1.2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРЫ

Тепловоесостояниевоздухахарактеризуетсяеготемпературой, котораяявляетсямерой средней кинетической энергии движения молекул и атомов, составляющих воздух. Нагреваниеатмосферного воздухапроисходит, восновном, засчетпередачи тепловой энергииотземнойповерхностипутемтермическойконвекции, турбулентности, излученияи теплопроводности.

Дляхарактеристикиизменениятемпературы воздухасвысотойвводитсяпонятие– вертикальныйтемпературныйградиент( ) этовеличинаизменениятемпературывоздуха наединицувысоты(100 мили1 км):

Величина непостояннаизависитоттипавоздушноймассы, временигодаисуток, характераподстилающейповерхностиидругихфакторов. Припонижениитемпературы воздухасвысотой > 0°С. Если температурасвысотой неизменяется = 0°С (слой изотермии). Приростетемпературы свысотой < 0°С (слойинверсии). В стандартной атмосфере = 0,65°С/100 м.

По можнорассчитать:

где t0 – температуравоздухауземли; Н– высотавметрах.

Водаватмосфереможетнаходитьсявтрехфазовых состояниях – газообразном, жидком и твердом – и переходитьизодного состояния в другоепутем испарения, конденсации, сублимации, замерзанияитаяния(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Фазовыепереходыводы

- 8 -

При испарении происходит поглощение, а при конденсации и сублимации – выделениетепла. Содержаниеводяногопараввоздухе, выраженноевабсолютныхили относительныхединицах, называетсявлажностьювоздуха. Дляееколичественнойоценки используютсяследующиехарактеристики– упругостьводяногопара(e – гПаилиммрт.ст.),

3

абсолютная влажность( a – г/м ), массоваядоляводяногопара( s – г/кг), относительная влажность( f – %), точкаросы( td – °С), дефицитточкиросы( td – °С).

Основным процессом, приводящим кнасыщению воздухаводяным паром, является понижениетемпературывоздуха.

Атмосфернымдавлениемназываетсясила, действующаянаединицугоризонтальной поверхности, вызываемаявесомстолбавоздуха, простирающегосячерезвсюатмосферу.

Вкачествеединицизмерениядавленияиспользуютсягектопаскали(гПа) имиллиметры ртутногостолба(ммрт.ст.).

Изменениедавлениявовременихарактеризуетсябарическойтенденцией, которая показываетвеличинуихарактеризменениядавлениязапоследние3 часа.

В сводки опогоденааэродроме(METAR, SPECI) включаетсязначениедавления QNH (гПа). Этодавлениенааэродроме, приведенноексреднемууровню моряпоусловиям стандартнойатмосферы. Емусоответствуетбарометрическаявысотауровняморя.

Атмосферноедавлениеубываетсвысотойвсвязистем, чтомассавышележащегостолба воздухауменьшается. Уменьшениедавленияпроисходитпологарифмическому закону: внижнихслояхатмосферыоноуменьшаетсябыстрее, чемвверхних. Изменениедавленияс высотойхарактеризуетсябарическойступенью. Барическаяступень– этовысота, накоторую необходимоподнятьсяилиопуститься, чтобыдавлениеизменилосьна1 единицу(гПаили ммрт.ст.). У поверхностиземлибарическаяступеньвсреднемравна8 мна1 гПаи11 м на1 ммрт.ст. Полеатмосферногодавления, изображенноенакартахпогодыспомощью изобар, называетсябарическим полем или барическим рельефом. Основными формами барическогорельефаявляютсяциклоны, антициклоны, ложбины, гребнииседловины.

1.3. ХАРАКТЕРИСТИКАВЕТРА

Ветер– этогоризонтальноеперемещениевоздухаотносительноземнойповерхности. Основнымихарактеристикамиветраявляютсянаправлениеискорость. Занаправление

ветравметеорологии принятатачастьгоризонта, откудаондует. Направлениеветра определяетсявградусахилирумбах. Градусы отсчитываютсяотсеверногонаправления географического меридиана по часовой стрелке от 0° до 360° – истинный ветер.

В аэропортах, гдемагнитноесклонение5° иболее, направлениеветраотсчитываетсяот северногонаправлениямагнитногомеридиана– магнитныйветер.

Скоростьветраизмеряетсявметрахвсекунду, вкилометрахвчасили вузлах

(1 м/с= 3,6 км/ч, 1 узел= 1,852 км/ч).

Непосредственной причиной возникновения ветра является неравномерное распределениеатмосферногодавлениявдольземнойповерхности, которое, всвоюочередь, являетсяследствиемнеоднородногораспределениятемпературы.

