На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


Шпаргалка Структура солнечной системы и ее размеры. Этапы развития метеонаблюдений. Атмосфера, ее состав, строение и граница. Лучистая энергия Солнца. Климатические пояса и области материков. Международная классификация облаков. Скорость и направление ветра.

Информация:

Тип работы: Шпаргалка. Предмет: География. Добавлен: 30.08.2009. Сдан: 2009. Уникальность по antiplagiat.ru: --.

Описание (план):


93
1. Строение солнечной системы

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА, система космических тел, включающая, помимо центрального светила -- Солнца -- девять больших планет, их спутники, множество малых планет, кометы, мелкие метеорные тела и космическую пыль, движущиеся в области преобладающего гравитационного действия Солнца. Образовалась Солнечная система около 4,6 млрд. лет назад из холодного газопылевого облака. В настоящее время с помощью современных телескопов (в частности космического телескопа им. Хаббла) астрономы обнаружили несколько звезд с подобными протопланетными туманностями, что подтверждает эту космогоническую гипотезу.
Общая структура Солнечной системы была раскрыта в середине 16 в. Н. Коперником, который обосновал представление о движении планет вокруг Солнца. Такая модель Солнечной системы получила название гелиоцентрической. В 17 в. И. Кеплер открыл законы движения планет, а И. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. Изучение физических характеристик космических тел, входящих в состав Солнечной системы, стало возможным только после изобретения Г. Галилеем в 1609 телескопа. Так, наблюдая солнечные пятна, Галилей впервые обнаружил вращение Солнца вокруг своей оси.
Размеры и строение Солнечной системы
Наблюдаемые размеры Солнечной системы определяются расстоянием от Солнца до самой далекой от него планеты -- Плутона.Однако сфера, в пределах которой возможно устойчивое движение небесных тел вокруг Солнца, занимает гораздо более обширную область пространства, простирающуюся на расстояние порядка 230 000 а. е. и смыкающуюся со сферами влияния ближайших к Солнцу звезд.
Большие планеты, движущиеся вокруг Солнца, образуют плоскую подсистему и разделяются на две заметно различающиеся группы. В одну из них, внутреннюю (или земную), входят Меркурий , Венера , Земля и Марс. К внешней группе, которую составляют планеты-гиганты, относятся Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун. Девятую планету, Плутон, обычно рассматривают обособленно, так как по своим физическим характеристикам она заметно отличается от планет внешней группы.
В центральном теле системы -- Солнце -- сосредоточено 99,866% всей ее массы, если не учитывать космическую пыль в пределах Солнечной системы, общая масса которой сравнима с массой Солнца. Солнце на 76% состоит из водорода; гелия примерно в 3,4 раза меньше, а на долю всех остальных элементов приходится около 0,75% всей массы. Похожий химический состав имеют и планеты-гиганты. Планеты земной группы по химическому составу близки к Земле.
2. Изучение атмосферы. Основные этапы развития метеонаблюдений

1) МЕТЕОРОЛОГИЯ ДРЕВНЕГО МИРА
В области метеорологии первая закономерность, которая была известна, конечно, с незапамятных времен, был годовой цикл погоды. Сказания древних славян не раз упоминали о постоянной борьбе доброго и злого начала, лета и зимы, света и тьмы, Белобога с Чернобогом. Этот мотив нередко встречается и в преданиях других народов.
Упоминание о годовом цикле погоды сыграло особую роль в создании первых метеорологических записей древности.
Уже со времен астронома Метона (около 433 г. до н.э.) в греческих городах выставлялись в общественных местах календари с записями о явлениях погоды, сделанных в предыдущие годы. Эти календари назывались парапегмами. Некоторые из этих парапегм дошли до нас, например в трудах известного александрийского астронома Клавдия Птоломея (род. примерно в 150 г. до н.э.), римского землевладельца Колумеллы и других писателей древности. В них мы находим большей частью данные о ветрах, осадках, холодах и о некоторых фенологических явлениях.
Метеорологические наблюдения древних народов и их наследников греков привели их к изучению и физических закономерностей природы. Тепло и холод, свет и тьма, их регулярная смена и взаимная зависимость были первыми физическими понятиями древности. В течение веков физика не была отделена от метеорологии.
Первая книга об атмосферных явлениях была написана одним из самых крупных ученых античной Греции Аристотелем (384 - 322 гг. до н.э.) под названием «Метеорология». Она трактовала о явлениях, происходящих, по мнению автора, в верхних слоях атмосферы (кометах, падающих звездах и пр.), а также о гидрометеорах. Верхние слои , как полагал Аристотель, являлись сухими и горячими, в отличие от влажных нижних слоев.
Вторая книга была посвящена морю, снова ветрам, землетрясениям, молнии и грому. Третья -описывала бури и вихри, а также световые явления в атмосфере. Четвертая книга была посвящена «Теории четырех стихий». Содержание «Метеорологии» показывает, что греки времен Аристотеля были знакомы со многими важнейшими метеорологическими явлениями. Они были столь наблюдательны, что имели ясное представление даже о северных сияниях. Аристотель знал, что град образуется чаще весной, чем летом, и чаще осенью, чем зимой, что, например, в Аравии и Эфиопии дожди выпадают летом, а не зимой (как в Греции), что «молния кажется опережающей гром, потому что зрение опережает слух», что цвета радуги всегда одни и те же что и во внешней, более слабой радуге, они расположены в_обратном порядке, что роса образуется при слабом ветре и т.д.
2) МЕТЕОРЛОГИЯ СРЕДНИХ ВЕКОВ
Пышным цветом расцвело в средние века особое «учение», ныне уже основательно забытое, -астрометеорология. Это был раздел астрологии, очень популярной тогда. Астрологией называлось фантастическое учение о «предсказании» событий в жизни человека и природных явлений по движению планет среди звезд. Раздел этой «науки», называвшийся «натуральной астрологией», или астрометеорологией, занимался специально предсказанием погоды наряду с другими явлениями природы.
Господство астрологии, в том числе в области предсказания погоды, продолжалось очень долго, до начала XVII в.
Для экспериментальной науки первой половины XVII в., в том числе и для метеорологии, более всего сделал Галилей. Создание термометра, барометра, дождемера заложило фундамент всей современной метеорологии.
Другие страны тоже внесли большой вклад в метеорологию того времени; достаточно вспомнить Ф. Бэкона, Э. Мариотта, Р. Бойля, Хр. Гюйгенса, О. Герике - целый ряд выдающихся мыслителей.
3) МЕТЕОРОЛОГИЯ В РОССИИ
Эпоху в истории климатологии составило изобретение термометра и барометра (XVI, XVII вв.), но лишь с XVIII в. метеорологические наблюдения приобрели более или менее научный характер. ряд инструментальных метеорологических наблюдений в России был начат в Петербурге в 1725 г. академиками Академии наук. XVIII в. был веком крупнейших географических открытий, которые оказали большое влияние и на развитие климатологии, так как дали большой материал для изучения климата: По инициативе Петра I была начата первая инструментальная съемка страны. В 1725 г. он же собственноручно написал предписание Берингу построить на Камчатке суда, плыть на них на север вдоль земли и „искать, где оная сошлась с Америкой". Этот вопрос интересовал Петра с точки зрения возможности найти путь через Ледовитый океан в Китай и Индию. Две экспедиции Беринга, продолжавшиеся с 1725 по 1743г.; ознаменованы рядом крупнейших открытий и научных исследований, давших богатый географический, картографический и гидрографический материал. В числе участников этих экспедиций были естествоиспытатель Гмелин и астроном Делиль. Они организовали метеорологические станции в Казани, Екатерин-бурге (ныне Свердловск), Тобольске, Енисейске, Томске, Туруханске, Иркутске, Якутске, Селенгинске, Нерчинске. Ряды наблюдений на этих станциях, хотя и не были непрерывными со времени их организации, все же являются одними из наиболее длинных рядов наблю-дений и еще в XVIII в. позволили получить представление о климате громадной территории, совершенно до тех пор неисследованной. Наблюдения велись по инструкции, которая устанавливала их сроки, а также метеорологические элементы и явления, подлежащие наблюдению. Наблюдения производились до 1749 г., и материалы многих из них напечатаны Академией наук.
Сопоставляя серьезную подготовку, целеустремленность и размах указанных выше работ в России с состоянием метеорологических наблюдений в то время в других странах и учитывая исключительные трудности организации метеорологической сети в Сибири, следует признать, что ничего подобного в других странах не было. Скоро, однако, ученые стали понимать, что для развития метеорологии и климатологии существенно важным является сопоставление данных о погоде различных пунктов между собой. Гениальный русский ученый М. В. Ломоносов раньше всех оценил значение такого сопоставления.
Работы М. В. Ломоносова показывают, как высоко оценивал он ту пользу, которую может принести человечеству знание метеорологии.
М. В. Ломоносов считал метеорологию самостоятельной наукой, главной задачей которой было "предзнание погоды". Было организовано по частной инициативе Маннгеймское метеорологическое общество, которое создало в Европе на добровольной основе сеть из 39 метеорологических станций (в том числе три в России - Санкт-Петербурге, Москве, Пышменский завод), укомплектованных единообразными и проградуированными приборами. Сеть функционировала 12 лет.
Гениальный Ломоносов указал в ту эпоху на целый ряд факторов и зависимостей, которые позднее легли в основу климатологической науки.
Таким образом, к концу XVIII в. старое представление о разнообразии климатов земли уже было подкреплено рядами инструментальных наблюдений, совершенно ясно определились важнейшие общие причины существования различных климатов, а также наметились и некоторые проблемы практической климатологии. Все это были зародыши идей, которым суждено было получить полное развитие в следующем веке, когда уже стало возможным использовать параллельные ряды наблюдений метеорологических станций для сравнения климатов.
4) ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УЧРЕЖДЕНИЙ
Крупным этапом в истории развития климатологии являлось возникновение центральных метеорологических учреждений, в обязанность которых входила организация сети метеорологических станций, снабжение их приборами и инструкциями для наблюдений, сбор, контроль и опубликование материалов этих наблюдении. Эти учреждения в большей или меньшей степени обеспечивали качество и сравнимость наблюдений, путем публикации материалов делали их доступными широкому кругу исследователей, что позволяло произвести крупные климатологические работы.
По мере накопления метеорологических наблюдений делались попытки охарактеризовать географическое распределение отдельных климатических показателей, прежде всего температуры и давления воздуха.
В середине XIX в. возникают государственные сети станций. А в начале века трудами А. Гумбольдта и Г. Дове в Германии закладываются основы климатологии.
5) МЕТЕОРОЛОГИЯ XX ВЕКА
Большое и постоянное внимание стало уделяться правильному размещению станций с тем, чтобы территория СССР была освещена полностью. Было организовано много полярных, морских, сельскохозяйственных, курортных, горных и других метеорологических станций и обсерваторий. С 1937 г. в Арктике на многолетних льдах стали создаваться дрейфующие станции. Наблюдения них имели большое значение в познании природных условий Полярного бассейна.
В 1956 г. рядом государств, в том числе и СССР были организованы -обширные метеорологические наблюдения на всем пространстве земного шара, включая и Антарктику, а также наблюдения в высоких слоях атмосферы. Эти наблюдения в период 1957--1958 гг. входили в программу Международного геофизического года, а затем продолжились в порядке международного геофизического сотрудничества. Они имели огромное значение в выяснении природы различных атмосферных явлений, в частности процессов, совершающихся в южном околополюсном районе, а также климатических условий Антарктики (работы Н. П. Русина и др.).
3.Развитие метеорологии в России и СССР.

