Атмосфера
Воздух состоит из азота, кислорода, углекислого газа, аргона, гелия, неона, криптона и ксенона. В атмосфере всегда присутствует водяной пар, попадающий туда при испарении с поверхности морей и материков.
Излучение от Солнца прежде, чем достигнуть поверхности Земли, проходит через атмосферу. В атмосфере солнечные лучи поглощаются и рассеиваются входящими в состав атмосферы газами, частицами пыли, водяным паром, облаками. В верхних слоях атмосферы особенно сильно поглощается ультрафиолетовая часть спектра излучения. Пройдя через атмосферу, лучи достигают поверхности Земли, где часть излучения поглощается растениями и самой поверхностью, другая часть отражается ими. При удалении от поверхности Земли интенсивность радиации от Солнца возрастает и в её составе появляется всё большее количество ультрафиолетовых лучей.
Энергия, поглощённая поверхностью Земли, расходуется на излучение, нагревание воздуха, почвы и водных поверхностей и на испарение. Почва прогревается вглубь очень медленно и не на большую глубину – не больше 25 м. При конденсации паров воды в атмосферу выделяется такое количество энергии, какое было поглощено при её испарении. Это нагревает атмосферу и предохраняет её от резких понижений температуры. Не всегда конденсация водяных паров происходит там же, где образуются пары. Часто пары переносятся на большие расстояния, и конденсация происходит в более холодных районах, чем те, где происходило испарение. Этот процесс, также как и перенос воздушными течениями теплоты, полученной ими от нагретых поверхностей, приводит к смягчению климатических условий в холодных районах.
Солнечное излучение содержит в себе кроме видимого излучения, инфракрасное и ультрафиолетовое. Водяные пары обладают важной особенностью: они гораздо сильнее поглощают инфракрасные лучи, чем видимые. Поэтому земная атмосфера является своеобразной ловушкой для энергии солнечных лучей. Видимые лучи свободно проникают сквозь атмосферу и поглощаются земной поверхностью. За счёт поглощённой энергии земная поверхность излучает инфракрасные лучи, которые поглощаются водяным паром и нагревают атмосферу. Благодаря этому температура поверхности Земли составляет около 15 Со, иначе температура была бы значительно ниже. В этом смысле действие водяных паров сходно с действием стёкол, служащих для закрывания парников.
В атмосфере происходят адиабатические процессы, при которых отсутствует теплообмен с окружающей средой. При адиабатическом расширении газ охлаждается, так как при этом совершается работа против сил внешнего давления, в результате которой внутренняя энергия газа уменьшается. В восходящем потоке воздух расширяется, так как он попадает в области всё меньшего давления, при этом он охлаждается. Этот процесс происходит без теплообмена с окружающими слоями воздуха, тоже поднимающимися и тоже охлаждающимися. Эти процессы проявляются, например, когда воздушный поток на своём пути встречает горный хребет и вынужден подниматься по его склонам вверх. Восходящее движение воздуха сопровождается его охлаждением. Поэтому климат горных стран всегда холоднее климата ближайших равнин и на больших высотах господствует вечный мороз. На горах с некоторой высоты снег уже не успевает растаять за лето и накапливается год за годом в виде снежников и ледников. Когда воздушная масса опускается, она сжимается и при сжатии нагревается. Если воздушный поток, перевалив через горный хребет, спускается вниз, он снова нагревается. Таким образом, возникает тёплый ветер, хорошо известный в горных странах – на Кавказе, в Средней Азии, в Швейцарии и т. д.
Когда влажный воздух достигает при своём постепенном охлаждении точки росы, водяной пар начинает в нём конденсироваться, в результате чего образуются мельчайшие капли воды, из которых состоит туман. Туман может образоваться в приземном слое воздуха, когда воздух охлаждается благодаря соприкосновению с холодной поверхностью Земли или моря. Облака – это тот же туман, только они возникают в более высоких слоях атмосферы. Главная причина образования облаков – в охлаждении воздуха поднимающегося вверх. При конденсации выделяется теплота, которая замедляет дальнейшее охлаждение воздуха. Поэтому поднимающийся поток воздуха будет охлаждаться при конденсации пара медленнее, чем тогда, когда воздух совершенно сухой. В состав облаков также входят ледяные кристаллы, которые образуются при дальнейшем охлаждении капель воды. Капли облаков и туманов столь мелки (имеют диаметр от 3 до 40 микрон), что падают в воздухе чрезвычайно медленно, почти незаметно. Очень часто при морозе эти капли являются переохлаждёнными, т. е. остаются жидкими и не замерзают.
При сильных воздушных потоках, направленных вертикально вверх, образуются особенно плотные, непросвечивающие белые клубящиеся облака – кучевые облака. Иногда они перерастают в высокие, высотой в несколько километров, грозовые облака. Когда восходящее движение в атмосфере очень медленное, но охватывает одновременно огромную массу облака на протяжении многих сотен километров, образуются слоисто-дождевые облака, серые плотные и бесформенные. Слой таких облаков иногда имеет толщину 4 – 5 км.
В атмосфере может возникнуть волнообразное движение воздуха. В гребешках воздушных волн воздух поднимается вверх, и там образуются отдельные облачка или облачные валы, а в промежутках между гребешками остаются просветы. Такие облака в народе называют «барашками».
