ГЛАВНАЯ         НАВЕРХ

Минимум понятий по физике атмосферы

Атмосфера – это газовая оболочка земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущаяся вместе с землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении земли.

Адиабатическим называется процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой (в нашем случае с окружающей атмосферой, земной поверхностью и мировым пространством). Строго адиабатических процессов в атмосфере нет, т.к. никакая масса воздуха не может быть полностью изолирована от влияния окружающей среды. Однако из-за плохой теплопроводности воздуха и почти полной прозрачности атмосферы для солнечной радиации можно принять, что быстропротекающие процессы происходят без теплообмена с окружающим воздухом.

Феном называется теплый, сухой порывистый ветер, дующий временами с гор в долины. Температура воздуха при фене значительно и быстро повышается, а относительная влажность резко падает, иногда до одного - двух десятков процентов. Продолжительность фена может быть от нескольких часов до нескольких суток. Фены известны в Альпах, на Кавказе, Алтае, Гренландии. Фен может возникнуть в любой горной системе, если воздушное течение общей циркуляции пересекает хребет достаточной высоты.  С подветренной стороны воздух оттекает от хребта, а в создавшееся разреженное пространство устремляется воздух вышележащих слоев. Высокая температура воздуха при фене обусловлена его адиабатическим нагреванием при нисходящим движении. Вертикальный воздух фена, спускающийся в долину, нагревается сухоадиабатически те на 1 градус на каждые 100 м спуска. Поэтому в долину он приходит с температурой воздуха выше, чем температура воздуха, ранее занимающего долину.  При сильном развитии фена на подветренной стороне хребта нередко на наветренной стороне наблюдается восходящее движение воздуха по горному склону. Если хребет высок, то восходящий воздух, достигнув уровня конденсации, будет охлаждаться не сухоадиабатически, а влажноадиабатически.  При этом на наветренной стороне произойдет образование облаков и выделение тепла конденсации. Бывает так, что фен, особенно вначале, сводится к постепенному оседанию и динамическому нагреванию воздуха в антициклоне, занимающим горный район. По мере снижения инверсии оседания высокие температуры захватывают все более низкие места, однако до самых низких долин потепление может и не дойти, они останутся занятыми холодным воздухом. При таком антициклоническом фене повышение температуры может происходить на обоих склонах хребта одновременно.

Особенно сильное повышение температуры при фен бывает тогда, когда воздух, в котором развивается фен, с самого начала очень теплый, например, при протекании через хребет тропического воздуха за теплым фронтом. Высокая температура дополнительно повышается адиабатически при нисходящим движении. Эффект от фена особенно велик, если до фена воздух в долине был выхоложен излучением. Интенсивный фен может привести к таянию снегов, лавины, сели.

Борой называется сильный холодный, порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря. Бора с давних пор бора известна в районе новороссийской бухты, Байкале. Достаточное сходство с борой имеют норд в районе баку, мистраль на средиземноморском побережье Франции, нортсер в мексиканском заливе. Бора возникает в тех случаях, когда холодный фронт подходит с прибрежному хребту с северо–востока. Холодный воздух сразу же переваливает через невысокий хребет. Низвергаясь вниз по горному хребту пол действием силы тяжести, воздух приобретает значительную скорость, в среднем, выше 20 м/с. падая на поверхность воды, этот нисходящий поток вызывает штормовой ветер, создающий сильное волнение. При этом резко понижается температура воздуха, которая до начала боры была над теплы морем достаточно высокой.

Падая вниз, воздух боры адиабатически нагревается, как и при фене, но высота хребта небольшая, а первоначальная температура вторгающегося холодного воздуха более низкая в сравнении с температурой воздуха, ранее располагавшегося над морем. В результате температура в районе, куда вторгается бора, понижается. В Новороссийске случалось понижение до 25 градусов.

Изобары - линии равного давления. Чтобы построить карту изобар на географическую карту наносят в пунктах расположения метеорологических станций значения давления, измеренные в один и тот же момент времени.