Эпоху в истории климатологии составило изобретение термометра и барометра (XVI, XVII вв.), но лишь с XVIII в. метеорологические наблюдения приобрели более или менее научный характер. Наиболее длинный, почти непрерывный ряд инструментальных метеорологических наблюдений в России был начат в Петербурге в 1725 г. академиками только что созданной Петром I Академии наук. XVIII в. был веком крупнейших географических открытий, которые оказали большое влияние и на развитие климатологии, так как дали большой материал для изучения климата: По инициативе Петра I была начата первая инструментальная съемка страны. В числе участников этих экспедиций были естествоиспытатель Гмелин и астроном Делиль. Они организовали метеорологические станции в Казани, Екатеринбурге (ныне Свердловск), Тобольске, Енисейске, Томске, Туруханске, Иркутске, Якутске, Селенгинске, Нерчинске. Ряды наблюдений на этих станциях, хотя и не были непрерывными со времени их организации, все же являются одними из наиболее длинных рядов наблюдений и еще в XVIII в. позволили получить представление о климате громадной территории, совершенно до тех пор неисследованной. Скоро, однако, ученые стали понимать, что для развития метеорологии и климатологии существенно важным является сопоставление данных о погоде различных пунктов между собой. Гениальный русский ученый М. В. Ломоносов раньше всех оценил значение такого сопоставления.Работы М. В. Ломоносова показывают, как высоко оценивал он ту пользу, которую может принести человечеству знание метеорологии.М. В. Ломоносов считал метеорологию самостоятельной наукой, главной задачей которой было "предзнание погоды". Было организовано по частной инициативе Маннгеймское метеорологическое общество, которое создало в Европе на добровольной основе сеть из 39 метеорологических станций (в том числе три в России - Санкт-Петербурге, Москве, Пышменский завод), укомплектованных единообразными и проградуированными приборами. Сеть функционировала 12 лет. Гениальный Ломоносов указал в ту эпоху на целый ряд факторов и зависимостей, которые позднее легли в основу климатологической науки.Таким образом, к концу XVIII в. старое представление о разнообразии климатов земли уже было подкреплено рядами инструментальных наблюдений, совершенно ясно определились важнейшие общие причины существования различных климатов, а также наметились и некоторые проблемы практической климатологии. В Главной физической обсерватории был создан отдел климатологии, который приступил к работе по более полному изучению климата СССР и разработке различных теоретических вопросов и проблем по к Большое и постоянное внимание стало уделяться правильному размещению станций с тем, чтобы территория СССР была освещена полностью.В 1956 г. рядом государств, в том числе и СССР были организованы -обширные метеорологические наблюдения на всем пространстве земного шара, включая и Антарктику, а также наблюдения в высоких слоях атмосферы. Эти наблюдения в период 1957--1958 гг. входили в программу Международного геофизического года. Для изучения притока лучистой энергии Солнца в СССР было создано большое количество актинометрических станций. Центром работ по актинометрии являлась магнитная и метеорологическая обсерватория в Павловске (под Ленинградом). Разработкой актинометрических приборов, которыми затем были оснащены метеорологические станции, занимались С. И. Савинов, Н. Н. Калитии, Ю. Д. Янншевскнй и другие. В 1955 г. выпущен в свет Атлас теплового баланса, затем последовало издание Атласа теплового баланса земного шара. Главной геофизической обсерваторией совместно с Государственным гидрологическим институтом в 1974 г, был опубликован Атлас мирового водного баланса. Разработана классификация климата в связи с географической зональностью (М. И. Будыко, А. А. Григорьев). Большое значение имеет разработанная Б. П. Алисовым генетическая классификация климата, в основу которой положены происхождение воздушных масс и характер их циркуляции. С этой точки зрения им написаны работы по климату СССР и зарубежных стран. В области синоптической климатологии следует отметить работы Г. Я. Вангенгейма, Л. А. Вительса, Б. Л. Дзердзеев-ского, X. П. Догосяна, С. П. Хромова. В СССР в 40-х годах большое развитие получила еще одна Отрасль метеорологии - физика приземного слоя воздуха. Процессы, происходящие в этом слое, оказывают значительное влияние на условия формирования погоды, микроклимата и климата. В области этой науки и применения ее в климатологии важные результаты были получены М. И. Будыко, И. А. Гольцберг, Е. Н. Романовой, М. П. Тимофеевым, С. А. Сапожниковой. Бурный рост промышленности во второй половине 20-го века оказал неблагоприятное влияние на атмосферу. Огромное значение приобрели проблемы загрязнения атмосферы и распространения примесей как естественного, так и антропогенного происхождения. Потребовалось создание специальной службы загрязнений, под руководством Е. К. Федорова и Ю. А. Израэля. Развитие народного хозяйства привело к необходимости более тщательного учета свойств атмосферных процессов. Поэтому стали интенсивно развиваться многие отрасли прикладной климатологии, такие, как авиационная, медицинская, строительная и др. Во всем мире объем метеорологических исследований растет, накоплен большой опыт международного сотрудничества в проведении таких международных программ, как Программа исследования глобальных атмосферных процессов, и уникальных экспериментов, подобных Международному геофизическому году (1957-1958), Атлантическому тропическому эксперименту (1974) и т.д.
4.Метеостанции. Организация метеонаблюдений. Основные приборы для наблюдения
Крупным этапом в истории развития климатологии являлось возникновение центральных метеорологических учреждений, в обязанность которых входила организация сети метеорологических станций, снабжение их приборами и инструкциями для наблюдений, сбор, контроль и опубликование материалов этих наблюдении. В России в самом начале XIX в. передовые ученые пришли к мысли о необходимости организации центрального метеорологического учреждения. В 1810г. основатель Харьковского университета В. Н. Каразин изложил в докладе Московскому обществу любителей естество знания идею о необходимости централизованного руководства сетью метеорологических станций и научной обработки их наблюдений а в 1818г. предложил план организации Государственного метеорологического комитета, в который должны были поступать и там обрабатываться результаты наблюдений ряда метеорологических станций, находящихся в разных частях страны. Введение картографического метода в климатологию имело громадное значение, так как с его помощью могли быть выявлены основные закономерности в распределении метеорологических элементов. Так, например, карты распределения температуры и давления дали четкие указания о местоположении устойчивых областей повышенного и пониженного давления и выявили влияние распределения на земном шаре воды и суши на температуру и давление воздуха, зависимость температуры от высоты над уровнем моря и т. п. Следует также отметить исследования Северного Ледовитого океана А. Э. Норденшельдом и плодотворную идею ледового дрейфа, осуществленную Ф. Нансеном, а также Р. Амундсеном.Одной из первых работ по климатологии России является работа профессора физики Московского университета М. Ф. Спасского „О климате Москвы", опубликованная в 1847 г. Большое значение имел труд К. С. Веселовского «О климате России», выпущенный в свет в 1857 г. Это было первое климатологическое описание России. Огромную роль в развитии климатологии в России сыграла главная физическая (теперь геофизическая) обсерватория, основанная в Петербурге в 1849 г. Под ее руководством была создана широкая сеть метеорологических станций. Русская сеть метеорологических станций по качеству проводимых ею работ состояла на очень высоком научном уровне, по ее образцу строились сети станций в других странах. Данные многолетних наблюдений метеорологических станций, обработанные в обсерватории, впоследствии легли в основу многих климатологических трудов как по изучению отдельных элементов (температуры, осадков, облачности, ветров и т. д.), так и по общему описанию климатов России и СССР.Основоположником климатологии в России был гениальный географ и климатолог Александр Иванович Воейков (1842-- 1916 гг.). Он написал огромное количество работ по самым разнообразным вопросам климатологии. Неутомимая деятельность И. Воейкова прославила русскую климатологию. Его работы определяли уровень мировой науки о климате. Ценность работ Войкова заключается прежде всего в том,то в них все явления, происходящие в атмосфере, рассматривались в неразрывной связи с географической средой, впервые была раскрыта сущность процессов, создающих климат. Метеорологические приборы предназначены как для непосредственных срочных измерений (термометр или барометр для измерения температуры или давления), так и для непрерывной регистрации тех же элементов во времени, как правило, в виде графика или кривой (термограф, барограф). Термометры. Жидкостные стеклянные термометры. В метеорологических термометрах чаще всего используется способность жидкости, заключенной в стеклянную колбочку, к расширению и сжатию. Выбор жидкости для термометра зависит в основном от диапазона измеряемых температур. Ртуть используется для измерения температур выше -39° С - точки ее замерзания. Для более низких температур применяются жидкие органические соединения, например этиловый спирт. Минимальный термометр предназначен для определения самой низкой температуры за данные сутки. Для этих целей обычно используется стеклянный спиртовой термометр. Максимальный термометр используется для определения самой высокой температуры за данные сутки. Обычно это стеклянный ртутный термометр,похожий на медицинский. В стеклянной трубке вблизи резервуара имеется сужение. Биметаллический термометр состоит из двух тонких лент металла, например медной и железной, которые при нагревании расширяются в разной степени. Примерами биметаллическихтермометров являются комнатные термометры с круглым циферблатом. Электрические термометры. К таким термометрам относится устройство с полупроводниковым термоэлементом - терморезистор, или термистор.Барометры. Ртутный барометр - это стеклянная трубка длиной ок. 90 см, заполненная ртутью, запаянная с одного конца и опрокинутая в чашку со ртутью. Барометр-анероид состоит из запаянной коробки, из которой частично откачан воздух. Одна ее поверхность представляет собой эластичную мембрану.Если атмосферное давление увеличивается, мембрана прогибается внутрь, если уменьшается - выгибается наружу. Приборы для измерения влажности. Психрометр состоит из двух расположенных рядом термометров: сухого, измеряющего температуру воздуха, исмоченного, резервуар которого обернут тканью (батистом), увлажненной дистиллированной водой. Шкала Бофорта. Скорость ветра оценивается визуально по его воздействию на окружающие наблюдателя предметы. В 1805 Фрэнсис Бофорт, морякбританского флота, для характеристики силы ветра на море разработал 12-балльную шкалу. В 1955, чтобы различать ураганные ветры разной силы, шкала была расширена до 17 баллов. Приборы для измерения осадков. Атмосферные осадки состоят из частиц воды,которые поступают из атмосферы на земную поверхность.В стандартных незаписывающих осадкомерах приемная воронка вставлена в измерительный цилиндр. Записывающие осадкомеры - плювиографы -автоматически взвешивают собранную воду.
5. Атмосфера. Ее состав, строение и граница

Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частички. Общая масса последних незначительна в сравнении со всей массой атмосферы. Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, является влажным. Это значит, что в его состав, вместе с другими газами, входит водяной пар, т.е. вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха: у земной поверхности оно колеблется между сотыми долями процента и несколькими процентами. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У земной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оба эти газа входят в состав воздуха у земной поверхности в виде двухатомных молекул (N2 и О2).Оставшийся 1 % приходится почти целиком на аргон (Аr). Всего 0,08% остается на углекислый газ (СО2). Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллионных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др.Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно меняться может только содержание углекислого газа. В результате процессов дыхания и горения его объемное содержание в воздухе закрытых, плохо вентилируемых помещений, а также промышленных центров может возрастать в несколько раз -- до 0,1--0,2%. Совершенно незначительно меняется процентное содержание азота и кислорода. Процентное содержание водяного пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4. Часть молекул атмосферных газов и частиц атмосферного аэрозоля -- капелек, пылинок, кристаллов -- несет электрические заряды. Эти заряженные частички называются ионами.
Молекулы воздуха заряжаются вследствие потери электрона или присоединения свободного электрона. К заряженной молекуле присоединяются другие молекулы, в которых происходит путем индукции разделение зарядов. Так возникает электрически заряженный комплекс молекул, называемый легким ионом. Заряженные молекулы могут также присоединяться к ядрам конденсации или пылинкам, взвешенным в воздухе, вследствие чего возникают более крупные тяжелые ионы с массами в тысячи раз большими, чем у легких ионов.
.Капельки и кристаллы облаков и осадков, возникая на ионах как на ядрах конденсации, присоединяя их в дальнейшем, а также, получая электрические заряды другими способами, также могут стать носителями электрических зарядов. Заряды капелек и кристаллов гораздо больше, чем заряды ионов: они могут достигать многих миллионов элементарных зарядов (зарядов электрона). Кроме того, значительная часть ионов в высоких слоях представляет собой свободные электроны. Содержание ионов здесь измеряется сотнями тысяч и миллионами на один кубический сантиметр воздуха. Так же как и незаряженные частички, ионы в атмосфере постоянно перемещаются. Именно благодаря этому атмосфера обладает электропроводностью, в нижних слоях малой, в высших -- значительной., в воздух местами могут проникать другие газы, особенно соединения, возникающие при сгорании топлива (окислы серы, углерода, фосфора и др.). Наиболее заражается такими примесями воздух больших городов и промышленных районов.В состав атмосферы входят также твердые и жидкие частички, взвешенные в атмосферном воздухе. Кроме водяных капелек и кристаллов, возникающих в атмосфере при конденсации водяного пара, это пыль почвенного и органического происхождения; твердые частички дыма, сажи, пепла и капельки кислот, попадающие в воздух при лесных пожарах, при сжигании топлива, при вулканических извержениях; частички морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения (обычно, в силу своей гигроскопичности, это не твердые частички, а мельчайшие капельки насыщенного раствора соли в воде); микроорганизмы (бактерии); пыльца, споры; наконец, космическая пыль, попадающая в атмосферу (около миллиона тонн в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере. Особое место среди атмосферных примесей занимают продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб. Аэрозольные примеси к воздуху могут легко переноситься воздушными течениями на большие расстояния. Песчаная пыль, попадающая в воздух над пустынями Африки и Передней Азии, неоднократно выпадала в больших количествах на территории Южной и Средней Европы. Дым лесных пожаров в Канаде переносился сильными воздушными течениями на высотах 8-13 км через Атлантику к берегам Европы, еще сохраняя достаточную концентрацию. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялись в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь Земной шар
Электрическое поле атмосферы
Итак, в атмосфере всегда существуют подвижные электрические заряды, связанные с ионами, а также с элементами облаков и осадков. Заряды эти -- обоих знаков, причем преобладают положительные, так что суммарный заряд атмосферы -- положительный. При этом с высотой он растет. В результате атмосфера обладает электростатическим полем, в каждой точке которого есть то или иное значение потенциала. Это значит, что электрический заряд, помещенный в любой точке атмосферы, будет испытывать силу, действующую на него в направлении, нормальном к поверхности равного потенциала, проходящей через эту точку. Эту силу на единицу положительного электрического заряда называют напряженностью атмосферно-электрического поля. Она направлена в отсутствии облаков сверху вниз и измеряется изменением потенциала поля на единицу расстояния, т. е. в вольтах на метр (в/м).В приземном слое атмосферы напряженность поля, в среднем для всего Земного шара, около 100 в/м.. В промышленных районах с сильно загрязненным воздухом она значительно больше. В общем, перенос электричества (ток проводимости) должен происходить от положительно заряженной атмосферы к отрицательно заряженной земной поверхности. Несмотря на это, отрицательный заряд земной поверхности с течением времени не убывает. Причина состоит, по-видимому, в грозах.Напряженность поля между облаком и землей может даже изменить свое направление, т. е. получить направление вверх. В связи с указанными огромными разностями потенциалов в атмосфере возникают искровые электрические разряды, молнии, как в облаках, так и между облаками и землей. При напряженности поля, направленной вверх, молнии могут переносить к земной поверхности очень большие отрицательные заряды, которые и компенсируют потерю отрицательного заряда земной поверхностью в спокойную погоду.

