Содержание статьи
Также по теме

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ. Метеорология – наука об атмосфере Земли. Климатология – раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних характеристик атмосферы за какой-либо период – сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок. Другими разделами метеорологии являются динамическая метеорология (изучение физических механизмов атмосферных процессов), физическая метеорология (разработка радиолокационных и космических методов исследования атмосферных явлений) и синоптическая метеорология (наука о закономерностях изменения погоды). Эти разделы взаимно перекрываются и дополняют друг друга. См. также АТМОСФЕРА; КЛИМАТ.

Значительная часть метеорологов занимается прогнозом погоды. Они работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, сельское хозяйство, строительство и флот, а также передают их по радио и телевидению. Другие специалисты проводят наблюдения за уровнем загрязнения, оказывают консультации, преподают или занимаются научно-исследовательской работой. При метеорологических наблюдениях, прогнозе погоды и научных изысканиях все бóльшее значение приобретает электронное оборудование.

ПРИНЦИПЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОГОДЫ

Температура, атмосферное давление, плотность и влажность воздуха, скорость и направление ветра – основные показатели состояния атмосферы, а к дополнительным параметрам относятся данные о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п.

Характеристикой внутренней энергии физического тела является температура, которая повышается с увеличением внутренней энергии среды (например, воздуха, облаков и т.д.), если баланс энергии положителен. Основными составляющими энергетического баланса являются нагревание при поглощении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения; остывание за счет излучения инфракрасной радиации; теплообмен с земной поверхностью; приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха. Температура может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или Кельвина (К). Минимальная возможная температура, 0° по шкале Кельвина, называется «абсолютным нулем». Разные температурные шкалы связаны между собой соотношениями:

F = 9/5 С + 32; С = 5/9 (F – 32) и К = С + 273,16,

где F, С и К соответственно обозначают температуру в градусах по шкалам Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают в точке –40°, т.е. –40° F = –40° C, что можно проверить по приведенным выше формулам. Во всех прочих случаях значения температур в градусах по шкалам Фаренгейта и Цельсия будут различаться. В научных исследованиях обычно используются шкалы Цельсия и Кельвина.

Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно изменяется, если меняется высота столба воздуха над данной точкой. Давление воздуха на уровне моря составляет ок. 10,3 т/м2. Это означает, что вес столба воздуха с горизонтальным основанием площадью 1 кв.м на уровне моря составляет 10,3 т.

Плотность воздуха – это отношение массы воздуха к занимаемому им объему. Плотность воздуха возрастает при его сжатии и уменьшается при расширении.

Температура, давление и плотность воздуха связаны между собой уравнением состояния. Воздух в значительной степени подобен «идеальному газу», для которого, согласно уравнению состояния, температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделенная на давление, есть величина постоянная.

Согласно второму закону Ньютона (закону движения), изменения скорости и направления ветра обусловлены действующими в атмосфере силами. Это сила тяжести, которая удерживает слой воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого давления в область низкого) и сила Кориолиса (см. также АТМОСФЕРА). Сила Кориолиса оказывает влияние на ураганы и другие крупномасштабные погодные явления. Чем меньше их масштабы, тем менее существенна для них эта сила. Например, от нее не зависит направление вращения смерча (торнадо).

ВОДЯНОЙ ПАР И ОБЛАКА

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Если воздух не способен удерживать бóльшее количество водяного пара, он переходит в состояние насыщения, и тогда вода с открытой поверхности перестает испаряться. Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится в тесной зависимости от температуры и при ее повышении на 10° С может увеличиться не более, чем вдвое.

Относительная влажность – это отношение фактически содержащегося в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения. Относительная влажность воздуха вблизи земной поверхности часто велика утром, когда прохладно. С повышением температуры относительная влажность обычно уменьшается, даже если количество водяного пара в воздухе мало изменяется. Предположим, что утром при температуре 10° С относительная влажность была близка к 100%. Если в течение дня температура понизится, начнется конденсация воды и выпадет роса. Если же температура повысится, например до 20° С, роса испарится, но относительная влажность составит лишь ок. 50%.

Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. Формирование облаков происходит, когда при подъеме и охлаждении водяной пар переходит через точку насыщения. При подъеме воздух попадает в слои все более низкого давления. Ненасыщенный воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50% поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. Конденсация сначала происходит у основания облака, которое растет вверх до тех пор, пока воздух не перестанет подниматься и, следовательно, охлаждаться. Летом этот процесс легко увидеть на примере пышных кучевых облаков с плоским основанием и воздымающейся и опускающейся вместе с перемещением воздуха вершиной. Облака формируются также в фронтальных зонах, когда теплый воздух скользит вверх, надвигаясь на холодный, и при этом охлаждается до состояния насыщения. Облачность возникает и в областях низкого давления с восходящими потоками воздуха.

Туман представляет собой облако, расположенное у самой земной поверхности. Он часто опускается на землю в тихие, ясные ночи, когда воздух влажный, а земная поверхность охлаждается, излучая в пространство тепло. Туман также может образоваться при прохождении теплого влажного воздуха над холодной поверхностью суши или воды. Если холодный воздух оказывается над поверхностью теплой воды, прямо на глазах возникает туман испарения. Он часто образуется по утрам поздней осенью над озерами, и тогда кажется, что вода кипит.

Конденсация является сложным процессом, при котором микроскопические частицы содержащихся в воздухе примесей (сажи, пыли, морской соли) служат ядрами конденсации, вокруг которых формируются капельки воды. Такие же ядра необходимы для замерзания воды в атмосфере, так как в очень чистом воздухе при их отсутствии капельки воды не замерзают до температур ок. –40° С. Ядро льдообразования представляет собой маленькую частицу, похожую по структуре на кристалл льда, вокруг которой и формируется кусочек льда. Вполне естественно, что находящиеся в воздухе ледяные частицы являются лучшими ядрами льдообразования. В роли таких ядер выступают также мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже –10°–15° С. Таким образом, создается странная ситуация: капельки воды в атмосфере почти никогда не замерзают при переходе температуры через 0° С. Для их замерзания требуются существенно более низкие температуры, особенно если в воздухе содержится мало ядер льдообразования. Одним из способов стимулирования выпадения осадков является распыление в облаках частичек йодистого серебра – искусственных ядер конденсации. Они способствуют смерзанию крошечных капелек воды в ледяные кристаллы, достаточно тяжелые, чтобы выпадать в форме снега.