Ветер. Ветром называется движение воздуха относительно земной поверхности. Как правило, имеется в виду горизонтальная составляющая движения. Иногда говорят о восходящем или нисходящем ветре, учитывая вертикальную составляющую. Ветер характеризуется вектором скорости. Ветер определяется скоростью и направлением. Скорость ветра – путь, проходящий индивидуальным объемом воздуха за единицу времени относительно земной поверхности. За направление ветра принимают азимут точки, откуда дует ветер, отсчитываемый от точки севера через восток. Скорость ветра отсчитывается в  м/с или по шкале Бофорта. По шкале весь возможный интервал делится на 12 градаций. Различают сглаженную скорость ветра, т.е. некоторую среднюю величину. И мгновенную. Мгновенная скорость отмечает порывы и внезапные ослаблении ветра.

Пассаты - устойчивые ветры второй четверти, дующие в течение всего года над океанами на обращенной к экватору периферии субтропических антициклонов в каждом полушарии. Их скорость около 5 метров в секунду. На земном шаре эти системы ветров наиболее устойчивы

Тропосфера - нижний слой атмосферы, в котором температура в среднем убывает с высотой,. В тропиках этот слой до17 км, в умеренных широтах 12, на полюсах 9 км. В среднем, поскольку в данный момент времени убывание температуры во всем слое может нарушаться в отдельных слоях, где- то она может оставаться постоянной (изотермия) или даже расти с высотой (инверсия). В тропосфере сосредоточено 80% всей массы атмосферного воздуха. Она испытывает непосредственное влияние подстилающей поверхности. Высота тропосферы колеблется над каждым местом изо дня в день в пределах указанных величин. Давление воздуха на верхней границе тропосферы ниже в 3-10 раз давления у земной поверхности. Нижний слой тропосферы – приземный в нем особенно выражено изменение температуры в течение суток. Слой до 1500 м называют слоем трения. Здесь заметно задерживающее влияние трения о земную поверхность на ветер. Чем ближе к земной поверхности, те скорость ниже. Верхняя граница тропосферы, т.е. тонкий переходный слой толщиной около полутора километров, где падение температуры с высотой сменяется ее постоянством (изотермией), называется тропопаузой.

Стратосфера. Выше тропопаузы до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся темя. Что температура в ней в среднем растет с высотой. С начала медленно, с 35 км быстрее. Верхняя граница стратосферы – стратопауза. Здесь температура такая же, как у поверхности земли. В стратосфере нет неупорядоченных движений и перемешиваний, свойственных тропосфере. Водяного пара мало, однако на высоте 22-24 км в высоких широтах наблюдаются тонкие перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися. Состав воздуха стратосферы отличается от тропосферного наличием озона. С озоном связан рост температуры в стратосфере, т.к. он поглощает солнечную радиацию.

Мезосфера располагается от стратопаузы до высоты 80 км. В мезосфере температура вновь понижается с высотой (до -110 в ее верхней части). Вследствие быстрого падения температуры в мезосфере развита турбулентность. В верхней части мезосферы образуются серебристые облака, состоящих из кристаллов. Верхняя граница мезосферы – мезопауза. Давление там, в 1000 раз меньше тропосферного.

Термосфера. Верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, называется термосферой. В термосфере температура резко возрастает с высотой. На высоте 200-250 км она превышает 1500 градусов. На больших высотах рост температуры не наблюдается. Высокие температуры означают, что молекулы движутся в этом слое с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в термосфере так мала, что любое тело, находящееся здесь не будет нагреваться путем теплообмена. До высоты 100 км состав воздуха не изменяется. Выше 100 км появляется атомарный кислород, исчезает диоксид углерода и аргон. Воздух сильно ионизирован, поэтому часть термосферы от мезопаузы до 1000 км называется ионосферой.

Экзосфера атмосферные слои выше 1000 км выделяются  под названием экзосферы. Скорости движения частиц, особенно легких, здесь очень велики. Вследствие чрезвычайной разреженности они могут облетать землю по орбитам. Особенно быстрые частицы могут покидать землю и улетать в мировое пространство. Ускользают в основном атомы водорода и гелия.