Перемещениевоздухапроисходитподдействием силы горизонтальногобарического градиента, котораянаправленапократчайшемурасстоянию изобластивысокоговобласть низкогодавления. Кактольковоздухначинаетдвигатьсявнаправленииэтойсилы, наего перемещение начинают оказывать влияние отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), силатренияицентробежнаясила. СилаКориолисавсегдадействуетподуглом 90° кнаправлениюдвижениявоздуха(вправо– вСеверномполушарииивлево– вЮжном).

Поэтомуэтасиланеменяетскоростиветра, атолькоизменяетегонаправление. Силатрения всегданаправленавсторонупротивоположнуюдвижению. Онаизменяетинаправление, и скоростьветра. Центробежнаясилавозникаетприкриволинейном движениивоздушного потокаиучитываетсяприрасчетахветратольковтропическихциклонах.

- 9 -

Вышеслоятренияветер, называемыйградиентным, направленвдольизобартаким образом, чтонизкоедавлениевсегдаостаетсяслеваотпотока. УповерхностиЗемливетер направленподугломкизобарам, отклоняясьотизобарысбольшимдавлениемкизобарес меньшимдавлением, иподчиняетсябарическомузаконуветра(правилоБейс-Балло) – если статьспинойкветру, тонизкоедавлениебудетнаходитьсяслеваинескольковпереди, а высокое– справаинесколькопозадинаблюдателя.

Свысотойскоростьинаправлениеветраизменяются. Вслоетренияветерсвысотой усиливаетсяиповорачиваетвправодотехпор, поканестанетградиентным. Такойхарактер измененияветраобуславливаетсяуменьшениемсилытрениясвысотой. Вышеслоятрения, в свободнойатмосфере, скоростьветраможеткакувеличиваться, такиуменьшатьсяс высотой. Здесьвстречаютсяиправыеилевыеповоротыветра, аиногдамогутнаблюдаться воздушныетечения, противоположныенаправлениюветрауземли. Вовсехслучаяхветерна высотахстремитсяпринятьнаправлениеизотерм, оставляяобластьхолодаслева. Это обуславливается перестройкой барического поля и изменением направления силы горизонтального барического градиента, связанными с горизонтальными изменениями температурыврассматриваемомслоевоздуха. Приэтомправыйповорответрасвысотойв свободной атмосфереявляетсяпризнаком адвекции теплаи постепенного потепления.

Алевыйповорот– адвекциихолодаипохолодания.

1.4. ОБЛАКАИОСАДКИ

Облака– этовидимоескоплениекапельводы и/иликристалловльда(продуктов конденсациии/илисублимацииводяногопара), находящихсяввоздухевовзвешенном состояниинанекоторойвысотенадповерхностьюземли.

Дляобразованияоблаковнеобходимы: достаточнаявлажностьвоздуха, восходящие движенияиядраконденсации(гигроскопическиечастицыпыли, дыма, морскойсоли, гари ит.д.).

Главной причиной образования облаков является адиабатическое понижение температуры вподнимающемсявлажном воздухе. В зависимостиотвидавосходящего движения, врезультатеконденсации и сублимации водяногопара, образуютсяоблака различных форм с различными физическими характеристиками (микроструктурой, водностью). Восходящиедвижения, взависимостиотпричинобразования, подразделяются наследующиевиды: конвекция(термическая, вынужденнаяиорографическая), восходящее скольжение, динамическаятурбулентностьиволновыедвижения(Приложение1).

Конвекция– этовертикальнонаправленныевосходящиеинисходящиепотокивоздуха, которые возникают за счет: неравномерного нагревания подстилающей поверхности (термическаяконвекция), вытеснениятеплоговоздухаподтекающим поднегохолодным воздухомнаатмосферныхфронтах(вынужденнаяконвекция) инатеканиявоздуханакрутые склоныгор(орографическаяконвекция).

Восходящеескольжение– этонаклонноедвижениебольшихмассвоздуха, которое наблюдаетсяпри: натеканиитеплоговоздуханахолодныйвоздух(натеплыхфронтах), натеканиитеплоговоздуханапологиесклоныгорипримедленномподтеканиихолодного воздухаподтеплыйвоздух(нахолодныхфронтах).

Динамическая турбулентность – это беспорядочные вихри, возникающие при горизонтальномперемещенииитрениивоздухаоподстилающуюповерхность.

Волновыедвижениявозникаютвслояхинверсиииизотермиивследствиеразностей плотностиискоростидвижениявоздуханадиподэтимислоями. Приэтомввершинахволн наблюдаютсявосходящиепотоки, авдолинах– нисходящие.