6. Взаимодействие атмосферы с другими геосферами

Тропосфера
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы.
Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день. Кроме того, даже в среднем она различна под разными широтами и в разные сезоны года. В среднем годовом тропосфера простирается над полюсами до высоты около 9 км, над умеренными широтами до 10--12 км и над экватором до 15--17 км. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около --23° на северном полюсе. На верхней границе тропосферы над экватором средняя температура около --70°, над северным полюсом зимой около --65°, а летом около --45°.
Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5--8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Самый нижний, тонкий слой тропосферы, в несколько метров (или десятков метров) высотой, непосредственно примыкающий к земной поверхности, носит название приземного слоя. Вследствие близости к земной поверхности физические процессы в этом слое отличаются известным своеобразием. Здесь особенно резко выражены изменения температуры в течение суток: в этом слое температура особенно сильно падает с высотой днем и часто растет с высотой ночью.
Слой от земной поверхности до высоты порядка 1000 м носит название слоя трения. В этом слое скорость ветра ослаблена в сравнении с вышележащими слоями; ослаблена тем больше, чем ближе к земной поверхности. Подробнее об этих слоях будет сказано в дальнейшем.
Стратосфера и мезосфера
Над тропосферой до высоты 50--55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1--2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Нижняя стратосфера более или менее изотермична. Но, начиная с высоты около 25 км, температура в стратосфере быстро растет с высотой (рис. 7), достигая на высоте около 50 км максимальных, притом положительных значений (от +10 до +30°). Вследствие возрастания температуры с высотой турбулентность в стратосфере мала.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20--25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше (параграф 5). С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля (рис. 2.7). Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75--90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха. Ионосфера
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть -- экзосфера, переходящая в земную корону.
Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Мы уже указывали в параграфе 13, что на высотах 300--750 км его средняя плотность порядка 10-8--10-10 г/м3. Но и при такой малой плотности каждый кубический сантиметр воздуха на высоте 300 км еще содержит около одного миллиарда (109) молекул или атомов, а на высоте 600 км -- свыше 10 миллионов (107). Это на несколько порядков больше, чем содержание газов в межпланетном пространстве.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. Как уже говорилось в параграфе 8, содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км -- порядка 1015--106 на кубический сантиметр.В ионосфере выделяется несколько слоев, или областей, с максимальной ионизацией, в особенности на высотах 100-- 120 км (слой Е) и 200--400 км (слой F). Но и в промежутках между этими слоями степень ионизации атмосферы остается очень высокой. Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Спорадические скопления электронов с особенно большой концентрацией носят название электронных облаков.
От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Поэтому в ионосфере электропроводность воздуха в общем в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. Радиоволны испытывают в ионосфере поглощение, преломление и отражение. Волны длиной более 20 м вообще не могут пройти сквозь ионосферу: они отражаются уже электронными слоями небольшой концентрации в нижней части ионосферы (на высотах 70-- 80 км). Средние и короткие волны отражаются вышележащими ионосферными слоями.Именно вследствие отражения от ионосферы возможна дальняя связь на коротких волнах. Многократное отражение от ионосферы и земной поверхности позволяет коротким волнам зигзагообразно распространяться на большие расстояния, огибая поверхность Земного шара. Так как положение и концентрация ионосферных слоев непрерывно меняются, меняются и условия поглощения, отражения и распространения радиоволн. Поэтому для надежной радиосвязи необходимо непрерывное изучение состояния ионосферы. Наблюдения над распространением радиоволн как раз являются средством для такого исследования.В ионосфере наблюдаются полярные сияния и близкое к ним по~ природе свечение ночного неба -- постоянная люминесценция атмосферного воздуха, а также резкие колебания магнитного поля -- ионосферные магнитные бури.Ионизация в ионосфере обязана своим существованием действию ультрафиолетовой радиации Солнца. Ее поглощение молекулами атмосферных газов приводит к возникновению заряженных атомов и свободных электронов, о чем говорилось выше. Колебания магнитного поля в ионосфере и полярные сияния зависят от колебаний солнечной активности (см. главу первую, параграф 6). С изменениями солнечной активности связаны изменения в потоке корпускулярной радиации, идущей от Солнца в земную атмосферу. А именно корпускулярная радиация имеет основное значение для указанных ионосферных явлений.Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Говоря о высоких температурах ионосферы, имеют в виду то, что частицы атмосферных газов движутся там с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в ионосфере так мала, что тело, находящееся в ионосфере, например летящий спутник, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом. Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им солнечной радиации и от отдачи его собственного излучения в окружающее пространство.
Экзосфера
Атмосферные слои выше 800--1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.
Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы.Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000--3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц -- протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия -- порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
7. Солнце и солнечная радиация. Лучистая энергия Солнца, солнечный ветер

Электромагнитная радиация, в дальнейшем называемая здесь просто радиацией или излучением, есть форма материи, отличная от вещества. Частным случаем ее является видимый свет; но к ней относятся также и невоспринимаемые глазом гамма-лучи, рентгеновы, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны.
Радиация распространяется по всем направлениям от источника радиации, излучателя, в виде электромагнитных волн со скоростью, очень близкой к 300 000 км/сек. Электромагнитными волнами называются распространяющиеся в пространстве колебания, т. е. периодические изменения, электрических и магнитных сил; они вызываются движением электрических зарядов в излучателе.
Длины волн радиации измеряют с большой точностью, и потому удобно выражать их в единицах значительно меньших, чем микрон. Это миллимикрон (ммк) -- тысячная доля микрона и ангстрем (А) -- десятитысячная доля микрона. Например, длину волны 0,5937 мк можно еще написать: 593,7 ммк или 5937 А. Но в этой книге мы будем приводить длины волн преимущественно в микронах.
В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мк. Она включает, кроме видимого света, еще ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная радиация на 99% является такой коротковолновой радиацией. К длинноволновой радиации относят радиацию земной поверхности и атмосферы с длинами волн от 4 до 100-120 мк.
К температурной радиации относятся известные из физики законы излучения Кирхгофа, Стефана--Больцмана, Планка, Вина. В частности, в соответствии с законом Стефана--Больцмана энергия излучаемой радиации растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуры излучателя. Некоторые вещества в особом состоянии излучают радиацию в большем количестве и в другом диапазоне длин волн, чем это следует по их температуре. Таким образом, возможно, например, излучение видимого света при таких низких температурах, при которых вещество обычно не светится. Эта радиация, не подчиняющаяся законам температурного излучения, называется люминесценцией.
Термином радиация называют также явление совсем другого рода, именно -- корпускулярную радиацию, т. е. потоки электрически заряженных элементарных частиц вещества, преимущественно протонов и электронов, движущихся со скоростями в сотни километров в секунду, хотя и большими, но все-таки очень далекими от скорости света. Лучистая энергия Солнца является основным, а практически единственным источником тепла для поверхности Земли и для ее атмосферы. Радиация, поступающая от звезд и от Луны, ничтожно мала по сравнению с солнечной радиацией. Также ничтожно мал и поток тепла, направленный к земной поверхности и в атмосферу из глубин Земли.
Лучистая энергия Солнца превращается в тепло отчасти в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Она идет здесь на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от их и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера в свою очередь сами излучают невидимую инфракрасную радиацию. Отдавая эту радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются Опыт показывает, что средние годовые температуры земной поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. За историческое время в этих весьма ограниченных изменениях, по-видимому, не было никакой определенной направленности; были лишь колебания около средних значений. Таким образом, если рассматривать Землю за более или менее длительные многолетние промежутки времени, то можно сказать, что она находится в тепловом равновесии: приход тепла уравновешивается его потерей. Но так как Земля (с атмосферой) получает тепло, поглощая солнечную радиацию, и теряет тепло путем собственного излучения, то можно заключить, что она находится и в лучистом равновесии: приток радиации к ней уравновешивается отдачей радиации в мировое пространство.Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от солнечного диска, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации Интенсивность солнечной радиации перед вступлением ее в атмосферу (обычно говорят: «на верхней границе атмосферы» или «в отсутствии атмосферы») называют солнечной На освещенное полушарие Земли на верхней границе атмосферы за одну минуту падает количество солнечной энергии, равное произведению солнечной постоянной на площадь большого круга Земли, выраженную в квадратных сантиметрах. При среднем радиусе Земли 6371 км эта площадь равна 12,75•1017 см2, а приходящая на нее за одну минуту лучистая энергия равна 25•1017 кал. За год Земля получает 1,37•1024 кал. постоянной.
8. Основные хар-тики солн. радиации

Электромагнитн. радиация Солнца или излучение - форма материи, отличная от вещ-ва. Частным случаем ее явл. видимый свет. К ней относится и невидимые глазом гамма-лучи, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и радиоволны.
Радиация распр-ся по всем направлениям от источника излучения со скоростью =300 тыс. км/с.
Электромагнитн. излучение Солнца - основной источник энергии для географич. процессов, происходящих в атмосфере. Длина волны измеряется в микронах или в амстремах.
Состав солн. радиации:
1) Видимый свет - 46% от общего излучения. Длина волны - 0,4-0,75 мк( от красного до фиолетового)
2)Инфракрасный .Длина волны >0,75 мк (тепловая радиация)
3)Ультрафиолет-7%. Длина волны - <0,4 мк.
В метеорологии выделяют:
1)коротковолновая радиация (0,1-4 мк) - видимый свет + близкие по длине волны
2)длинноволновая радиация земной поверхности и атмосферы (4-120 мк)
Интенсивность солн. радиации (I0) - кол-во лучистой энергии, поступающей за единицу времени =1 минуте на единицу площади 1 см2, измеряется в калориях. (Калл/см2 в минуту)
Интенсивность солн. радиации перед вступлением в атмосферу наз-ся солнечной постоянной. Она определяется по международному соглашению 1956г. в 1,98 калл/см2 в минуту.
Угол падения (h) солнечных лучей бывает равен 900 между южным и северным тропиком, где солнце бывает в зените. Солн. лучи падают на земную поверхность под некоторым углом. Интенсивность солн. радиации (I1) зависит от угла падения солн. лучей:
I1=I0 sinh;
I1 -интенсивность солн. радиации под углом h
I0 - интенсивность солн. радиации при отвесном падении.
I1=I0, при h=900.
9. Потоки солнечной радиации в атмосфере: рассеянная, отраженная, суммарная

Солнечная радиация проходя через атмосферу претерпевает количественные и качественные изменения.25% солнеч.радиации рассеивается газами и примесями атмосферы. Примеси: капельно-жидкие, твердые.
Частично поглощаясь примесями, парами и переходит в др.виды энергии: тепловую, механическую и тд. Следовательно, интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи с разными длинами по разному поглощается и рассеивается в атмосфере. Часть радиации приходит к земной поверхности от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией.
Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.
Кроме поглощения, прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется еще путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей.
Рассеянием называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения (а такой именно и является прямая солнечная радиация, распространяющаяся в виде параллельных лучей), в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, т. е. в среде, где показатель преломления меняется от точки к точке. Такой оптически неоднородной средой является атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей -- капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Но оптически неоднородной средой является и чистый, свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения, колебания плотности. Таким образом, встречаясь с молекулами и посторонними частичками в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеивающих частичек таким образом, как если бы они сами были источниками радиации.
Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Правда, значительная доля рассеянной радиации (2/3 ее) также приходит к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Поэтому приходится измерять ее приток на горизонтальную поверхность. Интенсивностью рассеянной радиации мы будем называть ее приток в калориях на один квадратный сантиметр горизонтальной поверхности в минуту.
Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Соотношение энергии лучей разных длин волн в рассеянной радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. При этом, чем меньше размеры рассеивающих частичек, тем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми.
10. Альбедо и его зависимость от факторов подстилающей поверхности

Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем, тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается. Величина отражения солнечной радиации земной поверхностью зависит от характера этой поверхности. Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах.
Итак, из общего потока суммарной радиации Isinh+i отражается от земной поверхности часть его (Isinh + i)А, где А -- альбедо поверхности. Остальная часть суммарной радиации (Isinh + i) (1- А) поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Эту часть называют поглощенной радиацией.
Альбедо поверхности почвы в общем заключается в пределах 10-30%; в случае влажного чернозема оно снижается до 5%, а в случае сухого светлого песка может повышаться до 40%. С возрастанием влажности почвы альбедо снижается. Альбедо растительного покрова -- леса, луга, поля -- заключается в пределах 10--25%. Для свежевыпавшего снега альбедо 80--90%, для давно лежащего снега -- около 50% и ниже. Альбедо гладкой водной поверхности для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком солнце до 70% при низком солнце; оно зависит также от волнения. Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей 5--10%. В среднем альбедо поверхности мирового океана 5--20%. Альбедо верхней поверхности облаков -- от нескольких процентов до 70--80% в зависимости от типа и мощности облачного покрова; в среднем же оно 50-60%. Приведенные числа относятся к отражению солнечной радиации не только видимой, но во всем ее спектре. Кроме того, фотометрическими средствами измеряют альбедо только для видимой радиации, которое, конечно, может несколько отличаться по величине от альбедо для всего потока радиации.
Преобладающая часть радиации, отраженной земной поверхностью и верхней поверхностью облаков, уходит за пределы атмосферы в мировое пространство. Также уходит в мировое пространство часть рассеянной радиации, около одной трети ее. Отношение этой уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающему в атмосферу, носит название планетарного альбедо Земли или просто альбедо Земли.
Планетарное альбедо Земли оценивается в 35-40%; по-видимому, оно ближе к 35%. Основную часть планетарного альбедо Земли составляет отражение солнечной радиации облаками.

11. Явления, связанные с рассеянием радиации

Голубой цвет неба -- это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т. е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере -- в черно-фиолетовый.

Чем больше в воздухе помутняющих примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволновых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Рассеяние меняет окраску прямого солнечного света. Солнечный диск кажется тем желтее, чем ближе он к горизонту, т. е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и чем больше рассеяние.

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обусловливает рассеянный свет в дневное время. В отсутствии атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней.

После захода солнца вечером темнота наступает не сразу. Небо, особенно в той части горизонта, где зашло солнце, остается светлым и посылает к земной поверхности рассеянную радиацию с постепенно убывающей интенсивностью - сумерки. Причиной его является освещение солнцем, находящимся под горизонтом, высоких слоев атмосферы.

Так называемые астрономические сумерки продолжаются вечером до тех пор, пока солнце не зайдет под горизонт на 18°; к этому моменту становится настолько темно, что различимы самые слабые звезды. Утренние сумерки начинаются с момента, когда солнце имеет такое же положение под горизонтом. Первая, часть вечерних или последняя часть утренних астрономических сумерек, когда солнце находится под горизонтом не ниже 8°, носит название гражданских сумерек.

Продолжительность астрономических сумерек меняется в зависимости от широты и от времени года. В средних широтах она от полутора до двух часов, в тропиках меньше, на экваторе немногим дольше одного часа.
В высоких широтах летом солнце может не опускаться под горизонт вовсе или опускаться очень неглубоко. Если солнце опускается под горизонт менее чем на 18°, то полной темноты вообще не наступает и вечерние сумерки сливаются с утренними. Это явление называют белыми ночами.
Сумерки сопровождаются красивыми, иногда очень эффектными изменениями окраски небесного свода в стороне солнца. Эти изменения начинаются еще до захода или продолжаются после восхода солнца. Они имеют довольно закономерный характер и носят название зари. Характерные цвета зари -- пурпурный и желтый; но интенсивность и разнообразие цветовых оттенков зари меняются в широких пределах в зависимости от содержания аэрозольных примесей в воздухе. Разнообразны и тона освещения облаков в сумерках.
В части небосвода, противоположной солнцу, наблюдаются явления противозари, также со сменой цветовых тонов, с преобладанием пурпурных и пурпурно-фиолетовых. После захода солнца в этой части небосвода появляется тень Земли: все более растущий в высоту и в стороны серовато-голубой сегмент.
Явления зари объясняются рассеянием света мельчайшими частицами атмосферных аэрозолей и дифракцией света на более крупных частицах.
12. Радиационный баланс земной поверхности

Разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением называют радиационным балансом земной поверхности. Другое ее название -- остаточная радиация.
Радиационный баланс переходит от ночных, отрицательных значений к дневным, положительным после восхода солнца при высоте его 10--15°. От положительных значений к отрицательным он переходит перед заходом солнца при той же его высоте над горизонтом. При наличии снежного покрова радиационный баланс переходит к положительным значениям только при высоте солнца около 20--25°, так как при большом альбедо снега поглощение им суммарной радиации мало. Днем радиационный баланс растет с увеличением высоты солнца и убывает с ее уменьшением. В ночные часы, когда суммарная радиация отсутствует, отрицательный радиационный баланс равен эффективному излучению и потому меняется в течение ночи мало, если только условия облачности остаются одинаковыми.Средние полуденные значения радиационного баланса в Ленинграде летом при облачности менее 7/10 покрытия неба -- около 0,7--0,8 кал/см2 мин. При облачности от 7/10 до полной наблюдаются и очень высокие (до 1,0 кал/см2 мин), и очень низкие (до 0,1 кал/см2 мин) значения.
13. Излучение в мировое пространство

