CC BY
165
Физика
Движение в атмосфере
А.А. Гоева,
ДЦисБ-1-1
Изменчивость погоды общеизвестна и ее капризы ежедневно подтверждаются синоптическими картами и сводками погоды, которые появляются в Интернете и демонстрируются по телевидению. Эти изменения происходят из-за того, что атмосфера находится в непрерывном движении. Она движется, если рассмотреть воздух под микроскопом, она движется, если смотреть на нее со спутника. Движение атмосферы может принести нам как благоприятную погоду, так и природные катаклизмы, поэтому люди уделяют огромное внимание изучению и предсказанию погоды.
Атмосфера - воздушная оболочка Земли, состоящая из пяти концентрических слоев - тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы.
Атмосфера состоит из смеси газов: азота (78,08% ее объема), кислорода (20,95%) и др.
Тропосфера - слой атмосферы, в котором формируется погода. Она простирается примерно до высоты 10 км. Зона авиации - это тропосфера.
Стратосфера расположена в диапазоне от 10 до 50 км над уровнем моря. Для нее характерны довольно постоянные ветры и температуры и редкие перламутровые облака, образованные кристаллами льда.
Мезосфера - слой атмосферы, расположенный в интервале высот от 50 до 80 км. В ее пределах температура постепенно понижается примерно от 0° C у нижней границы до -90° С.
Термосфера - высокие слои атмосферы примерно от 80 до 700 км, в которых повышается температура. Современные пилотируемые орбитальные космические аппараты летают на высотах около 300-400 км.
33
Экзосфера (ионосфера) - самый верхний слой атмосферы, начинающийся на высотах около 700 км, где атомы и молекулы находятся настолько далеко одни от других, что сталкиваются весьма редко.
Человечество непрерывно подвергается воздействию погодных условий. Лед и снег, шквалы, жара и мороз в каждый момент нашего существования создают для нас различные дискомфортные ситуации или, наоборот, весьма благоприятные метеорологические условия.
Метеорология исследует причины возникновения различных изменений этих условий.
Динамическая метеорология - раздел метеорологии, занимающийся теоретическим изучением атмосферных процессов в тропосфере и нижней стратосфере с использованием уравнений гидромеханики, термодинамики и теории излучения.
Главная задача динамической метеорологии - прогноз погоды на различные сроки. Динамическая метеорология занимается и более ограниченными задачами - анализом происхождения и поведения атмосферных волн и вихрей различного масштаба и деталей общей циркуляции, а также атмосферной турбулентности и конвекции.
Многие ученые проводили исследования в области циркуляции атмосферы. Например, Уильям Феррель в ряде исследований, начатых в 1856 г., дал первую теоретическую модель общей циркуляции атмосферы, основанную на уравнениях гидромеханики, что способствовало оформлению динамической метеорологии как научной дисциплины.
Основные проблемы динамической метеорологии
Изучение общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Можно выяснить причины аномалий климата, а также установить закономерности климата прошлых геологических эпох.
Исследование турбулентности в атмосфере и гидросфере. Все атмосферные движения по существу являются турбулентными.
Прогноз погоды. Условно проблема делится на три части: краткосрочный прогноз на срок до 3 суток, долгосрочный прогноз и прогноз местных условий погоды.
В атмосфере существует четыре типа энергии: потенциальная, внутренняя, кинетическая и скрытая.
Определенная доля энергии атмосферы затрачивается на испарение облачных капель, океанской, морской, озерной и речной воды.
Энергию, которая идет на испарение с поверхности влажной земли, листвы и травы, называют скрытой. Эта энергия может возвратиться в атмосферу, когда пар снова конденсируется в воду. Движение воздуха, которое начинается в результате поглощения лучистой энергии Солнца Землей, представляет собой четвертый тип энергии - кинетическую энергию.
34
Атмосфера постоянно превращает один вид энергии в другой, однако полная энергия всегда остается постоянной. Внутренняя и геопотенциальная энергия атмосферы зависит от притока радиации, расходуется частично на образование кинетической энергии ветров, частично переходит в скрытую энергию. Два последних вида энергии могут вновь превращаться в тепло: кинетическая энергия - в процессе трения воздушных потоков о земную поверхность и трения молекул воздуха между собой, а скрытая - в процессе конденсации водяного пара в атмосфере. Оба эти процесса, как и поглощение лучистой энергии, разогревают атмосферу, то есть увеличивают ее внутреннюю и геопотенциальную энергию.
Циркуляционные процессы в атмосфере происходят под действием разных сил.
