1716

11

Практическая работа № 3

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Ее границы, состав и строение

Цель работы: знакомство с основными знаниями об атмосфере и ее строении, происходящими в ней физическими и химическими процессами, формирующими погоду и климат.

Атмосфера — 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. На дне атмосферы в основном протекает вся жизнь.

Атмосфера состоит из смеси газов — воздуха, в котором во взвешенном состоянии находятся пыль, капельки, кристаллы и т.п. Водяной пар также входит в состав воздуха, однако в отличие от большинства других газов его процентная доля существенно меняется с высотой, и даже у поверхности земли содержание водяных паров значительно меняется как во времени, так и в пространстве. В меньшей мере колеблются доли диоксида углерода и озона. Процентное отношение других газов меняется в пространстве атмосферы незначительно. Поэтому в метеорологии существуют понятия сухого воздуха и влажного воздуха.

Воздух, в отличие от воды, сжимаем, поэтому с высотой плотность его убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет (переходит в космическое пространство) без резкой границы.

Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20 км. Но присутствие воздуха — чем выше, тем все более разреженного — обнаруживается до очень больших высот.

Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах 1000 км и более. Полеты спутников на высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной.

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 30—40 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены. Но и высокие слои, отдаленные от земной поверхности на десятки, сотни и тысячи километров, приобрели большое практическое значение.

В высоких слоях атмосферы происходит поглощение ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения, которое вызывает различные фотохимические реакции разложения нейтральных газовых молекул на

12

электрически заряженные атомы. Поэтому высокие слои сильно ионизированы и обладают очень большой электрической проводимостью. В этих слоях наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающие так называемый ночной свет неба; электрическое состояние высоких слоев определяет условия распространения радиоволн, в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением.

Учением о физических (и химических) процессах в высоких слоях атмосферы занимается особая научная дисциплина — аэрономия (или физика верхней атмосферы).

Атмосферные процессы на разных высотах связаны между собой, поэтому для понимания причин изменения погоды у земной поверхности необходимо изучать всю толщу атмосферы, особенно до 30 - 40 км.

Слоистая структура атмосферы — результат температурных изменений на разных высотах. От поверхности Земли вверх существуют следующие слои:

-тропосфера,

-стратосфера,

-мезосфера,

-термосфера,

-экзосфера.

Название самого нижнего слоя атмосферы, начинающегося у земной поверхности, происходит от греческого слова «тропос», что означает «вращаться, перемешиваться». Высота тропосферы непостоянна и зависит от географической широты места, времени года, циркуляции. Граница атмосферы на одной и той же широте летом выше и ниже зимой. В умеренных широтах мощность атмосферы составляет 9—12 км, близко к полюсам она меньше — порядка 8—10 км, к экватору больше — 16—18 км. Воздух в тропосфере движется не только в горизонтальном и вертикальном направлении, но и постоянно перемешивается. При некоторых условиях атмосферной циркуляции воздушных масс в отдельных ограниченных слоях тропосферы можно наблюдать инверсию (увеличение температуры с высотой) или изотермию (температура с высотой не меняется).

Именно в тропосфере образуются облака, так как здесь сосредоточена основная масса водяного пара, выпадают осадки и происходят другие метеорологические явления.

В пределах самой тропосферы также выделяются характерные слои воздуха. В частности, самый верхний слой толщиной приблизительно в 1 км, в

13

пределах которого наблюдается постоянство температуры, называют тропопаузой. Слой воздуха от поверхности Земли до 1—1,5 км обычно выделяют как слой трения (воздуха о земную поверхность), или планетарный пограничный слой, а самый нижний слой до высоты 100 м называют приземным.

Стратосфера располагается над тропопаузой и распространяется примерно до высоты 50 км. Отличительная особенность ее — повышение температуры с высотой. Самый верхний слой стратосферы — стратопауза, где температура практически не меняется с высотой. Следует заметить, что водяных паров в стратосфере почти не существует и соответственно облачность не развивается.

Над стратосферой находится мезосфера, в которой температура понижается с высотой. Мезосфера распространяется примерно до высоты 80 км и заканчивается мезопаузой.

