Физическая география

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.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7