Излучение нижних слоев атмосферы поглощается в вышележащих ее слоях. Но, по мере удаления от земной поверхности, содержание водяного пара, основного поглотителя радиации, уменьшается, и нужен все более толстый слой воздуха, чтобы поглотить излучение, поступающее от нижележащих слоев. Начиная с некоторой высоты водяного пара вообще недостаточно для того, чтобы поглотить все излучение, идущее снизу, и из этих верхних слоев часть атмосферного излучения будет уходить в мировое пространство. Подсчеты показывают, что наиболее сильно излучающие в пространство слои атмосферы лежат на высотах 6--10 км.Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, уходящее в космос, называется уходящей радиацией. Оно составляет около 65 единиц, если за 100 единиц принять приток солнечной радиации в атмосферу. Вместе с отраженной и рассеянной коротковолновой солнечной радиацией, выходящей за пределы атмосферы в количестве около 35 единиц (см. в параграфе 17 о планетарном альбедо Земли), эта уходящая радиация компенсирует приток солнечной радиации к Земле. Таким образом, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько и получает, т. е. находится в состоянии лучистого (радиационного) равновесия.
14. Географическое распределение радиационного баланса и суммарной радиации

Итак, рассмотрим распределение годовых и месячных количеств (сумм) суммарной радиации по Земному шару. Мы видим, что оно не вполне зонально: изолинии (т. е. линии равных величин) радиации на картах не совпадают с широтными кругами. Отклонения эти объясняются тем, что на распределение радиации по Земному шару оказывают влияние прозрачность атмосферы и облачность.
Годовые количества суммарной радиации составляют в тропических и субтропических широтах свыше 140 ккал/см2. Они особенно велики в малооблачных субтропических пустынях, а в северной Африке достигают 200--220 ккал/см2. Зато над приэкваториальными лесными областями с их большой облачностью (над бассейнами Амазонки и Конго, над Индонезией) они снижены до 100--120 ккал/см2. К более высоким широтам обоих полушарий годовые количества суммарной радиации убывают, достигая под 60° широты 60--80 ккал/см2. Но затем они снова растут -- мало в северном полушарии, но весьма значительно над малооблачной и снежной Антарктидой, где в глубине материка они достигают 120--130 ккал/см2, т. е. величин, близких к тропическим и превышающих экваториальные.
Над океанами суммы радиации ниже, чем над сушей.
В декабре наибольшие суммы радиации, до 20-- 22 ккал/см2 и даже выше, в пустынях южного полушария. Но в облачных районах у экватора они снижены до 8-- 12 ккал/см2. В зимнем северном полушарии радиация быстро убывает на север; к северу от 50-й параллели она менее 2 ккал/см2 и несколько севернее полярного круга равна нулю. В летнем южном полушарии она убывает к югу до 10 ккал/см2 и ниже в широтах 50--60°. Но затем она растет -- до 20 ккал/см2 у берегов Антарктиды и свыше 30 ккал/см2 внутри Антарктиды, где она, таким образом, больше, чем летом в тропиках.
В июненаивысшие суммы радиации, свыше 22 ккал/см2, над северо-восточной Африкой, Аравией, Иранским нагорьем. До 20 ккал/см2 и выше они в Средней Азии; значительно меньше, до 14 ккал/см2, в тропических частях материков южного полушария. В облачных приэкваториальных областях они, как и в декабре, снижены до 8--12 ккал/см2. В летнем северном полушарии суммы радиации убывают от субтропиков к северу медленно, а севернее 50° с. ш. возрастают, достигая 20 ккал/см2 и более в Арктическом бассейне. В зимнем южном полушарии они быстро убывают к югу, до нуля за южным полярным кругом.
Не вся суммарная радиация поглощается земной поверхностью. В какой-то части она отражается. Путем отражения теряется в общем от 5 до 20% суммарной радиации. В пустынях и особенно в областях со снежным и ледяным покровом потеря путем отражения больше.
Географическое распределение радиационного баланса
Как известно, радиационный баланс является разностью между суммарной радиацией и эффективным излучением. Поэтому вначале мы кратко рассмотрим географическое распределение эффективного излучения.
Эффективное излучение земной поверхности распределяется по Земному шару более равномерно, чем суммарная радиация. Дело в том, что с ростом температуры земной поверхности, т. е. с переходом к более низким широтам, растет собственное излучение земной поверхности; но одновременно растет и встречное излучение вследствие большего влагосодержания воздуха и более высокой его температуры. Поэтому изменения эффективного излучения с широтой не слишком велики.
Вблизи экватора, при большой влажности и облачности, эффективное излучение около 30 ккал/см2 в год на суше, как и на море. В направлении к высоким широтам оно растет, достигая под 60-й параллелью примерно 40--50 ккал/см2 в год над океанами. На суше оно больше, особенно в сухих, малооблачных и жарких тропических пустынях, где достигает 80 ккал/см2 в год.
Радиационный баланс земной поверхности за год положителен для всех мест Земли, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды. Это значит, что годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится все теплее. Дело в том, что избыток поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды (при испарении с земной поверхности и последующей конденсации в атмосфере). Таким образом, хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности как радиационными, так и нерадиационными путями равен его отдаче теми же способами.
Радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не означает, что земная поверхность год от года становится все теплее. Дело в том, что избыток поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды (при испарении с земной поверхности и последующей конденсации в атмосфере). Таким образом, хотя для земной поверхности не существует равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности как радиационными, так и нерадиационными путями равен его отдаче теми же способами. Около 60-й параллели в обоих полушариях годовой радиационный баланс равен 20--30 ккал/см2 (карта IV). Отсюда к более высоким широтам он уменьшается и на материке Антарктиды отрицателен: от --5 до --10 ккал/см2. К низким широтам он возрастает: между 40° с. ш. и 40° ю. ш. годовые величины баланса свыше 60 ккал/см2, а между 20° с. ш. и 20° ю. ш. -- свыше 100 ккал/см2. На океанах радиационный баланс больше, чем на суше в тех же широтах, так как океаны поглощают радиацию больше. Существенные отклонения от зонального распределения имеются еще в пустынях, где баланс понижен (в Сахаре, например, до 60 ккал/см2) вследствие большого эффективного излучения в сухом и малооблачном воздухе. Баланс понижен также, но в меньшей мере, в районах с муссонным климатом, где в теплое время года облачность увеличена и, стало быть, поглощенная радиация уменьшена по сравнению с другими районами под той же широтой.
В декабре (карта V)радиационный баланс отрицателен в значительной части зимнего северного полушария: нулевая изолиния проходит немного южнее 40° с. ш. К северу от этой широты баланс становится отрицательным и в Арктике достигает --4 ккал/см2 и ниже. Южнее 40° с. ш. он возрастает до 10-- 14 ккал/см2 на южном тропике, откуда убывает до 4--5 ккал/см2 в прибрежных районах Антарктиды.
В июне (карта VI)радиационный баланс во всем северном полушарии положителен. Под 60--65° с. ш. он в общем больше 8 ккал/см2. С уменьшением широты он возрастает, но медленно. По обе стороны от северного тропика он достигает максимума: 12--14 ккал/см2 и выше, а на севере Аравийского моря 16 ккал/см2 и выше. Баланс остается положительным до 40° ю. ш. Южнее он переходит к отрицательным значениям и у берегов Антарктиды снижается до 1-2 ккал/см2.В Советском Союзе годовой радиационный баланс на суше в северных широтах порядка 10 ккал/см2, а на юге -- до 50 ккал/см2.
15. Тепловой баланс и тепловой режим земной поверхности и атмосферы. Различия в тепловом режиме почвы и водоемов. Суточный годовой ход температуры

Остановимся сначала на тепловых условиях земной поверхности и самых верхних слоев почвы и водоемов. Это необходимо потому, что нижние слои атмосферы нагреваются и охлаждаются больше всего путем радиационного и нерадиационного обмена теплом с верхними слоями почвы и воды. Поэтому изменения температуры в нижних слоях атмосферы прежде всего определяются изменениями температуры земной поверхности, следуют за этими изменениями.
Земная поверхность, т. е. поверхность почвы или воды (а также и растительного, снежного, ледяного покрова), непрерывно разными способами получает и теряет тепло. Через земную поверхность тепло передается вверх -- в атмосферу и вниз -- в почву или в воду.
Во-первых, на земную поверхность поступают суммарная радиация и встречное излучение атмосферы. Они в большей или меньшей степени поглощаются поверхностью, т. е. идут на нагревание верхних слоев почвы и воды. В то же время земная поверхность излучает сама и при этом теряет тепло.
Во-вторых, к земной поверхности приходит тепло сверху, из атмосферы, путем теплопроводности. Тем же способом тепло уходит от земной поверхности в атмосферу. Путем теплопроводности тепло также уходит от земной поверхности вниз, в почву и воду, либо приходит к земной поверхности из глубины почвы и воды.
В-третьих, земная поверхность получает тепло при конденсации на ней водяного пара из воздуха или, напротив, теряет тепло при испарении с нее воды. В первом случае выделяется скрытое тепло, во втором тепло переходит в скрытое состояние.
Не будем касаться некоторых менее важных процессов, например затраты тепла на таяние снега, лежащего на поверхности, или распространения тепла в глубь почвы вместе с водой осадков.
В любой промежуток времени от земной поверхности уходит вверх и вниз в совокупности такое же количество тепла, какое она за это время получает сверху и снизу. Если бы было иначе, не выполнялся бы закон сохранения энергии: следовало бы допустить, что на земной поверхности энергия возникает или исчезает. Однако возможно, что, например, вверх может уходить больше тепла, чем пришло сверху; в таком случае избыток отдачи тепла должен покрываться приходом тепла к поверхности из глубины почвы или воды.
Итак, алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной поверхности должна быть равной нулю. Это и выражается уравнением теплового баланса земной поверхности.
Чтобы написать это уравнение, во-первых, объединим поглощенную радиацию и эффективное излучение в радиационный баланс.
Приход тепла из воздуха или отдачу его в воздух путем теплопроводности назовем Р. Такой же приход или расход путем теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды назовем А. Потерю тепла при испарении или приход его при конденсации на земной поверхности обозначим LE, где L -- удельная теплота испарения и Е -- масса испарившейся или сконденсировавшейся воды.
Можно еще сказать, что смысл уравнения состоит в том, что радиационный баланс на земной поверхности уравновешивается нерадиационной передачей тепла (рис. 5.1).
Уравнение (1) действительно для любого промежутка времени, в том числе и для многолетнего периода.
Из того, что тепловой баланс земной поверхности равен нулю, не следует, что температура поверхности не меняется. Когда передача тепла направлена вниз, то тепло, приходящее к поверхности сверху и уходящее от нее вглубь, в значительной части остается в самом верхнем слое почвы или воды (в так называемом деятельном слое). Температура этого слоя, а стало быть, и температура земной поверхности при этом возрастают. Напротив, при передаче тепла через земную поверхность снизу вверх, в атмосферу, тепло уходит прежде всего из деятельного слоя, вследствие чего температура поверхности падает.
От суток к суткам и от года к году средняя температура деятельного слоя и земной поверхности в любом месте меняется мало. Это значит, что за сутки в глубь почвы или воды попадает днем почти столько же тепла, сколько уходит из нее ночью. Но все же за летние сутки тепла уходит вниз несколько больше, чем приходит снизу. Поэтому слои почвы и воды, а стало быть, и их поверхность день ото дня нагреваются. Зимой происходит обратный процесс. Эти сезонные изменения прихода - расхода тепла в почве и воде за год почти уравновешиваются, и средняя годовая температура земной поверхности и деятельного слоя год от года меняется мало.
Различия в тепловом режиме почвы и водоемов
Существуют резкие различия в нагревании и тепловых особенностях поверхностных слоев почвы и верхних слоев водных бассейнов. В почве тепло распространяется по вертикали путем молекулярной теплопроводности, а в легкоподвижной воде -- также путем турбулентного перемешивания водных слоев, намного более эффективного. Турбулентность в водоемах обусловлена, прежде всего, волнением и течениями. Но в ночное время суток и в холодное время года к этого рода турбулентности присоединяется еще и термическая конвекция: охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. В океанах и морях некоторую роль в перемешивании слоев ив связанной с ним передаче тепла играет также и испарение. При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и плотным, вследствие чего вода опускается с поверхности в глубину. Кроме того, радиация глубже проникает в воду в сравнении с почвой. Наконец, теплоемкость воды велика в сравнении с почвой, и одно и то же количество тепла нагревает массу воды до меньшей температуры, чем такую же массу почвы.
В результате суточные колебания температуры в воде распространяются на глубину порядка десятков метров, а в почве -- менее чем до одного метра. Годовые колебания температуры в воде распространяются на глубину сотен метров, а в почве -- только на 10--20 м.
Итак, тепло, приходящее днем и летом на поверхность воды, проникает до значительной глубины и нагревает большую толщу воды. Температура верхнего слоя и самой поверхности воды повышается при этом мало. В почве же приходящее тепло распределяется в тонком верхнем слое, который, таким образом, сильно нагревается. Член А в уравнении теплового баланса (1) для воды гораздо больше, чем для почвы, а член Р соответственно меньше.
Ночью и зимой вода теряет тепло из поверхностного слоя, но взамен него приходит накопленное тепло из нижележащих слоев. Поэтому температура на поверхности воды понижается медленно. На поверхности же почвы температура при отдаче тепла падает быстро: тепло, накопленное в тонком верхнем слое, быстро из него уходит без восполнения снизу.
В результате днем и летом температура на поверхности почвы выше, чем температура на поверхности воды; ночью и зимой ниже. Это значит, что суточные и годовые колебания температуры на поверхности почвы больше, притом значительно больше, чем на поверхности воды.
Вследствие указанных различий в распространении тепла водный бассейн за теплое время года накапливает в достаточно мощном слое воды большое количество тепла, которое отдает в атмосферу в холодный сезон. Напротив, почва в течение теплого сезона отдает по ночам большую часть того тепла, которое получает днем, и мало накапливает его к зиме.
В средних широтах за теплую половину года в почве накапливается 1,5--3 ккал тепла на каждый квадратный сантиметр поверхности. В холодное время почва отдает это тепло атмосфере. Величина ±1,5--3 ккал/см2 в год составляет годовой теплооборот почвы. Под влиянием снежного покрова зимой и растительного летом годовой теплооборот почвы уменьшается; например, под Ленинградом на 30%. В тропиках годовой теплооборот меньше, чем в умеренных широтах, так как там меньше годовые различия в притоке солнечной радиации.
Годовой теплооборот больших водоемов примерно в 20 раз больше по сравнению с годовым теплооборотом почвы. Балтийское море отдает воздуху в холодное время 52 ккал/см2 и столько же накапливает в теплое время года. Годовой теплооборот Черного моря ±48 ккал/см2, Женевского озера ±35 ккал/см2. В результате указанных различий температура воздуха над морем летом ниже, а зимой выше, чем над сушей.
Суточный и годовой ход температуры на поверхности почвы
Измерение температуры на поверхности почвы является методически трудной задачей, особенно при пользовании жидкостными термометрами. Результаты измерений сильно зависят от условий установки термометра, не вполне отражают действительные температурные условия на поверхности почвы и недостаточно сравнимы. Лучшие результаты можно получить с помощью электрических термометров.
Температура на поверхности почвы имеет суточный ход. Минимум ее наблюдается примерно через полчаса после восхода солнца. К этому времени радиационный баланс поверхности почвы становится равным нулю -- отдача тепла из верхнею слоя почвы эффективным излучением уравновешивается возросшим притоком суммарной радиации. Нерадиационный же обмен тепла в это время незначителен.
Затем температура на поверхности почвы растет до 13-- 14 часов, когда достигает максимума в суточном ходе. После этого начинается падение температуры. Радиационный баланс в послеполуденные часы, правда, остается положительным; однако отдача тепла в дневные часы из верхнего слоя почвы в атмосферу происходит не только путем эффективного излучения, но и путем возросшей теплопроводности, а также при увеличившемся испарении воды. Продолжается и передача тепла в глубь почвы. Поэтому температура на поверхности почвы и падает с 13--14 часов до утреннего минимума.
Суточный ход температуры на поверхности почвы изобразится на графике время -- температура волнообразной кривой, более или менее напоминающей синусоиду. Высшая точка этой кривой характеризует максимум, низшая -- минимум температуры (рис. 5.2).
Максимальные температуры на поверхности почвы обычно выше, чем в воздухе на высоте метеорологической будки. Это понятно: днем солнечная радиация прежде всего нагревает почву, а уже от нее нагревается воздух.
В Московской области летом на поверхности обнаженной почвы наблюдаются температуры до +55°, а в пустынях -- даже до +80°.
Ночные минимумы температуры, наоборот, бывают на поверхности почвы ниже, чем в воздухе, так как, прежде всего, почва выхолаживается эффективным излучением, а уже от нее охлаждается воздух. Зимой в Московской области ночные температуры на поверхности (в это время покрытой снегом) могут падать ниже --50°, летом (кроме июля) -- до нуля. На снежной поверхности во внутренних районах Антарктиды даже средняя месячная температура в июне около --70°, а в отдельных случаях она может падать до --90°.Разность между суточным максимумом и суточным минимумом температуры называется суточной амплитудой температуры. В Московской области в зимние месяцы многолетняя средняя суточная амплитуда температуры на поверхности почвы (снега) равна 5--10°, в летние 10--20°. В отдельные дни суточные амплитуды, конечно, могут быть и выше и ниже многолетних средних значений в зависимости от ряда причин, прежде всего от облачности. В безоблачную погоду велика солнечная радиация днем и также велико эффективное излучение ночью. Поэтому суточный (дневной) максимум особенно высок, а суточный (ночной) минимум низок и, следовательно, суточная амплитуда велика. В облачную погоду дневной максимум понижен, ночной минимум повышен и суточная амплитуда уменьшена.Сильные ночные заморозки на почве весной и осенью обычно наблюдаются при ясном небе, т. е. при большом эффективном излучении. Суточный ход температуры почвы зависит также от экспозиции склонов, т. е. от того, как ориентирован наклон данного участка земной поверхности по отношению к странам света. Ночное излучение одинаково на склонах любой ориентации; но дневное нагревание почвы, конечно, будет наибольшим на южных склонах и наименьшим на северных. Суточный ход температуры почвы зависит также от почвенного покрова, что будет выяснено дальше.
Температура поверхности почвы, конечно, меняется и в годовом ходе. В тропических широтах ее годовая амплитуда, т. е. разность многолетних средних температур самого теплого и самого холодного месяца года, мала и с широтой растет. В северном полушарии на широте 10° она около 3°, на широте 30е около 10°, на широте 50° в среднем около 25°.
16. Изменение температуры с высотой. Инверсия температур. Заморозки