Термосфера отличается резким возрастанием температуры в ее пределах в связи с очень большими скоростями газовых молекул и атомов. Иногда термосферу называют ионосферой, поскольку содержание ионов здесь очень велико.

Экзосфера располагается выше термосферы, содержит только очень небольшое число атомов газа, которые движутся здесь с такой скоростью, что преодолевают притяжение Земли и улетают в космическое пространство.

Задания

1.Перечислите примеры зависимости состояния атмосферы от деятельности человека.

2.Составьте тематический конспект и реферат-презентацию к докладу по данной теме.

14

Практическая работа № 4

Солнечная радиация — основной источник энергии в географической оболочке

Цель работы: изучить влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли.

Солнце — основной источник энергии всех процессов, совершающихся на земном шаре. Вся биосфера, все формы жизни существуют только за счет солнечной энергии.

Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для Земли и атмосферы. По сравнению с солнечной энергией значение других источников энергии для Земли ничтожно мало. Например, температура Земли в среднем с глубиной возрастает (примерно 1 оС на каждые 35 м). Благодаря этому поверхность Земли получает некоторое количество тепла из внутренних частей. Подсчитано, что в среднем 1см2 земной поверхности получает из внутренних частей Земли около 220 Дж в год. Это количество в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Некоторое количество тепла Земля получает от звезд и планет, но и она во много раз (приблизительно в 30 млн.) меньше тепла, поступающего от Солнца. Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км2, составляет в летний безоблачный (с учетом ослабления атмосферы) 7-9 кВт. В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. В атмосфере наблюдается три вида солнечной радиации: прямая, рассеянная и суммарная. Прямая солнечная радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже весь земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием до Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей. На верхнюю границу атмосферы приходит только прямая радиация. Около 30 % падающей на Землю радиации отражается в космическое пространство. Кислород, азот, озон, диоксид углерода, водяные пары (облака) и аэрозольные частицы поглощают 23 % прямой солнечной радиации в атмосфере. Озон поглощает ультрафиолетовую

15

и видимую радиацию. Несмотря на то, что его содержание в воздухе очень мало, он поглощает всю ультрафиолетовую часть радиации (это примерно 3 %). Таким образом, у земной поверхности ее вообще не наблюдается, что очень важно для жизни на Земле. Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу также рассеивается. Частица (капля, кристалл или молекула) воздуха, находящаяся на пути электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям, становясь излучателем энергии. Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную солнечную радиацию. Таким образом рассеянная солнечная радиация - солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере.

Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Так как первоисточником рассеянной радиации является прямая солнечная радиация, поток рассеянной зависит от тех же факторов, которые влияют на поток прямой радиации. В частности, поток рассеянной радиации возрастает по мере увеличение высоты Солнца и наоборот. Он возрастает также с увеличением в атмосфере количества рассеивающих частиц, т.е. со снижением прозрачности атмосферы, и уменьшается с высотой над уровнем моря в связи с уменьшение количества рассеивающих частиц в вышележащих слоях атмосферы.

Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счет рассеяния и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеяния их в атмосфере могут в несколько раз увеличить рассеянную солнечную радиацию. Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность. Особенно велика ее роль в зимнее время в высоких широтах и в других районах с повышенной облачностью, где доля рассеянной радиации может превышать долю прямой. Например, в годовой сумме солнечной энергии на долю рассеянной радиации приходится в Архангельске - 56 %, в Санкт-Петербурге - 51 %. Суммарная солнечная радиация - это сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность. До восхода и после захода Солнца, а также днем при сплошной облачности суммарная радиация

16

полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации.

При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации в составе суммарной быстро возрастает и в дневные часы поток ее многократно превышает поток рассеянной радиации. Облачность в среднем ослабляет суммарную радиацию (на 20-30 %), однако при частичной облачности, не закрывающей солнечного диска, поток ее может быть больше, чем при безоблачном небе. Существенно увеличивает поток суммарной радиации снежный покров за счет увеличения потока рассеянной радиации. Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым слоем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация).

Занятие.

1.Выяснить, что такое солнечное радиация, описать виды радиации, изучить, как солнечная радиация влияет на растительный и животный мир.

2.Привести примеры использования солнечной энергии, проанализировать

сезонное изменение солнечной радиации на земной поверхности. 3. Изучить радиационный и тепловой балансы поверхности и атмосферы.