В облаке более крупные и тяжёлые капли, догоняя при падении мелкие, могут образовывать капли настоящего дождя. Чаще же всего осадки (дождь, снег и пр.) образуются в облаках благодаря различному давлению насыщающего водяного пара над водой и льдом. Если в облако, состоящее из переохлаждённых капель, попадает частица льда, то кристалл начинает расти, а капли испаряться. Таким путём в облаке вырастают большие снежинки. Они постепенно выпадают из облака. Если они внизу попадают в слой более тёплого воздуха с температурой выше 0 Со, то могут растаять в нём и выпасть в виде капель дождя.
В метеорологии снег, дождь, град и т. д. объединяют общим названием «осадки». Количество осадков определяют, вычисляя, какой толщины (в см) слой воды образовался бы на поверхности Земли, если бы вода никуда не стекала и не испарялась.
Искусственное осаждение облаков и образование из них осадков можно осуществить, если разбрасывать с самолёта мелкие частицы твёрдой углекислоты, охлаждённой до – 70 Со. Вокруг них в воздухе образуется благодаря столь низкой температуре огромное число мелких кристалликов льда. Эти кристаллики затем рассеиваются в облаке благодаря движению воздуха. Они служат зародышами, на которых вырастают большие снежинки. Образовавшиеся снежинки могут создавать довольно сильный снегопад.
Над поверхностью Земли в атмосфере постоянно наблюдаются воздушные движения. Движения воздуха, направленные вдоль поверхности, называются ветрами. Эти движения крайне разнообразны и могут быть как слабыми дуновениями ветерка, так и наводящими ужас тайфунами, разрушающими всё на своём пути.
Движение воздуха вызывается разностью давлений, оно направлено от мест и областей, где давление воздуха больше, к тем местам, где давление меньше. Но, как правило, ветер никогда не дует прямо в направлении от большего давления к меньшему из-за различных препятствий встречающихся на пути потока.
Солнце неравномерно нагревает земную поверхность из-за её неоднородности (моря, суша, горы, степи, леса). Это и является основной причиной местных воздушных течений. Более нагретый воздух, расположенный над обнажённой землёй, сухими степями, песком и скалами, расширяется и поднимается вверх. Наверху начинается движение в сторону холодного воздуха, находящегося над лесами, болотами, водными пространствами и т. д. А в нижнем слое менее нагретый воздух поднимается в сторону тёплого. Кроме того, мощные воздушные течения возникают вследствие большого нагрева земного шара у экватора по сравнению с полярными областями.
Различия в давлении вызывает, например, дневные и ночные бризы. Также возникают ветры, меняющиеся от лета к зиме, их называют муссонами. В Азии летом температура воздуха может превышать 50 Со, а давление понижается. В результате мощный поток более холодного воздуха с грозами и ливнями вторгается с моря в конце мая или начале июня в Индию.
Воздух и все тела, движущиеся по поверхности Земли, вследствие её вращения получают ускорение вправо в северном полушарии и влево в южном.
Ветры вызывают образование волн на поверхности морей и океанов. Их энергия применяется в ветряных мельницах, в ветроэнергетических установках, с её помощью движутся парусные суда.
Воздушные течения бывают горизонтальными и вертикальными, их направление и скорость часто меняется, особенно при обтекании всевозможных препятствий. При этом движение становится беспорядочным, и поток насыщается вихрями больших или малых размеров. Наблюдать вихревое движение приходится часто, например, при движении воды за устоями мостов, в бурлящей воде за гребным винтом моторной лодки. В чистом воздухе вихри невидимы, тем не менее, их можно наблюдать, когда они кружат дорожную пыль, сухие листья или пушинки тополей.
Встречающиеся в природе циклоны также являются вихрями, только колоссальных размеров.
Иногда в месте встречи двух различных по температуре и скорости воздушных масс возникают вращающиеся столбы воздуха, поперечник которых достигает десятки и сотни метров. Одновременно столб несётся вперёд. Воздух в нём вращается вокруг вертикальной оси и при этом перемещается вверх. Скорость движения внутри него может достигать около 100 м/с. При столь быстром вращении воздуха внутри вихря возникают центробежные силы, благодаря чему воздух там разрежён и давление понижено. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает её в себя, образую колоннообразную вращающуюся массу воды. Такой вихрь носит название водяного смерча, а вихрь, проносящийся над сушей, – тромба. Водяные смерчи образуются на морях, озёрах и реках. Особенно эффектны, но вместе с тем и опасны громады водяных смерчей на море. Вместе с водой смерч втягивает в себя все достаточно лёгкие предметы: рыб, медуз, раков, лягушек и другие мелкие существа, и водяные растения. В старину при приближении водяного смерча к парусному судну полагалось расстреливать его из пушек.
Когда смерчь выходит на сушу, он превращается в воздушный смерчь, часть же втянутых и высоко поднятых предметов и воды продолжает под действием вихря оставаться на высоте. Позднее, когда смерчь пройдёт некоторое расстояние и интенсивность его ослабеет, они падают на землю вместе с дождём. Иногда это происходит в большом отдалении от воды.
Аналогично водяному смерчу искусственно можно создать и песчаный смерч.
Предсказание погоды очень важно для человечества. Но, используя только местные приметы, невозможно точно её предсказать, необходимо знать состояние атмосферы на больших территориях в течение длительного времени. Сопоставляя результаты огромного числа систематических наблюдений свойств атмосферы, выполняемых в разных точках Земли на метеорологических станциях, можно спрогнозировать погоду. На таких станциях постоянно определяют давление воздуха, температуру, влажность, количество осадков, скорость и направление ветра и т. д. Также необходимо знать общий вид облачности над всей Землёй, его определяют с помощью искусственных спутников Земли. Все эти данные используют для количественного просчёта и прогноза погоды на электронно-вычислительных машинах.
Свидетельство о публикации №217063001911