Подобно тому, как в почве или в воде нагревание и охлаждение передаются от поверхности в глубину, так и в воздухе нагревание и охлаждение передаются из нижнего слоя в более высокие слои. Следовательно, суточные колебания температуры должны наблюдаться не только у земной поверхности, но и в высоких слоях атмосферы. При этом, подобно тому как в почве и в воде суточное колебание температуры убывает и запаздывает с глубиной, в атмосфере оно должно убывать и запаздывать с высотой.
Нерадиационная передача тепла в атмосфере происходит, как и в воде, преимущественно путем турбулентной теплопроводности, т. е. при перемешивании воздуха. Но воздух более подвижен, чем вода, и турбулентная теплопроводность в нем значительно больше. В результате суточные колебания температуры в атмосфере распространяются на более мощный слой, чем суточные колебания в океане.
На высоте 300 м над сушей амплитуда суточного хода температуры около 50% амплитуды у земной поверхности, а крайние значения температуры наступают на 1,5--2 часа позже. На высоте 1 км суточная амплитуда температуры над сушей 1--2°, на высоте 2--5 км 0,5--1°, а дневной максимум смещается на вечер. Над морем суточная амплитуда температуры несколько растет с высотой в нижних километрах, но все же остается малой.
Небольшие суточные колебания температуры обнаруживаются даже в верхней тропосфере и в нижней стратосфере. Но там они определяются уже процессами поглощения и излучения радиации воздухом, а не влияниями земной поверхности.
В горах, где влияние подстилающей поверхности больше, чем на соответствующих высотах в свободной атмосфере, суточная амплитуда убывает с высотой медленнее. На отдельных горных вершинах, на высотах 3000 м и больше, суточная амплитуда еще может равняться 3--4°. На высоких обширных плато суточная амплитуда температуры воздуха того же порядка, что и в низинах: поглощенная радиация и эффективное излучение здесь велики, так же как и поверхность соприкосновения воздуха с почвой. Суточная амплитуда температуры воздуха на станции Мургаб на Памире в среднем годовом 15,5°, тогда как в Ташкенте 12°.
Инверсии температуры
В предыдущих параграфах мы неоднократно упоминали об инверсиях температуры. Теперь остановимся на них несколько подробнее, поскольку с ними связаны важные особенности в состоянии атмосферы.
Падение температуры с высотой можно считать нормальным положением вещей для тропосферы, а инверсии температуры -- отклонениями от нормального состояния. Правда, инверсии температуры в тропосфере -- частое, почти повседневное явление. Но они захватывают воздушные слои достаточно тонкие в сравнении со всей толщей тропосферы.
Инверсию температуры можно характеризовать высотой, на которой она наблюдается, толщиной слоя, в котором имеется повышение температуры с высотой, и разностью температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя -- скачком температуры. В качестве переходного случая между нормальным падением температуры с высотой и инверсией наблюдается еще явление вертикальной изотермии, когда температура в некотором слое с высотой не меняется.
По высоте все тропосферные инверсии можно разделить на инверсии приземные и инверсии в свободной атмосфере.
Приземная инверсия начинается от самой подстилающей поверхности (почвы, снега или льда). Над открытой водой такие инверсии наблюдаются редко и не так значительны. У подстилающей поверхности температура самая низкая; с высотой она растет, причем этот рост может распространяться на слой в несколько десятков и даже сотен метров. Затем инверсия сменяется нормальным падением температуры с высотой.
Инверсия в свободной атмосфере наблюдается в некотором слое воздуха, лежащем на той или иной высоте над земной поверхностью (рис.5.20). Основание инверсии может находиться на любом уровне в тропосфере; однако наиболее часты инверсии в пределах нижних 2 км (если не говорить об инверсиях на тропопаузе, собственно уже не тропосферных). Толщина инверсионного слоя также может быть самой различной -- от немногих десятков до многих сотен метров. Наконец, скачок температуры на инверсии, т. е. разность температур на верхней и нижней границах инверсионного слоя, может колебаться от 1° и меньше до 10--15° и больше.
Заморозки
Важное в практическом отношении явление заморозков связано как с суточным ходом температуры, так и с непериодическими ее понижениями, причем обе эти причины обычно действуют совместно.
Заморозками называют понижения температуры воздуха ночью до нуля градусов и ниже в то время, когда средние суточные температуры уже держатся выше нуля, т. е. весной и осенью.
Весенние и осенние заморозки могут иметь самые неблагоприятные последствия для садовых и огородных культур. При этом необязательно, чтобы температура опускалась ниже нуля в метеорологической будке. Здесь, на высоте 2 м, она может остаться несколько выше нуля; но в самом нижнем, при почвенном слое воздуха она в это же время падает до нуля и ниже, и огородные или ягодные культуры повреждаются. Бывает и так, что температура воздуха даже и на небольшой высоте над почвой остается выше нуля, но сама почва или растения на ней охлаждаются путем излучения до отрицательной температуры и на них появляется иней. Это явление называется заморозком на почве и также может погубить молодые растения.
Заморозки чаще всего бывают, когда в данный район приходит достаточно холодная воздушная масса, например арктического воздуха. Температура в нижних слоях этой массы днем все-таки выше нуля. Ночью же температура воздуха падает в суточном ходе ниже нуля, т. е. наблюдается заморозок.
Для заморозка нужна ясная и тихая ночь, когда эффективное излучение с поверхности почвы велико, а турбулентность мала и воздух, охлаждающийся от почвы, не переносится в более высокие слои, а подвергается длительному охлаждению. Такая ясная и тихая погода обычно наблюдается во внутренних частях областей высокого атмосферного давления, антициклонов.
Сильное ночное охлаждение воздуха у земной поверхности приводит к тому, что с высотой температура повышается. Другими словами, при заморозке имеет место приземная инверсия температуры.
Заморозки чаще происходят в низинах, чем в возвышенных местах или на склонах, так как в вогнутых формах рельефа ночное понижение температуры усилено. В низких местах холодный воздух больше застаивается и длительнее охлаждается.
Поэтому заморозок нередко поражает сады, огороды или виноградники в низкой местности, в то время как на склонах холма они остаются неповрежденными.
Последние весенние заморозки наблюдаются в центральных областях Европейской территории СНГ в конце мая -- начале июня, а уже в начале сентября возможны первые осенние заморозки (карты VII, VIII).
В настоящее время разработаны достаточно эффективные средства для защиты садов и огородов от ночных заморозков. Огород или сад укутывается дымовой завесой, которая понижает эффективное излучение и уменьшает ночное падение температуры. Грелками разного рода можно подогревать нижние слои воздуха, накопляющегося в приземном слое. Участки с садовыми или огородными культурами можно закрывать на ночь особой пленкой, расставлять над ними соломенные или пластикатовые навесы, также уменьшающие эффективное излучение с почвы и растений, и т. д. Все такие меры следует принимать, когда уже с вечера температура достаточно низка и, согласно прогнозу погоды, предстоит ясная и тихая ночь.
17. Оптические явления в атмосфере
Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся молния и весьма живописные северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны радуга, гало, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, огни святого Эльма, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи. Радуга - самое красивое атмосферное явление. Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая), однако цвета почти никогда не бывают чистыми, поскольку полосы взаимно перекрываются. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны. Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. лавная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов - красного на внешней стороне и фиолетового - на внутренней. Иногда видна только одна дуга, но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная. Она имеет не столь яркие цвета, как первая, а красная и фиолетовая полосы в ней меняются местами: красная располагается с внутренней стороны.
Образование главной радуги объясняется двойным преломлением и однократным внутренним отражением лучей солнечного света. Проникая внутрь капли воды (А), луч света преломляется и разлагается, как при прохождении сквозь призму. Затем он достигает противоположной поверхности капли, отражается от нее и выходит из капли наружу. При этом луч света прежде, чем достичь наблюдателя, преломляется вторично. Исходный белый луч разлагается на лучи разных цветов с углом расхождения 2?. При образовании побочной радуги происходит двойное преломление и двойное отражение солнечных лучей. В этом случае свет преломляется, проникая внутрь капли через ее нижнюю часть , и отражается от внутренней поверхности капли сначала в точке В, затем в точке С. В точке D свет преломляется, выходя из капли в сторону наблюдателя. Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги с наблюдателем в вершине. Роль каждой капли мимолетна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр в строго определенной последовательности - от красного до фиолетового цвета. Множество капель таким же образом пересекает поверхность конуса, так что радуга представляется наблюдателю непрерывной как вдоль, так и поперек ее дуги. Гало - белые или радужные световые дуги и окружности вокруг диска Солнца или Луны. Они возникают вследствие преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега. Кристаллы, формирующие гало, располагаются на поверхности воображаемого конуса с осью, направленной от наблюдателя (из вершины конуса) к Солнцу. При некоторых условиях атмосфера бывает насыщена мелкими кристаллами, многие грани которых образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, наблюдателя и эти кристаллы. Такие грани отражают поступающие лучи света с отклонением на 22?, образуя красноватое с внутренней стороны гало, но оно может состоять и из всех цветов спектра. Реже встречается гало с угловым радиусом 46?, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае на образующих прямые углы гранях кристаллов. Ширина кольца такого гало превышает 2,5?. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен. Паргелии и дуги. Паргелический круг (или круг ложных солнц) - белое кольцо с центром в точке зенита, проходящее через Солнце параллельно горизонту. Причиной его образования служит отражение солнечного света от граней поверхностей кристаллов льда. Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг. Паргелии, или ложные солнца, - это ярко светящиеся пятна, напоминающие Солнце, которые образуются в точках пересечения паргелического круга с гало, имеющими угловые радиусы 22?, 46? и 90?. Наиболее часто образующийся и самый яркий паргелий формируется на пересечении с 22-градусным гало, обычно окрашенный почти во все цвета радуги. Ложные солнца на пересечениях с 46- и 90-градусными гало наблюдаются гораздо реже. Паргелии, возникающие на пересечениях с 90-градусными гало, называются парантелиями, или ложными противосолнцами. Иногда виден также антелий (противосолнце) - яркое пятно, расположенное на кольце паргелия точно напротив Солнца. Предполагается, что причиной возникновения этого явления служит двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении. Околозенитная дуга, иногда неверно называемая верхней касательной дугой 46-градусного гало, - это дуга в 90? или меньше с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46?. Она бывает видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, причем красный цвет приурочен к внешней стороне дуги. Околозенитная дуга примечательна своей расцветкой, яркостью и четкими очертаниями. Еще один любопытный и очень редкий оптический эффект типа гало - дуги Ловица. Они возникают как продолжение паргелиев на пересечении с 22-градусным гало, проходят с внешней стороны гало и слегка вогнуты в сторону Солнца. Столбы беловатого света, как и разнообразные кресты, иногда видны на рассвете или на закате, особенно в полярных регионах, и могут сопутствовать как Солнцу, так и Луне. Временами наблюдаются лунные гало и другие эффекты, подобные описанным выше, причем наиболее обычное лунное гало (кольцо вокруг Луны) имеет угловой радиус 22?. Подобно ложным солнцам, могут возникать ложные луны. Короны, или венцы, - небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1-5?, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Иногда края очень высоко расположенных облаков окрашены в яркие цвета. Глории (нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне. Глории также довольно часто можно обнаружить вокруг тени, которую отбрасывает самолет на нижележащие облака. Призраки Броккена. В некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название «призрак Броккена» по имени вершины в горах Гарц в Германии. Миражи - оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности и выражающийся в возникновении мнимого изображения. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут быть искажены и приобрести неправильные, фантастические формы. Миражи часто наблюдаются в условиях жаркого климата, например над песчаными равнинами. Обычны нижние миражи, когда отдаленная, почти ровная поверхность пустыни приобретает вид открытой воды, особенно если смотреть с небольшого возвышения или просто находиться выше слоя нагретого воздуха. Подобная иллюзия обычно возникает на нагретой асфальтированной дороге, которая далеко впереди выглядит как водная поверхность. В действительности эта поверхность является отражением неба. Ниже уровня глаз в этой «воде» могут появиться объекты, обычно перевернутые. Над нагретой поверхностью суши формируется «воздушный слоеный пирог», причем ближайший к земле слой - самый нагретый и настолько разрежен, что световые волны, проходя через него, искажаются, так как скорость их распространения меняется в зависимости от плотности среды. Верхние миражи менее распространены и более живописны по сравнению с нижними. Удаленные объекты (часто находящиеся за морским горизонтом) вырисовываются на небе в перевернутом положении, а иногда выше появляется еще и прямое изображение того же объекта. Это явление типично для холодных регионов, особенно при значительной температурной инверсии, когда над более холодным слоем находится более теплый слой воздуха. Данный оптический эффект проявляется в результате сложных закономерностей распространения фронта световых волн в слоях воздуха с неоднородной плотностью. Время от времени возникают очень необычные миражи, особенно в полярных регионах. Когда миражи возникают на суше, деревья и другие компоненты ландшафта перевернуты. Во всех случаях в верхних миражах объекты видны более отчетливо, чем в нижних. Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, порой наблюдаются боковые миражи. Огни святого Эльма. Некоторые оптические явления в атмосфере (например, свечение и самое распространенное метеорологическое явление - молния) имеют электрическую природу. Гораздо реже встречаются огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля. Блуждающие огоньки - слабое свечение голубоватого или зеленоватого цвета, которое иногда наблюдается на болотах, кладбищах и в склепах. Они часто выглядят как приподнятое примерно на 30 см над землей спокойно горящее, не дающее тепла, пламя свечи, на мгновение зависающее над объектом. Огонек кажется совершенно неуловимым и при приближении наблюдателя как бы перемещается в другое место. Причиной этого явления служит разложение органических остатков и самовозгорание болотного газа метана (СН4) или фосфина (РН3). Блуждающие огоньки имеют разную форму, иногда даже шаровидную. Зеленый луч - вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие - по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска, а иначе происходит смешение цветов. Сумеречные лучи - расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видимыми благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед рассветом или после заката.
19. Водяной пар в атмосфере. Водяной пар в воздухе