Анализ карт.

17

Практическая работа № 5

Зонально-региональные особенности суточного и годового хода температуры воздух. Характеристики влажности воздуха

Цель работы: изучить понятия влажности воздуха, фактическая упругость водяного пара, упругость насыщения, относительная влажность, дефицит влажности.

Содержание водяного пара в воздухе называют влажностью воздуха.

Основные характеристики – упругость водяного пара, относительная и абсолютная влажностью. Как всякий газ обладает упругостью (давлением). Конденсация - переход воды из газообразного состояния в жидкое происходит в атм. в виде образования мельчайших капелек диаметром в несколько микронов. Более крупные капли образуются при слиянии мелких или таянии ледяных кристаллов.

В воздухе насыщенным вод. паром при понижении t0 воздуха до точки росыτ или увеличении в нем количества в.п. происходит конденсация, при t0 ниже 00 С, вода минуя жидкое состояние может перейти в твёрдое, образуя ледяные кристаллы; этот процесс называется сублимация.

Конденсация и сублимация могут происходить в воздухе на ядрах конденсации, на земной поверхности и различных предменах. Важнейшими ядрами конденсации являются частички растворимых гигроскопичных солей, особенно морской соли (они попадают в воздух при волнение моря, при разбрызгивании морской воды и т.д.).

Когда t0 воздуха охлаждающегося от подстилающей поверхности достигает точки росы, на холодную поверхность из него оседают: роса, иней, изморозь, жидкие и твёрдые (наледь) налеты, гололёд. Атмосферными осадками называют воду, выпавшую на поверхность из атмосферы в виде дождя, мороси, крупы, снега, града. Осадки в основном выпадают из облаков, но далеко не всякое облако даёт осадки.

Формы осадков: дождь, морось, снежная крупа, снег, ледяная крупа, град. Образование осадков. Капельки воды и кристаллики льда в облаке очень

малы, они легко удерживаются воздухом, даже слабые восходящие токи увлекают их вверх. Для образования осадков необходимо укрупнение облачных элементов, чтобы они смогли преодолеть восходящие токи. Укрупнение происходит, 1) в результате слияния капелек и сцепления кристаллов; 2) в результате испарения одних элементов облака, диффузного переноса и конденсации водяного пара на других элементах (особенно в смешанных облаках). По

18

происхождению различают осадки:1) конвективные (образуются в жарком поясеот южного до северного тропика), 2) орографические и 3) фронтальные (образуются при встрече воздушных масс с разной t0 и др. физическими свойствами, выпадают из теплого воздуха в умеренном и холодном поясах).

Характер выпадения осадков зависит от условий их образования: моросящие, ливневые и обложные осадки.

Суточный ход осадков (совпадает с суточным ходом облачности) и его типы: 1) континентальный (имеет 2 максимума — утром и после полудня, и 2 минимума — ночью и перед полуднем)

2) морской (береговой) — 1 максимум (ночью) и 1 минимум (днём). Годовой ход осадков, т.е. изменение количества осадков по месяцам в

различных климатических поясах различен. Основные типы годового хода осадков: 1) экваториальный (осадки выпадают равномерно весь год, max период равноденствия); 2) муссонный (max - летом, min - зимой — субэкваториальный климатический пояс и восточные окраины материков в умер. и субтроп.поясах, особенно в Евразии и Северной Америке); 3) средиземноморский (max - зимой, min - летом; западные окраины материков в субтропическом поясе); 4) континентальный умеренного пояса ( в теплый период в 2-3 раза больше, при движении вглубь материка общее количество осадков уменьшается); 5) морской умеренного пояса (выпадают равномерно по сезонам, небольшой max в осеннезимнее время).

Коэффициент увлажнения — это отношение количества атмосферных осадков, выпадающих за определённый период (R), к испаряемости (Ем) за тот же период.

Парциальное давление водяного пара (е) – основная и наиболее употребительная характеристика влажности. Эта та часть общего давления, которая обусловлена данным газом. Парциальное давление пропорционально его плотности и абсолютной температуре. Выражается в гектопаскалях.

Относительная влажность (f) – отношение фактического давления пара к давлению насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах.