Движения воздуха на земной поверхности не обязательно прямолинейны. Воздух, как и любой другой предмет, движущийся, по Земле, испытывает влияние вращения Земли. В то время как предмет двигается прямолинейно по поверхности нашей вращающейся планеты, его траектория как бы отклоняется от прямолинейной и становится криволинейной по отношению к вращающейся Земле. Это видимое отклонение движения вызвано действием силы Кориолиса, впервые описанной математически французским физиком Г. Кориолисом в XIX в. Действие силы Кориолиса можно заметить также в поведении морских течений.
Как только воздух начинает двигаться и возникает ветер, вступают в действие три силы: центробежная сила, сила тяжести и сила градиента давления. Центробежная сила отражает стремление воздуха, движущегося по криволинейной траектории, удаляться по прямой линии в направлении от центра кривизны.
В холодном воздухе молекулы атмосферных газов расположены теснее, чем в теплом. Поэтому холодный воздух плотнее теплого. Различие плотности соседних порций воздуха служит причиной того, что воздух начинает перемещаться из одних районов в другие. Разность давления действует как сила, направленная из районов более высокого давления в районы более низкого давления. Изменение давления от одного района к другому называется градиентом давления.
Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создается лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается барометрической формулой.
В северном полушарии воздух втекает в область пониженного давления, вращаясь вокруг нее против часовой стрелки. В южном полушарии вращение воздуха вокруг такой области совершается по часовой стрелке. Такой тип движения воздуха называется циклоническим.
35
Ветер в областях пониженного давления бывает довольно сильным, так как градиенты давления в них сравнительно велики.
Области повышенного давления создают систему ветров, называемую антициклонической. Антициклонический тип движения воздуха образует систему, площадь которой обычно больше площади циклонической системы. В антициклонах ветер более слабый, чем в циклонах.
Воздух, перемещающийся из одних районов Земли в другие, создает целую систему циркуляционных областей, опоясывающих весь земной шар. В каждой такой циркуляционной области преобладают свои ветры и свое распределение давления.
Пояс низкого давления обычно называют экваториальной зоной затишья. В этой зоне преобладает сравнительно хорошая погода с частым появлением кучевых облаков и довольно интенсивными грозами. Субтропический пояс высокого давления. Этот пояс характеризуется неустойчивыми и исключительно слабыми ветрами. Третий пояс давления - очень низкого - называется субполярным минимумом. Рассматриваемый пояс отличается довольно устойчивыми ветрами.
Кроме огромного количества лучистой энергии, в атмосферу Земли приходят от Солнца также протоны и электроны. На заряженные частицы, или солнечные космические лучи, несущие очень большую энергию, на подходе к Земле начинает влиять ее магнитное поле.
Радиационные пояса имеют форму колец, опоясывающих Землю. По существу они представляют собой области повышенной концентрации протонов и электронов, «захваченных» магнитосферой Земли. Радиационные пояса - одна из самых важных особенностей нашей планеты. Радиационные пояса, улавливая заряженные частицы, не пропускают их к земной поверхности. Если бы эти частицы достигали земной поверхности, общий уровень радиации на поверхности нашей планеты был бы в несколько раз выше, чем теперь. В результате этого на Земле не могла бы существовать жизнь в современных ее формах.
Из сказанного видно, что общая циркуляция земной атмосферы представляет собой более сложную систему, чем иногда считают. Поэтому неудивительно, что многие стороны ее поведения еще трудно четко объяснить. Решение проблем общей циркуляции атмосферы, вероятно, следует искать тремя методами: теоретическим, экспериментальным и статистическим. В большинстве теоретических исследований строится упрощенная модель атмосферы с помощью математических уравнений. Если затем окажется, что эти уравнения соответствуют фактической атмосферной циркуляции, то они могут привести к важным открытиям и к новому пониманию процессов, управляющих циркуляцией.
36
Библиографический список
1. Атмосфера // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
2. Большая советская энциклопедия. - М. : Советская энциклопедия, 1970.
3. Погосян Х.П. Общая циркуляция атмосферы / Х.П. Погосян. - Л., 1972.
4. ЛоренцЭ.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы / Э.Н. Лоренц ; пер. с англ. - Л., 1970.
5. Пальмен Э. Циркуляционные системы атмосферы / Э. Пальмен, Ч. Ньютон ; пер. с англ. - Л., 1973.
6. Виноват ли кислород? // Наука и жизнь. - 2013. - № 5.
7. Этапы большого пути // Наука и жизнь. - 1961. - № 5.
8. Атмосфера в движении. http://klimat-factor.ru/ atmosferavdvijenii.html
9. Земной климат. http://www.zemnoyklimat.ru/category/
atmosfera
37