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.
В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим (или насыщенным), а воздух, содержащий его, насыщенным.Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.
С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха. На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов Влагосодержание воздуха, прежде всего, зависит от того, сколько водяного пара попадает в атмосферу путем испарения с земной поверхности в том же районе. Естественно, что над океанами оно больше, чем над материками, так как испарение с поверхности океана не ограничено запасами воды. В то же время в каждом месте влагосодержание зависит и от атмосферной циркуляции: воздушные течения приносят в данный район воздушные массы более влажные или более сухие из других областей Земли. Наконец, для каждой температуры существует состояние насыщения, т. е. существует некоторое предельное влагосодержание, которое не может быть превзойдено. Для разных целей применяются еще три характеристики влажности. Во-первых, это точка росы ?, т. е. та температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар мог бы насытить воздух. Так, например, если при температуре воздуха +27° упругость пара в нем 23,4 мб, то такой воздух не является насыщенным. Для того чтобы он стал насыщенным, нужно было бы понизить его температуру до +20°. Вот эта последняя величина +20° и является в данном случае точкой росы для воздуха. Очевидно, что, чем меньше разница между фактической температурой и точкой росы, тем ближе воздух к насыщению. При насыщении точка росы равна фактической температуре.
Другая характеристика называется отношением смеси. Отношение смеси есть содержание водяного пара в граммах на килограмм сухого воздуха. Эта величина мало отличается от удельной влажности.
Третья характеристика -- дефицит влажности, т. е. разность между упругостью насыщения E при данной температуре воздуха и фактической упругостью е пара в воздухе: d=E -- е. Иначе говоря, дефицит влажности характеризует, сколько водяного пара недостает для насыщения воздуха при данной температуре. Выражается он в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах.
20. Суточный и годовой ход относительной влажности
Суточный ход относительной влажности r = e/E*100 зависит от суточного хода фактической упругости пара е и от суточного хода упругости насыщения E. Но последний находится в прямой зависимости от суточного хода температуры. Упругость пара е в общем меняется в суточном ходе не очень значительно; гораздо резче меняется вместе с температурой упругость насыщения E. Поэтому суточный ход относительной влажности с достаточным приближением обратен суточному ходу температуры. При падении температуры относительная влажность растет, при повышении температуры -- падает. В результате суточный минимум относительной влажности совпадает с суточным максимумом температуры воздуха, т. е. приходится на послеполуденные часы, а суточный максимум относительной влажности Совпадает с суточным минимумом температуры, т. е. приходится на время около восхода солнца (рис. 43).
Над морем средняя суточная амплитуда относительной влажности мала, поскольку мала там и суточная амплитуда температуры. Над внутренними южными морями СНГ суточная амплитуда относительной влажности зимой 5-7%, летом 10-15%. Над океаном она еще меньше.
Над сушей суточная амплитуда больше, чем над морем, особенно летом. В Дублине, в ярко выраженном морском климате, зимой она 7%, летом 20%; в Вене зимой 9%, летом 27%; в Hy кусе (Туркмения) зимой 25%, летом 45%. В Индии в жаркое предмуссонное время она около 40%, а в период муссонных дождей -- только около 20 %.
Конечно, в ясные дни суточный ход относительной влажности выражен лучше, чем в облачные, как и суточный ход температуры. Так, в Вене в ясные дни зимой амплитуда 20% и летом 43%, т. е. значительно больше приведенных выше общих средних.
Нарушения в суточный ход относительной влажности вносят бризы на берегах морей. При дневном бризе с моря температура падает, а относительная влажность растет, вопреки нормальному суточному ходу.
На горах и в свободной атмосфере суточный ход относительной влажности параллелен суточному ходу температуры. Максимум приходится на дневные часы, когда увеличено облакообразование.
В годовом ходе относительная влажность также меняется обратно температуре. Так, в Москве она в январе 85%, в июле 68%. Однако в муссонных районах относительная влажность увеличена летом, при поступлении морского воздуха и при выпадении муссонных дождей, и уменьшена зимой, в период выноса сухих воздушных масс с материка; так, во Владивостоке она в июле 89%, в ноябре 68%.
Географическое распределение влагосодержания зависит: 1) от испарения в каждом данном районе; 2) от переноса влаги воздушными течениями из одних мест Земли в другие.
Испарение пропорционально дефициту влажности, а последний в общем тем больше, чем выше температура. Поэтому распределение влагосодержания (упругости пара, удельной или абсолютной влажности) в общем следует распределению температуры. Расположение изолиний влажности на климатологических картах близко к расположению изотерм.
Влагосодержание наибольшее у экватора, где многолетняя средняя месячная упругость пара выше 20 мб, а в ряде мест доходит в экстремальные месяцы до 30 мб. В отдельных случаях она выше 35 мб. Максимальным влагосодержанием на суше отличаются области экваториальных лесов.
Влагосодержание, как и температура, убывает с широтой. Кроме того, зимой оно, как и температура, понижено над материками в сравнении с океанами. Поэтому зимой изолинии упругости пара или абсолютной влажности, подобно изотермам, прогнуты над материками в направлении к экватору. Над очень холодными внутренними районами Центральной и Восточной Азии возникает даже область особенно низкой упругости пара с замкнутыми изолиниями. В районе якутского полюса холода упругость пара меньше 0,1 мб; еще ниже влажность во внутренней Антарктиде.
Однако летом соответствие между температурой и влагосодержанием меньше. Температуры внутри материков летом высоки, но фактическое испарение ограничено запасами влаги, и водяного пара поступает в воздух не больше, чем над океанами, а то и меньше. Стало быть, и упругость пара над материками не увеличена в сравнении с океанами, несмотря на более высокую температуру. Поэтому, в отличие от изотерм, изолинии упругости пара летом не выгибаются над материками к высоким широтам, а проходят близко к широтным кругам. Пустыни, такие, как Сахара или пустыни Средней и Центральной Азии, являются даже областями пониженной упругости пара с замкнутыми изолиниями.
В среднем годовом для всей Земли абсолютная влажность у земной поверхности составляет 11 г/м3. Это значит, что плотность водяного пара составляет всего 1% общей плотности воздуха у земной поверхности.
Относительная влажность, как мы знаем, зависит от влагосодержания и температуры воздуха. Она всегда высока в экваториальной зоне, где влагосодержание воздуха очень велико, а температура не слишком высока вследствие большой облачности. Здесь относительная влажность в среднем годовом доходит до 85% и более. Относительная влажность всегда высока и в Северном Ледовитом океане, на севере Атлантического и Тихого океанов, в антарктических водах. Она достигает здесь таких же или почти таких же высоких значений, как и в экваториальной зоне. Однако причина высокой относительной влажности здесь уже другая. Влагосодержание воздуха в высоких широтах мало, но зато и температура воздуха также низка, особенно зимой.
Сходные условия создаются зимой над холодными материками средних и высоких широт, например в Сибири, где относительная влажность в зимние месяцы в среднем достигает 75--80%.
Над большей частью Европы, особенно над ее северо-западом, зимой она в среднем 80--85%. Зимние температуры в Европе не так низки, как в полярных областях или в Сибири, но' влагосодержание здесь больше.
Летом к районам с особенно высокой относительной влажностью (75-80%) присоединяется еще Индия, где в это время господствует океанический юго-западный муссон.
Изменение влажности с высотой
С высотой упругость водяного пара убывает; убывает и абсолютная, и удельная влажность. Это вполне понятно: ведь давление и плотность воздуха в целом также убывают с высотой. Замечательно, однако, то, что процентное содержание водяного пара по отношению к постоянным газам воздуха также убывает с высотой. Это значит, что упругость и плотность водяного пара убывают с высотой быстрее (даже значительно быстрее), чем общее давление и общая плотность воздуха.
Зависит это от того, что водяной пар постоянно поступает в атмосферу снизу и, постепенно распространяясь вверх, конденсируется в более или менее высоких слоях вследствие понижения температуры. Поэтому в нижних слоях его больше по отношению к сухому воздуху, чем в верхних.
Убывание влажности с высотой в отдельных случаях происходит по-разному в зависимости от условий перемешивания воздуха и от вертикального распределения температуры. В среднем же упругость водяного пара падает с высотой так, как об этом говорилось в главе второй. Вместе с упругостью пара так же быстро убывает с высотой и абсолютная, и удельная влажность. Таким образом, половина всего водяного пара приходится на нижние 1,5 км и свыше 99% -- на тропосферу.
В горах влагосодержание несколько больше, чем на тех же высотах в свободной атмосфере, по понятным причинам: здесь ближе источник влаги -- земная поверхность.
Существуют эмпирические формулы, описывающие распределение упругости пара и удельной влажности с высотой в горах и в свободной атмосфере.
Относительная влажность меняется с высотой менее закономерно. В общем она с высотой убывает. Но на уровнях, где происходит облакообразование, относительная влажность, конечно, повышена. В слоях с температурными инверсиями она уменьшается очень резко вследствие повышенной температуры.
Зная распределение абсолютной влажности по высоте, можно подсчитать, сколько водяного пара содержится во всем столбе воздуха над единицей площади земной поверхности. Эту величину называют осажденной водой. Лучше было бы назвать ее запасом влаги в атмосферном столбе
21. Конденсация в атмосфере
Конденсация -- переход воды из газообразного в жидкое состояние -- происходит в атмосфере в виде образования мельчайших капелек, диаметром порядка нескольких микронов. Более крупные капли образуются путем слияния мелких капелек или путем таяния ледяных кристаллов.
Конденсация начинается тогда, когда воздух достигает насыщения, а это чаще всего происходит в атмосфере при понижении температуры. Количество водяного пара, недостаточное для насыщения, с понижением температуры до точки росы становится насыщающим. При дальнейшем понижении температуры избыток водяного пара сверх того, что нужно для насыщения, переходит в жидкое состояние. Возникают зародыши облачных капелек, т. е. начальные комплексы молекул воды, которые в дальнейшем растут до величины облачных капелек. Если точка росы лежит значительно ниже нуля, то первоначально возникают такие же зародыши, на которых растут переохлажденные капельки; но затем эти зачаточные капельки замерзают, и на них происходит развитие ледяных кристаллов.
Охлаждение воздуха чаще всего происходит адиабатически вследствие его расширения без отдачи тепла в окружающую среду. Такое расширение происходит преимущественна при подъеме воздуха.
Механизмы такого подъема воздуха различны. Воздух может подниматься в процессе турбулентности в виде неупорядоченных вихрей. Он может подниматься в более или менее сильных восходящих токах конвекции. Может происходить и подъем больших количеств воздуха на атмосферных фронтах, причем возникают облачные системы, покрывающие площади в сотни тысяч квадратных километров. Подъем воздуха может происходить и в гребнях атмосферных волн, вследствие чего также могут возникать облака на тех высотах, где существует волновое движение.
В зависимости от механизма подъема воздуха возникают и различные виды облаков. При образовании туманов главной причиной охлаждения воздуха является уже не адиабатический подъем, а отдача тепла из воздуха к земной поверхности.3. В атмосферных условиях происходит не только образование капелек, но и сублимация -- образование кристаллов, переход водяного пара в твердое состояние. Твердые осадки, выпадающие из облаков, обычно имеют хорошо выраженное кристаллическое строение; всем известны сложные формы снежинок -- шестилучевых звездочек с многочисленными разветвлениями.
В облаках и осадках обнаруживаются и более простые формы кристаллов, а также замерзшие капельки. Кристаллы возникают также на земной поверхности и на предметах при отрицательных температурах (иней, изморозь и пр.).
Термин конденсация часто, даже обычно, применяется в широком смысле, к конденсации и сублимации вместе.

