы или поверхности слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния и тд.

Мезосфера-слой атмосферы простирается до высоты 80км., характеризуется значительным падением температуры с высотой: от 0гр. на нижней границе до -75гр и ниже на высоте 75-80км.

Отраженной радиацией называется часть солнечной радиации, отражающаяся от земной поверхности и атмосферы (в основном от облаков).

Облачность-степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, скорость и направление движения облаков.

Погода - состояние атмосферы у земной поверхности, а также более высоких слоях в данный момент и в данной местности.

Прямая радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей.

Поток радиации - это количество лучистой энергии, которое поступает в единицу времени на единицу поверхности, выражается в Вт/м в квадрате, раньше в кал/(мин*см2).

Плотностью потока прямой радиации называется количество прямой радиации, приходящей в единицу времени на единицу поверхности, перпендикулярной солнечным лучам.

Рассеянной радиацией называется часть солнечной радиации, рассеивающаяся молекулами атмосферных газов и аэрозолями и поступающая к земной поверхности. Солнечная постоянная - поток солнечной радиации перед вступлением ее в земную атмосферу (или «на верхней границе атмосферы») при среднем расстоянии Земли от Солнца.

Сумерки - явление неполной темноты называется, причина-освещение солнцем, находящимся под горизонтом, высоких слоев атмосферы.

Теплооборот- процесс, создающий тепловой режим атмосферы состоит в следующем: сквозь атмосферу проходит поток5 солнечной радиации, атмосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту, частично рассеивает их, изменяя по качеству (в спектральному составу; частично лучи отражаются назад облаками атмосферным воздухом и примесями.

Туман-скопление продуктов конденсации и сублимации у земной поверхности.

Уходящее излучение атмосферы - часть же атмосферного излучения, направленная вверх и прошедшая через всю толщу атмосферы, уходит в мировое пространство

Характер подстилающей поверхности (суша, вода. ледники. снежники, почвенно-растительный покров) влияет на передачу атмосфере солнечного тепла, влаги влияет на движение воздуха.

Циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений на Земле. Волновые движения различного масштаба - циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему особенно сложной.

Эксперименты метеорологические относятся, например, опыты осаждения облаков и рассеяния туманов путем различных физико-химических воздействий на них.

Электрические заряды - атмосфера в основном положительно заряжена (но есть и отрицательные заряды.

Размещено на Allbest.ru

...