- 10 -

По микроструктуре облака подразделяются на капельно-жидкие (до -10°С), смешанные( -10°…-40°С), кристаллические(ниже-40°С).

В зависимостиот высоты расположениянижнейграницы ивнешнеговидавсе облакаподразделяютсяначетырегруппы– морфологическаяклассификация:

I.Облакаверхнегояруса– нижняяграницаболее6 км:

перистые, Cirrus ( Ci ) , ;

перисто-слоистые, Cirrostratus ( Cs ) , , ;

перисто-кучевые, Cirrocumulus ( Cс) .

II.Облакасреднегояруса– нижняяграницаот2 до6 км:

высоко-слоистые, Altostratus ( As ) (плотные), (тонкие);

высоко-кучевые, Altocumulus ( Ac ) – (тонкие), (распространяющиесяпонебу),

(плотные), (чечевицеобразные), (башенкообразныеилихлопьевидные);

III. Облаканижнегояруса– нижняяграницаменее2 км:

слоисто-дождевые, Nimbostratus ( Ns ) ;

разорванно-дождевые, Fractonimbus ( Fr nb ) ;слоисто-кучевые, Stratocumulus ( Sc ) ;

слоистые, Stratus ( St ) ;

разорванно-слоистые, Fractostratus ( Fr st ) .

IV. Облакавертикальногоразвития– нижняяграницаменее2 км, верхняяграница– всреднемиливерхнемярусе:

кучевые, Cumulus ( Cu ) ;

мощно-кучевые, Cumulus congestus ( Cu cong ) ;

кучево-дождевые, Cumulonimbus ( Cb ) (лысые), (снаковальней).

Поусловиямобразования– генетическаяклассификация– облакаподразделяютсяна тригруппы(приложение2):

I. Кучевообразныеоблака

Причинаобразования– различныевидыконвекции. Книмотносятся: кучевые, мощнокучевые, кучево-дождевые, высоко-кучевыебашенкообразныеилихлопьевидныеиперисто- кучевыеоблака(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Кучевообразныеоблака

- 11 -

Кучевыеоблака этонебольшиеоблачныемассыбелогоцвета, разбросанныепонебув видекуч. Нижнееоснованиеоблаковплоскоенавысоте800…1500 м, вершина выпуклаяна высоте2…3 км. Состоятизкапельводы, осадковнедают. Надконтинентомкучевыеоблака образуютсяпреимущественновтеплоевремягода. Обычноонипоявляютсяв10…12 часов, в14…15 достигаютмаксимальногоразвитияиквечеруразмываются. Малоразвитыепо вертикали, плоскиекучевыеоблаканазываются“облакамихорошейпогоды”. Полетпод облакамиивоблакахсопровождаетсяслабойболтанкой, т.к. скоростьвосходящихпотоков 2…5 м/с. Облакарасполагаютсяниженулевойизотермы, поэтомуобледенениевнихне наблюдается.

Мощно-кучевыеоблака– образуютсяизкучевыхоблаков. Прибольшойвлажности

3

воздуха( > 10 г/м) иблагоприятныхусловияхдляразвитияконвекциикучевыеоблака развиваются по вертикали, переходят через нулевую изотерму и становятся мощнокучевыми. Нижнееоснованиеоблаковплоское, слегкасероватоеилисиневатоенавысоте 600…1000 м, вершина куполообразная, белогоцветанавысоте4…6 км. Мощно-кучевые облакамогутрасполагатьсяввидеотдельныхредкихоблаковили ввидезначительного скопления, закрывающегопочтивсенебо. Облакакапельно-жидкие, новышеизотермы0°С капливодынаходятсявпереохлажденномсостоянии. Осадкиизмощно-кучевыхоблаковне выпадают. В облаках преобладают восходящие потоки, скорость которых достигает 10…15 м/с. Полетывнутримощно-кучевыхоблаковзапрещеныруководящимидокументами из-засильной болтанки по всемуоблаку и интенсивногообледенениявышенулевой изотермы.

Кучево-дождевые облака – огромные горообразные облачныемассы стемными основаниями и ярко-белыми вершинами, которые, как правило, имеют волокнистое строение.