Ядра конденсации

Образование капелек при конденсации в атмосфере всегда происходит на некоторых центрах, называемых ядрами конденсации. Если зародыш капельки возникает без ядра, он оказывается неустойчивым; молекулы, образовавшие комплекс, тут же разлетаются снова. Роль ядра конденсации заключается в том, что оно вследствие своей гигроскопичности увеличивает устойчивость образовавшегося зародыша капельки. Если воздух искусственно освободить от ядер конденсации, то конденсации не будет даже при большом перенасыщении. Однако ядра конденсации в атмосфере всегда есть, и потому сколько-нибудь значительные перенасыщения не наблюдаются. Аэрозольные примеси к воздуху в значительной части могут служить и ядрами конденсации.

Важнейшими ядрами являются частички растворимых гигроскопических солей, особенно морской соли, которая всегда обнаруживается в воде осадков. Они попадают в воздух в больших количествах при волнении моря и разбрызгивании морской воды и при последующем испарении капелек в воздухе. На греблях волн возникают пузырьки, наполненные воздухом (пена), которые затем лопаются, в результате чего и происходит разбрызгивание.

Возникшие таким путем ядра конденсации имеют размеры порядка десятых и сотых долей микрона; встречаются, правда, к гигантские ядра, размерами свыше одного микрона. Ядра конденсации вследствие своей малости не оседают сами и переносятся воздушными течениями на большие расстояния. При этом вследствие своей гигроскопичности они часто плавают в атмосфере в виде мельчайших капелек насыщенного соляного раствора. При повышении относительной влажности капельки начинают расти, а при значениях влажности около 100% они превращаются в видимые капельки облаков и туманов.
Конденсация происходит также на гигроскопических твердых частичках и капельках, являющихся продуктами сгорания или органического распада. Это азотная кислота, серная кислота, сульфат аммония и пр. В промышленных центрах в атмосфере содержится особенно большое число таких ядер конденсации. По-видимому, роль ядер конденсации играют также негигроскопические, но смачиваемые, достаточно крупные частички.
Число ядер конденсации в одном кубическом сантиметре воздуха у земной поверхности порядка тысяч и десятков тысяч. С высотой число ядер быстро убывает. На высоте 3--4 км ядра конденсации считаются только сотнями.
Однако облачные капельки возникают в действительных атмосферных условиях не на всех, а только на наиболее крупных ядрах. Конденсация на остальных, более мелких ядрах может быть получена в искусственных условиях, при более или менее значительном перенасыщении воздуха.
Одно время предполагалось, что развитие ледяных кристаллов в атмосфере происходит на особых ядрах сублимации. Теперь есть основания думать, что сначала всегда возникают зародышевые капельки на ядрах конденсации; при отрицательных температурах эти капельки находятся в переохлажденном состоянии. Но при достаточно низких отрицательных температурах капельные элементы замерзают, и дальше на них уже развиваются кристаллы. Возможно, что замерзание капелек стимулируется наличием особых ядер замерзания, химическая природа и механизм
22. Дымка, туман, мгла
Мы уже знаем, что воздух часто представляется замутненным вследствие наличия в нем загрязнений разного рода и мельчайших зачаточных продуктов конденсации. Эти аэрозольные примеси рассеивают проходящий свет и приводят к ухудшению видимости.
Если помутнение воздуха невелико, оно называется дымкой. Помутняющие частицы при этом являются микроскопическими капельками и пылинками; но при очень низких температурах это также мельчайшие кристаллики. Такого рода помутнение может наблюдаться на высоких уровнях, придавая небесному своду белесоватость; в таких случаях дымка является зачаточной стадией облаков.
Но обычно дымка наблюдается и у земной поверхности, распространяясь от нее на более или менее значительную высоту вверх. При этом дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает дальность видимости, т. е. расстояние, на котором различимы очертания предметов.
Если помутняющие частицы меньше, чем длины световых волн, т. е. размером в десятые доли микрона, то дымка окрашивает отдаленные предметы в синий цвет, как бы обволакивает их голубой вуалью. Белым же или светящимся отдаленным предметам (диск солнца, облака, снежные горы) она придает желтоватую окраску. Такое помутнение называется опалесцирующим. При более значительных размерах помутняющих частиц дымка принимает белесоватый или сероватый оттенок. Дальность видимости при дымке измеряется километрами и даже десятками километров.
При более крупных продуктах конденсации и при большей их концентрации у земной поверхности дальность видимости может стать менее одного километра. В таких случаях говорят уже не о дымке, а о тумане. Словом «туман» называют как само скопление помутняющих продуктов конденсации (капелек, кристалликов или тех и других) у земной поверхности, так и связанное с ним сильное помутнение воздуха. При густом тумане дальность видимости может уменьшиться до немногих десятков метров, даже до немногих метров.
При положительных температурах туман, конечно, будет состоять из капелек. Но и при не слишком низких отрицательных температурах он также состоит из капелек, уже переохлажденных. Только при температурах около -10° или ниже в тумане могут наряду с капельками появиться кристаллики, и он станет смешанным, подобно смешанным облакам. При очень низких температурах туман может быть целиком кристаллическим; однако наблюдались случаи капельножидкого тумана даже при температурах ниже -30°.
Если сильное помутнение вызвано не продуктами конденсации, а содержанием в воздухе большого количества твердых коллоидных частиц, явление носит название мглы. Мгла особенно часто наблюдается в результате эрозии почвы и пыльных бурь в пустынных и степных районах, а также в результате задымления воздуха при лесных пожарах и над промышленными городами. При этом относительная влажность может быть очень невелика; это уже указывает, что помутнение отлично от тумана. Дальность видимости при сильной мгле может уменьшаться так же значительно, как и при тумане.
Очень неприятное и даже опасное явление представляет собой дымный туман (смог) в больших городах или в индустриальных районах. Так называют сильный туман, смешанный с дымом, подчас ядовитым, или с выхлопными газами автомашин.
Условия образования туманов
Туман возникает в том случае, когда у земной поверхности создаются благоприятные условия для конденсации водяного пара. Нужные для этого ядра конденсации существуют в воздухе всегда. Однако в больших промышленных центрах содержание в воздухе ядер конденсации, притом крупных, резко повышено. Поэтому повторяемость и плотность туманов в больших городах больше, чем в загородных местностях.
Вследствие гигроскопичности ядер конденсации образование тумана начинается при относительной влажности меньше 100% (около 90--95%), т. е. еще до достижения точки росы. Выше сказано, что при температурах порядка -10° и ниже туман может стать смешанным, а при очень низких температурах (ниже -30°) даже и чисто кристаллическим. Образование тумана при таких температурах возможно при значениях относительной влажности по психрометру значительно ниже 100% (до 80% и ниже). Такая влажность показывает отсутствие насыщения по отношению к жидкой воде; но для ледяных кристаллов она будет соответствовать насыщению.
Приближение к состоянию насыщения происходит преимущественно в результате охлаждения воздуха. Второстепенную роль играет возрастание влагосодержания воздуха вследствие испарения с теплой поверхности в холодный воздух.
В зависимости от этих причин образования туманы делят на два основных класса: туманы охлаждения и туманы испарения Первый из этих классов абсолютно преобладает.
Охлаждение воздуха у земной поверхности происходит вследствие влияния самой этой поверхности. Другие возможные причины второстепенны, и упоминать о них здесь мы не будем. Охлаждение может происходить при разных условиях. Во-первых, воздух может перемещаться с более теплой подстилающей поверхности на более холодную и охлаждаться вследствие этого. Туманы, которые при этом возникают, естественно назвать адвективными. Во-вторых, воздух может охлаждаться потому, что сама подстилающая поверхность под ним охлаждается радиационным путем. Такие туманы называют радиационными. Нужно хорошо запомнить, что название это говорит о радиационном охлаждении поверхности почвы или снежного покрова, а вовсе не самого воздуха: воздух охлаждается уже главным образом от земной поверхности. Наконец, могут действовать обе причины, и тогда туман можно назвать адвективно-радиационным.
Адвективные туманы возникают в теплых воздушных массах, движущихся на более холодную поверхность. Это значит, что воздушная масса движется из низких широт в высокие, или зимой с теплого моря на холодную сушу, или летом с теплой суши на холодное море, или с теплых участков морской поверхности на холодные (например, у Ньюфаундленда при переносе воздуха из области Гольфстрима в область Лабрадорского течения). Во всех этих случаях туманы носят определенные названия, которые здесь не приводятся.
На суше адвективные туманы наблюдаются чаще всего осенью и зимой, когда существуют особенно значительные различия в температуре между низкими и высокими широтами и когда суша охлаждена в сравнении с морем. Наблюдаются они, как указано, и над морем, причем чаще весной и летом Адвективные туманы простираются в вышину на сотни метров Они возникают при значительных скоростях ветра; поэтому в них может происходить коагуляция капелек, и они принимают моросящий характер: наиболее крупные капельки из них выпадают.
Радиационные туманы различаются двух типов: поземные и высокие. Поземные туманы наблюдаются только над сушей в ясные и тихие ночи. Они связаны с ночным радиационным выхолаживанием почвы или снежного покрова. Вверх они распространяются невысоко, на десятки метров. Распределение их носит локальный характер: они могут возникать пятнами, особенно в низинах, вблизи болот, на лесных полянах. Над большими реками они не возникают вследствие конвекции над теплой (в ночные часы) водой Туманы образуются в тихую погоду; но все же небольшая скорость ветра должна быть для того, чтобы возникла хотя бы небольшая турбулентность, обусловливающая распространение охлаждения и туманообразования вверх.
Поземные туманы возникают в слое приземной инверсии и после восхода солнца исчезают вместе с ней.
Высокие радиационные туманы могут наблюдаться и над сушей, и над морем в устойчивых антициклонах в холодное время года. Это результат постепенного, день за днем, выхолаживания воздуха в нижних слоях антициклона. Вследствие турбулентного переноса водяного пара вверх сначала развиваются слоистые облака на высоте нескольких сотен метров, под инверсией оседания. Затем эти облака распространяются сверху вниз до земной поверхности, и тогда их уже называют высоким радиационным туманом. Такой туман может сохраняться неделями над большими районами, сплошь их захватывая.

Географическое распределение туманов

Особенно часты туманы в Арктике: число дней с туманом в Арктическом бассейне превышает 80. Причиной является, с одной стороны, перенос теплых воздушных масс на холодную поверхность льда, с другой -- перемещение холодного воздуха со льда или с холодной суши на открытую воду. Высока повторяемость туманов и над водами Южного океана в высоких широтах.

В умеренных широтах северного полушария туманами отличается район Ньюфаундленда (до 80 дней и более). Туманы здесь связаны с переносом воздуха с теплых вод Гольфстрима на холодные воды Лабрадорского течения. В субтропических широтах южного полушария особенно богаты туманами (также до 80 дней и более) прибрежные пустыни Южной Африки и Южной Америки и омывающие их воды. Теплый воздух здесь попадает на холодные океанические течения.

Увеличенную повторяемость туманов мы находим также в Средней Европе, на берегах Калифорнии, на Атлантическом побережье Южной Америки, на Мадагаскаре. И в этих областях высокую повторяемость туманов можно объяснить термическими особенностями подстилающей поверхности, над которой проходят преобладающие воздушные течения.

Мало туманов во внутренних частях материков, особенно в пустынях, где содержание водяного пара в воздухе невелико, а температуры высоки. Мало туманов в Сибири и в Канаде. Здесь теплым летом воздух далек от насыщения, а в холодную зиму влагосодержание воздуха настолько мало, что даже при насыщении значительные туманы редки. Их интенсивность и повторяемость увеличиваются зимой в населенных пунктах.

23. Облака

В результате конденсации внутри атмосферы возникают скопления продуктов конденсации -- капелек и кристаллов. Их называют облаками. Размеры облачных элементов -- капелек и кристаллов -- настолько малы, что их вес уравновешивается силой трения еще тогда, когда они имеют очень малую скорость, падения. Установившаяся скорость падения капелек получается равной лишь долям сантиметра в секунду. Скорость падения кристаллов еще меньше. Это относится к неподвижному воздуху. Но турбулентное движение воздуха приводит к тому, что столь малые капельки и кристаллы вовсе не выпадают, а длительное время остаются взвешенными в воздухе, смещаясь то вниз, то вверх вместе с элементами турбулентности.

Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность в воздухе, содержащем облака, убывает, то облака испаряются. При определенных условиях часть облачных элементов укрупняется и утяжеляется настолько, что выпадает из облака в виде осадков. Таким путем вода возвращается из атмосферы на земную поверхность.

При конденсации непосредственно у земной поверхности скопления продуктов конденсации называют туманами. Принципиальной разницы в строении облаков и туманов нет. В горах возможны и такие случаи, когда облако возникает на самом горном склоне. Для наблюдателя, смотрящего снизу, из долины, явление представится облаком; для наблюдателя на самом склоне -- туманом.

Отдельные облака существуют подчас очень короткое время. Например, индивидуальное существование кучевых облаков иногда исчисляется всего 10--15 минутами. Это значит, что недавно возникшие капельки, из которых состоит облако, снова быстро испаряются. Но даже когда облако наблюдается очень долго, это не означает, что оно есть неизменное образование, длительное время состоящее из одних и тех же частичек, В действительности облака находятся в процессе постоянного новообразования и исчезновения (испарения; часто неправильно говорят -- таяния). Одни элементы облака испаряются, другие возникают заново. Длительно существует определенный процесс облакообразования; облако же является только видимой в данный момент частью общей массы воды, вовлекаемой в этот процесс.

Это особенно ясно при образовании облаков над горами Если воздух непрерывно перетекает через гору, то на некоторой высоте он адиабатически охлаждается при подъеме настолько, что возникают облака. Эти облака кажутся неподвижно привязанными к гребню хребта. Но в действительности они, перемещаясь вместе с воздухом, все время испаряются в передней части, где перетекающий воздух начинает опускаться, и все время заново образуются в тыловой части из нового водяного пара, приносимого поднимающимся воздухом.

Взвешенность облаков также обманчива. Если облако не меняет своей высоты, то это еще не означает, что составляющие его элементы не выпадают. Жидкая или твердая частичка в облаке может опускаться, но, достигая нижней границы облака, она переходит в ненасыщенный воздух и здесь испаряется. В результате облако будет казаться длительно находящимся на одном уровне.