Абсолютная влажность (а) – масса водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха, т.е. плотность водяного пара, выраженная в граммах на кубический метр.

Абсолютную влажность легко рассчитать, зная давление пара и температуру воздуха. При температуре 0°С (273 К) и для состояния насыщения а

= 4,9 г/м3.

19

Абсолютная влажность меняется при адиабатических процессах. При расширении воздуха объем его увеличивается, и то же количество водяного пара распределяется на большой объем; следовательно, абсолютная влажность уменьшается. При сжатии воздуха абсолютная влажность растет.

Удельная влажность (массовая доля водяного пара) (q) – отношение массы водяного пара в некотором объеме к общей массе влажного воздуха в том же объеме. Если этот объем равен 1 м3 можно определить удельную влажность q как отношение плотности водяного пара к общей плотности влажного воздуха: q= ρw/ ρ

Удельную влажность можно вычислить, зная давление водяного пара и давление воздуха.

Удельная влажность – безразмерная величина. Из выражения видно, что ее значения всегда малы, поскольку р во много раз больше е. В соответствии с ГОСТом удельную влажность выражают в промилле (‰). Однако на практике ее часто выражают числом граммов водяного пара в килограмме воздуха:

В отличие от абсолютной влажности удельная влажность не меняется при адиабатическом расширении или сжатии воздуха, так как при адиабатических процессах меняется объем воздуха, но не масса его.

Близка по значению к удельной влажности другая безразмерная характеристика – отношение смеси (S). Отношением смеси называют отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха в том же объеме. Так же как и удельную влажность, на практике отношение смеси выражают числом граммов водяного пара на килограмм сухого воздух

Задание

1. Охарактеризуйте понятия: абсолютная влажность, фактическая упругость водяного пара, упругость насыщения, относительная влажность, дефицит влажности. Какая связь между ними и температурой воздуха?

2. Охарактеризуйте гидрометеоры: роса, иней, изморозь, жидкий и твердый налет, гололед. В чем заключается практическое значение их изучения?

20

Задачи для расчета:

1.Температура воздуха по Цельсию равна 14°. Определить температуру по Фаренгейту и Кельвину. Температура воздуха по Фаренгейту равна 13°.

Определить температуру по Цельсию и Кельвину.

2.Определить плотность снега, когда во время проведения съемки его высота оказалась равной 52 см, а показания веса снегомера - 14 делений.

3.Определить запас воды в снежном покрове, когда высота его 50 см, а плотность составляет 0,25 г/см3.

4.Температура воздуха 17,6°С, упругость водяного пара 12,4гПа. Определить относительную влажность и дефицит влажности.

5.Температура воздуха 13,5°С, дефицит влажности 5,8 гПа. Определить упругость насыщения и упругость пара.

6.Найти температуру воздуха, когда упругость пара составляет 3,6 гПа, а дефицит влажности 2 гПа.

7.Температура воздуха 27,5°С, точка росы 10,4°С. Определить упругость насыщения, упругость пара, дефицит влажности и относительную влажность.

8.Абсолютная влажность воздуха равна 18,6 г/м3. Определить упругость водяного пара при температуре воздуха +25,5 °С.

9.Определить точку росы, если относительная влажность составляет 70 %,

атемпература +5,6 °С.

10.Определить количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, если дефицит влажности равен 0,5 мм, а температура – 2,5 °С.

11.В 1 кг воздуха содержится 5 г водяного пара при температуре 20 °С и атмосферном давлении 1008 гПа. Определить относительную влажность воздуха и дефицит влажности.

12.Во время дождя выпало 9,6 мм осадков. Какая масса воды выпала на площадь 1м2, 1 га, 1 км2? Определить количество осадков, когда число делений по измерительному сосуду осадкомера равно 18, 64, 99.

13.От свежевыпавшего, рыхлого снега может образоваться слой воды 18 мм, а весной при оттепелях снег может дать слой воды в 220 мм. Какова плотность снега в первом и во втором случае при средней высоте снежного покрова 50 см?

14.Какой слой воды образуется при таянии снега, если объем взятой пробы снега составляет 2800 см3, объем воды, образовавшейся при таянии этого снега, равен 900 см3, а средняя высота снежного покрова 60 см?