Дымка замутнение воздух, а вследствие наличия в нем примесей (пылинки) и продуктов конденсации (капли), при котором видимость составляет 1-10 км, дымка наблюдается у земной поверхности. Она ослабляет краски ландшафта и придает небесному своду беловатость. Оттенок, придаваемый дымкой, зависит от диаметра частиц, составляющих ее.

Мгла - помутнение, вызванное твердыми частицами.

Смог туман, смешанный с примесями антропогенного происхождения.  

Туман скопление продуктов конденсации (капель и (или) кристаллов) у земной поверхности и связанное с ним сильное помутнение воздуха, при котором видимость становится менее 1 км. При положительных температурах туман состоит из капель, при слабоотрицательных – из переохлажденных капель, при температуре ниже -10 градусов в тумане появляются кристаллы.

Осадки  наиболее типичные и значимые осадки – дождь и снег. Обложные осадки выпадают из облаков восходящего движения (слоисто – дождевых и высокослоистых), связанных с фронтами, это осадки средней интенсивности, выпадающие на больших площадях. Они распространяются равномерно и продолжаются длительное время. Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией. Выпадают интенсивнее, но малопродолжительны. Малая продолжительность связана с тем, что они связаны с отдельными облаками или узкими зонами облаков. Для ливней характерна неравномерность. Моросящие осадки выпадают из слоистых и слоисто – кучевых облаков, типичных для теплых или устойчивых воздушных местных масс. Вертикальная протяженность этих облаков невелика. В теплое время осадки могут выпадать из них только в результате взаимного слияния капель. Выпадающие осадки – морось состоит из очень мелких капелек. Зимой – мелкие кристаллы (снежные зерна).

Дождь – жидкие осадки, состоящие из капель

Снег – твердые осадки, состоящие из кристаллов, имеющих форму шестилучивой звезды. Снежинки при падении сливаются в хлопья. Чем ближе температура к нулю, тем крупнее хлопья.

Ледяной дождь состоит из замерзших капелек воды (результат инверсии температуры)

Град осадки в виде кусочков льда чаще шарообразной формы, до 300 г! градины состоят из белого матового ядра и далее последовательных прозрачных и мутных слоев льда. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах, как правило, с ливневым дождем. Градины в течении свой жизни увлекаются то вверх, то вниз. В результате столкновения с переохлажденными каплями градины наращивают свои размеры. В нисходящих токах градины опускаются в слои с положительными температурами, где обтаивают сверху, затем, в восходящих потоках они снова поднимаются вверх и замерзают с поверхности и т.д. для образования града необходима большая водность облаков, поэтому град выпадает только в теплое время года.

Крупа – осадки из сильно озерненных снежинок. Наблюдается при температурах, близких к нулю.

Изотермы – линии равной температуры воздуха. Для приведения температуры к уровню моря увеличивают температуру на каждой станции, соответственно высоте станции (в среднем 0.5 градуса на 100 м). Различают приведенные и не приведенные изотермы. На картах не приведенных изотерм изотермы над горами не проводятся.

Изобары – линии равного давления. Изобары наносятся на географическую карту так, что бы каждая изобара отличалась от соседних на какую то величину. Изобары образуют изображения циклонов, антициклонов, и другие формы барического рельефа.

 Инверсия ­– отклонение температуры (или других величин) от нормального состояния. Однако инверсии температур – повседневное состояние. Инверсия характеризуется высотой нижней границы, с которой начинается аномалия, скачком температуры – разность температур на верхней и нижней границах. Вертикальная изотермия – явление, когда в некотором слое температура с высотой не изменяется (а должна). Приземная инверсия начинается с подстилающей поверхности. Вследствие ночного радиационного охлаждения подстилающая поверхность и воздух над ней остывают ниже вышележащих слоев воздуха. Наблюдается рост температур с высотой.

Гололед – образование слоя льда на земной поверхности в результате намерзания капель переохлажденных жидких осадков.

Гололедица – образование слоя льда на земной поверхности в результате таянья  и последующего замерзания верхнего слоя твердых осадков.

Фронт – полоса раздела воздушных масс с разными свойствами.

Фронт окклюзии – объединение теплой  и холодной фронтальной поверхностей в процессе эволюции циклонов и антициклонов.