Описание основных родов облаков

1--3. Перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака верхнего яруса -- самые высокие облака тропосферы. Они встречаются при наиболее низких температурах и состоят из ледяных кристаллов. На вид облака всех трех родов белые, полупрозрачные, мало затеняющие солнечный свет. Разница между тремя основными родами состоит в следующем. Перистые облака выглядят как отдельные нити, гряды или полосы волокнистой структуры. Перисто-кучевые облака представляют собой гряды или пласты, имеющие ясно выраженную структуру из очень мелких хлопьев, шариков, завитков (барашков). Часто они похожи на рябь на поверхности воды или песка. Перисто-слоистые облака представляют собой тонкую прозрачную белесоватую вуаль, частично или полностью закрывающую небосвод. В них иногда различается волокнистая структура. Эти облака часто дают оптические явления, называемые гало, т. е. светлые, слегка окрашенные круги вокруг дисков светил с радиусами 22° и 46° или различные комбинации светлых дуг. Эти явления создаются преломлением света в ледяных кристаллах облаков и отражением света от их граней.

4. Высококучевые облака в среднем ярусе представляют собой облачные пласты или гряды белого или серого цвета (или одновременно обоих). Они достаточно тонки, но все же более или менее затеняют солнце. Эти пласты или гряды состоят из плоских валов, дисков, пластин, часто расположенных рядами. Кажущаяся ширина этих элементов в облаках на небесном своде 1--5°. Виды высококучевых облаков очень разнообразны. Характерное для них оптическое явление -- венцы, т. е. окрашенные круги небольшого (в несколько градусов) радиуса вокруг дисков светил. Они связаны с дифракцией света водяными капельками облаков. В высококучевых облаках наблюдается также иризация: края облаков, находящихся перед солнцем, получают радужную окраску. Иризация также указывает на строение высоко-кучевых облаков из очень мелких однородных капелек. При низких температурах они переохлаждены.
5. Высокослоистые облака в основном относятся также к среднему ярусу, но их верхние части могут проникать и в верхний ярус. Их вертикальная мощность уже измеряется километрами, а на вид они представляют собой светлый, молочно-серый облачный покров, застилающий небосвод целиком или частично. По крайней мере в отдельных частях этого покрова сквозь него можно видеть диски солнца и луны, однако в виде размытых пятен, как сквозь матовое стекло. Высоко-слоистые облака являются типичными смешанными облаками: наряду с мельчайшими капельками в них содержатся и мелкие снежинки. Поэтому такие облака дают осадки. Однако осадки эти слабы и в теплое время года, как правило, испаряются по пути к земной поверхности. Зимой из высокослоистых облаков часто выпадает мелкий снег.
6. Слоисто-дождевые облака имеют общее происхождение с высокослоистыми. Но они представляют собой более мощный слой, в несколько километров толщиной, начинающийся в нижнем ярусе, но простирающийся и в средний, а часто и в верхний. В верхней части слоя облака по строению схожи с высокослоистыми, а в нижней могут содержать также крупные капли и снежинки. Поэтому слой этих облаков представляется более серым; диски светил сквозь него не просвечивают. Из этих облаков, как правило, выпадает обложной дождь или снег, достигающий земной поверхности. Под покровом слоисто-дождевых облаков часто существуют бесформенные скопления низких разорванных облаков, особенно мрачные на фоне слоисто-дождевых.
7. Слоисто-кучевые облака в нижнем ярусе представляют собой гряды или слои серых или беловатых облаков, почти всегда имеющие более темные части. Облака эти построены из таких же элементов, что и высоко-кучевые (из дисков, плит, валов), однако на вид более крупных, с кажущимися размерами более 5°. Расположены эти структурные элементы по большей части регулярно, рядами. В большинстве случаев слоисто-кучевые облака состоят из мелких и однородных капелек, при отрицательных температурах -- переохлажденных, и не дают осадков. Случается, что из них выпадает слабая морось или (при низких температурах) очень слабый снег.
8. Слоистые облака также находятся в нижнем ярусе. Это самые близкие к земной поверхности облака: в равнинной местности их высота может быть всего несколько десятков метров над землей. Это однородный на вид серый слой капельного строения, из которого может выпадать морось. Но при достаточно низких отрицательных температурах в облаках появляются и твердые элементы; тогда из облаков могут выпадать ледяные иглы, мелкий снег, снежные зерна. Явлений гало эти облака не дают; солнечный диск, если он просвечивает сквозь облака, имеет четкие очертания. Временами слоистые облака представляются в виде разорванных клочьев; тогда их называют разорванно-слоистыми.
9. Кучевые облака -- это отдельные облака в нижнем и среднем ярусах, как правило, плотные и с резко очерченными контурами, развивающиеся вверх в виде холмов, куполов, башен. Они имеют клубообразный характер (похожи на кочаны цветной капусты) и на солнце кажутся ярко-белыми. Основания облаков сравнительно темные, более или менее горизонтальные. Против солнца облака кажутся темными со светлой каймой по краям. Облака часто настолько многочисленны, что образуют гряды. Иногда они имеют разорванные края и называются разорванно-кучевыми. Кучевые облака состоят только из водяных капель (без кристаллов) и осадков, как правило, не дают. Однако в тропиках, где водность облаков велика, из них вследствие взаимного слияния капель могут выпадать небольшие дожди.
10. Кучево-дождевые облака являются дальнейшей стадией развития кучевых. Они представляют собой мощные кучевообразные массы, очень сильно развитые по вертикали в виде гор и башен, часто от нижнего и до верхнего яруса. Закрывая солнце, они имеют мрачный вид и сильно уменьшают освещенность. Вершины их приплюснуты и имеют волокнистую перисто-образную структуру, нередко характерную форму наковален. Кучево-дождевые облака состоят в верхних частях из ледяных кристаллов, а в нижних -- из кристаллов и капелек различной величины, вплоть до самых крупных. Они дают осадки ливневого характера: это интенсивные дожди, иногда с градом, зимою сильный густой снег, крупа. С ними часто связаны грозовые явления, которые будут подробнее рассмотрены в последующем. Поэтому такие облака называют еще грозовыми (а также ливневыми). На их фоне нередко наблюдается радуга. Под основаниями этих облаков, так же как и под слоисто-дождевыми, часто наблюдаются скопления разорванных облаков (типа разорванно-слоистых или разорванно-кучевых).

24. Международная классификация облаков

Формы облаков в тропосфере очень разнообразны. Однако их можно свести к относительно небольшому числу основных типов. Первая классификация облаков была предложена более полутораста лет тому назад (Л. Говардом в Англии). В конце XIX века была принята международная классификация облаков, которая с тех пор несколько раз подвергалась существенным, однако не принципиальным изменениям. В современном варианте международной классификации облака делятся прежде всего на 10 основных родов по их внешнему виду. В этих основных родах различают значительное число видов, разновидностей и дополнительных особенностей; различаются также промежуточные формы.

Мы перечислим здесь только десять основных родов облаков (кроме русских названий, приводятся также международные латинские названия и их сокращения, которые следует запомнить):
1. Перистые -- Cirrus (Ci).
2. Перисто-кучевые -- Cirrocumulus (Cc).
3. Перисто-слоистые -- Cirrostratus (Cs).
4. Высококучевые -- Altocumulus (Ac).
5. Высокослоистые -- 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).
Их краткие описания будут даны ниже. Существуют наставления и атласы фотографий, помогающие разобраться в формах облаков.
Облака всех указанных родов встречаются на высотах между уровнем моря и тропопаузой. В этом диапазоне высот условно различаются три яруса, так что для каждого рода облаков можно указать, в каком ярусе или ярусах эти облака встречаются. В зависимости от температурных условий и от высоты тропопаузы границы этих ярусов в разных широтах различны.
Верхний ярус облаков в полярных широтах простирается в среднем от 3 до 8 км, в умеренных широтах -- от 5 до 13 км и в тропических широтах -- от 6 до 18 км. Средний ярус в полярных широтах -- от 2 до 4 км, в умеренных -- от 2 до 7 км и в тропических -- от 2 до 8 км. Нижний ярус во всех широтах -- от земной поверхности до 2 км.
Из перечисленных 10 родов облаков три первых -- перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые -- встречаются в верхнем ярусе, высоко- кучевые -- в среднем, слоисто-кучевые и слоистые -- в нижнем.
Высоко-слоистые облака обычно располагаются в среднем ярусе, но часто проникают и в верхний; слоисто-дождевые почти всегда располагаются в нижнем ярусе, но обычно проникают и в вышележащие ярусы.
Основания (нижние поверхности) кучевых и кучево-дождевых облаков обычно находятся в нижнем ярусе, но их вершины часто проникают в средний, а иногда и в верхний ярус.
25. см. 17
26. Облачность, ее суточный и годовой ход

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Облачность выражается в десятых долях покрытия неба. При облаках, полностью закрывающих небо, облачность обозначается числом 10, при совершенно ясном небе -- числом 0. При выводе средних величин можно давать и десятые доли единицы. Так, например, 5,7 означает, что облака покрывают 57% небосвода.
Для службы погоды существует особый код облачности, где все степени покрытия неба укладываются в рубрики от 0 до 8, а цифрой 9 обозначаются условия, когда облачность нельзя видеть из-за темноты, тумана, пыльной бури и т. п.
Облачность обычно определяется наблюдателем на глаз. Но существуют для этого и приборы в виде выпуклого полусферического зеркала, отражающего весь небосвод и фотографируемого сверху, либо в виде фотокамеры с аналогичным объективом.
Принято по отдельности оценивать общее количество облаков (общую облачность) и количество нижних облаков (нижнюю облачность). Это существенно потому, что высокие, а отчасти и средние облака меньше затеняют солнечный свет и менее важны в практическом отношении (для авиации, например). Дальше речь будет идти только об общей облачности.
Облачность имеет большое значение для оборота тепла на Земле. Она отражает прямую солнечную радиацию и, следовательно, уменьшает ее приток к земной поверхности. Она также увеличивает рассеяние радиации, уменьшает эффективное излучение, меняет условия освещенности. Хотя современные самолеты летают выше среднего яруса облаков и даже выше верхнего яруса, облачность может затруднить взлет и посадку самолета, мешает ориентации без приборов, может угрожать обледенением самолета и пр.
Суточный ход облачности сложен и в большой степени зависит от родов облаков. Слоистые и слоисто-кучевые облака, связанные с выхолаживанием воздуха от земной поверхности и со сравнительно слабым турбулентным переносом водяного пара вверх, имеют максимум ночью и утром. Кучевообразные облака, связанные с неустойчивостью стратификации и хорошо выраженной конвекцией, напротив, возникают преимущественно в дневные часы и исчезают к ночи. Правда, над морем, где температура подстилающей поверхности почти не имеет суточного хода, облака конвекции также его почти не имеют или слабый максимум приходится на утро Облака восходящего скольжения, связанные с фронтами, не имеют ясного суточного хода.
В результате в суточном ходе облачности над сушей в умеренных широтах летом намечаются два максимума: утром и, более значительный, после полудня. В холодное
Бремя года, когда конвекция слаба или отсутствует, преобладает утренний максимум, который может стать единственным (рис. 49). В тропиках весь год преобладает послеполуденный максимум, так как там важнейшим облакообразующим процессом является конвекция.
В годовом ходе облачность в разных климатических областях меняется по-разному. Над океанами высоких и средних широт годовой ход вообще невелик, с максимумом летом или осенью и минимумом весной. Так, на Маточкином Шаре (Новая Земля) в сентябре и октябре 8,5, в апреле 7,0; на Фарерских островах в августе 7,9, в апреле 7,0.В Европе максимум приходится на зиму, когда наиболее развита циклоническая деятельность с ее фронтальной облачностью, а минимум -- на весну или лето, когда преобладают облака конвекции. Так, в Москве в декабре 8,5, в мае 5,4; в Вене в декабре 7,8, в августе 5,0.
В субтропиках, где летом преобладают антициклоны и куда зимой распространяется циклоническая деятельность, максимум приходится на зиму, а минимум на лето, как и в умеренных широтах Европы, но амплитуда здесь больше. Так, в Афинах в декабре 5,9, в июне 1,1. Таков же годовой ход и в Средней Азии, где летом воздух очень далек от насыщения вследствие высоких температур, а зимой существует довольно интенсивная циклоническая деятельность: в Ташкенте в январе 6,4, в июле 0,9.
В тропиках, в областях пассатов, максимум облачности приходится на лето, а минимум на зиму: в Камеруне в июле 8,9, в январе 5,4. В муссонном климате тропиков годовой ход такой же, но резче выраженный: в Дели в июле 6,0, в ноябре 0,7.
На высокогорных станциях в Европе минимум облачности наблюдается главным образом зимой, когда горы лежат выше слоистых облаков, закрывающих долины (если не говорить о наветренных склонах); максимум -- летом, при развитии облаков конвекции.

Географическое распределение облачности

Приведем сначала средние годовые значения облачности в разных широтных зонах над сушей (с.) и над морем (м.).

Таким образом, поверхность Земного шара в общем закрыта облаками более чем наполовину. Среднее распределение облачности по широтам представлено на рис. 50.
От самых высоких широт к субполярным облачность растет и достигает максимума в зоне 70--60° широты. Это связано с максимальным развитием циклонической деятельности в субполярных широтах, особенно над морями. Затем к субтропическим широтам облачность убывает и достигает минимума в зоне 30--20°. Этот минимум связан с субтропическими антициклонами. Дальше к экватору облачность снова увеличивается: это зона пассатов с их кучевыми облаками и затем внутритропическая зона конвергенции вблизи экватора, где встречаются пассаты двух полушарий и развивается сильная конвекция.
Особенно значительная облачность (до 7,0--8,0 и больше) обнаруживается круглый год на севере Атлантического и Тихого океанов, включая северо-запад Европы и Японские острова, а также в высоких широтах Южного океана. Зимою она также значительна в Западной Сибири и в районе Великих озер. Летом облачность увеличивается в муссонных областях Гвинейского залива и Индии.
27. Осадки, выпадающие из облаков
При определенных условиях из облаков выпадают осадки, т. е. капельки или кристаллы настолько крупных размеров, что они уже не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее известны и важны дождь и снег. Однако имеется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.
Как дождь, так и снег выпадают в основном из облаков восходящего скольжения и из облаков конвекции. В зависимости от этого и характер выпадения осадков будет различным.
Из облаков восходящего скольжения (слоисто-дождевых и высоко- слоистых), связанных с фронтами, выпадают обложные осадки. Это длительные осадки средней интенсивности. Они выпадают сразу на больших площадях, порядка сотен тысяч квадратных километров, сравнительно равномерно и достаточно продо и т.д.................


Перейти к полному тексту работы



Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.