Теплый фронт – фронт, перемещающийся в сторону более холодного воздуха и приводящий к смене холодной воздушной массы теплой.

Холодный фронт – фронт, перемещающийся в сторону более теплого воздуха и приводящий к смене теплой воздушной массы холодной.

Стационарный фронт – фронт длительное время располагающийся над одной территорией.

Конденсация – переход воды из газообразного состояния в жидкое или твердое

Суммарная радиация – вся солнечная радиация, (прямая и рассеянная) поступающая на землю.

Испарение – переход молекул воды в воздух из твердого тела или жидкости в результате молекулярной диффузии.

Точка росы – температура, при которой водяной пар из воздуха достигает насыщения.

Абсолютная влажность – масса водяного пара в единице объема воздуха (г/м³).

Удельная влажность – отношение массы водяного пара в некотором объеме воздуха к общей массе этого воздуха (промилле или г/кг)

Налет – пленка из воды или мелких срастающихся кристаллов льда, выделяющаяся из воздуха на преимущественно вертикальных поверхностях, охлажденных ниже точки росы (запотевание, замерзание окон).

Иней – ледяные кристаллы, возникающие на предметах, охлажденных ниже точки росы при отрицательных температурах воздуха.

Изморозь – рыхлые, белые кристаллы льда, нарастающие на тонких предметах (провода). Возникает при туманах и сильных морозах.

Фронтогенез – процесс образования атмосферных фронтов.

Фронтолиз – процесс сглаживания, исчезновения атмосферных фронтов.

Конвекция - перемещение воздуха, приводящее к переносу массы, теплоты и др. физических величин. Различают естественную (свободную) конвекцию, вызванную неоднородностью среды (градиентами температуры и плотности), и вынужденную конвекцию, вызванную внешним механическим воздействием на среду. С конвекцией в атмосфере Земли связано образование облаков.

Испаряемость – максимально возможное испарение, не ограниченное запасами воды. Испаряемость не всегда совпадает с фактическим испарением.

Гомосфера – часть атмосферы, в которой состав газов в процентном отношении не меняется (за исключением кислорода и воды).

Муссоны – устойчивые сезонные режимы воздушных течений с резким изменением направления ветра от зимы к лету и от лета к зиме.

 Атмосферное давление – сила, оказываемая воздухом на единицу площади и направленная перпендикулярно к ней. Давление газа обусловлено ударами молекул.

Относительная влажность воздуха – степень близости воздуха к состоянию насыщенности. Отношение фактического парциального давления к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах.

Барическая   ложбина – полоса пониженного давления между   двумя областями повышенного давления. Изобары в ложбине либо близки к параллельным  прямым, либо имеют вид буквы V.

Барический гребень – полоса повышенного давления между двумя областями пониженного давления. Изобары в гребне либо близки к параллельным  прямым, либо имеют вид буквы V.

Барическая седловина – участок барического поля между  расположенными крест – накрест двумя циклонами и двумя антициклонами. В седловине изобарические поверхности имеют форму седла.

Рефракция - явление “искривления” луча в неоднородной среде

Турбулентность – перемещение отдельных объемов воздуха в потоке ветра не по параллельным путям. Хаотическое, беспорядочное движение  струй воздуха.

Антициклон – область повышенного атмосферного давления с максимумом в центре, характеризующаяся системой ветров, дующих в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном полушарии – против часовой стрелки.

Изохроны – изолинии  времени наступления какого либо геофизического явления.   

Сублимация – переход вещества из твердого состояния  в газообразное, минуя жидкое, например, испарение ледников.

Воздушные массы – крупные, однородные в горизонтальном направлении части тропосферы, разделяющиеся атмосферными фронтами, перемещающиеся, как единое целое, определяя в значительной степени режим погоды. Различают массы арктического (или антарктического), полярного, тропического и экваториального воздуха.

Циклон – область пониженного давления с минимумом в центре, характеризующаяся системой ветров, дующих в северном полушарии против часовой стрелки, а в  южном полушарии – по часовой стрелке.

Изогиеты – изолинии, характеризующие количество осадков за определенный период времени.