Повертикаликучево-дождевыеоблакамогутразвиватьсядотропопаузы, аиногда пробиваюттропопаузуивклиниваютсявнижнюю стратосферу. Образуютсяизмощно-

3

кучевыхоблаковприабсолютнойвлажностивоздухаболее13 г/м илиупругостиводяного параболее15 гПа. При благоприятных условияхдля развития конвекции и большом влагосодержаниивоздухамощно-кучевыеоблакапродолжаютрастивверх, идостигают вершинамивысот, гдетемпературавоздуханастольконизкая, чтовоблакахначинают образовываться ледяныекристаллы. Таким образом, микроструктура кучево-дождевого облакасмешанная−имеютсякаккапливоды, такикристаллыльда. Процессперерастания мощно-кучевогооблакавкучево-дождевоепроисходиточеньбыстро, иногдавтечение 15…20 минут. Признакомтакогоперерастанияможетслужитьизменениеформы мощнокучевогооблака. Покаразвивающеесяоблакосостоиттолькоизкапельводы, оноосадковне даетиимеетрезкоочерченныеконтуры. Вершинаоблаковвыглядитподобноголовке цветнойкапусты. Кактольковерхняячастьоблакаприобретаеткристаллическоестроение, онотеряетсвоирезкиеочертания, егокраяначинаютлохматиться, авершинапринимаетвид перевернутой метлы (наковальни). Ледяные кристаллы, находясь в соседстве с переохлажденнымикаплямиводы, быстроувеличиваютсяиначинаютвыпадатьизоблака. Смоментавыпаденияосадковоблакастановятсякучево-дождевыми. Изкучево-дождевых облаковвыпадаютливневыеосадкиввидедождя, снега, крупы, града. Скоростьвосходящих потоковвоблакеможетдостигать30…40 м/с; засчетливневыхосадковвкучево-дождевых облакахвозникаютнисходящиепотокисоскоростью10…15 м/с. Развитиекучево-дождевых облаков, ивыпадениеливневыхосадковчастосопровождаетсягрозами( ), шквалами( ) и смерчами( );.

В зависимости от причин образования, кучево-дождевые облака бывают внутримассовымиифронтальными.

- 12 -

ПолетвнутривсякогоCb облакаопасенизапрещаетсяруководящимидокументамипо следующимпричинам:

сильнаяболтанка( ) отнижнейграницы облака(НГО) доверхнейграницы облака

(ВГО);

интенсивноеобледенение( ) навсехвысотахвышенулевойизотермы;

возможенразрядмолниичерезВС;

ливневыеосадки( ) ухудшаютвидимостьнавзлетеипризаходенапосадку, аградможет повредитьотдельныечастиВСвполете;

приполетевсильныхливневыхосадках(видимостьменее1000 м) можетпроизойтисрыв потока;

кучево-дождевыеоблакачастосопровождаютсяшкваламиисмерчами.

Высоко-кучевыехлопьевидныеили башенкообразныеоблакаимеютвидкрупных хлопьев, разделенныхпросветамиголубогонеба, илибашенок, посаженныхнаоднообщее основание. Образуютсявтеплоевремягода, какправило, вутренниечасы, когдавсредней тропосфере наблюдается неустойчивое равновесие воздуха. НГО составляет 3…5 км, толщина 200…500 м. Непосредственнонаполетвлияниянеоказывают, ноявляются хорошимпризнакомобразованиягрозывдневныечасы. Приэтом, чембольшебашенокили хлопьев, темближеповременигроза.

Перисто-кучевыеоблака– белыетонкиеоблака, имеющиевидоченьмелкихволн, хлопьев, барашков. Образуютсянавысотевыше6 км, состоятизкристалловльда, толщина облаков200...300 м. Наполетвлияниянеоказывают.

II. Слоистообразныеоблака

Причинаобразования– восходящеескольжение. Книмотносятся: слоисто-дождевые, разорванно-дождевые, высоко-слоистые, перисто-слоистыеиперистыеоблака(рис. 1.3).

Рис. 1.3. Слоистообразныеоблака

- 13 -

Слоисто-дождевыеоблакаимеютвидтемно-серогооблачногопокрова, какправило, закрывающего все небо. Высота НГО 300...500 м и менее. Вертикальная мощность колеблетсяотнесколькихсотенметровдонесколькихкилометров. Этосмешанныеоблакас

3

водностью 0,6...1,3 г/м. Изнихвыпадаютобложныеосадки– продолжительные, средней интенсивности, занимающиебольшие площади: 200...300 км по ширине и до тысячи километровподлине.

Полетвтакихоблакахпроходитспокойно, но, вышенулевойизотермы, воблаках, а зимой и в осадках наблюдаетсяобледенениеВС, интенсивностькоторого зависитот водностиоблакаитемпературывоздуха. ВосадкахНГОразмываетсяиможетрасполагаться навысоте100 миниже, чтозатрудняетихпробиваниепризаходенапосадку. Вовсесезоны годаприполетевоблакахмогутвозникатьзначительныеэлектростатическиезаряды.

Разорванно-дождевыеоблакапредставляютсобойбесформенныечерныеполосына общем сером фоне слоистообразной облачности. Причиной их образования является насыщениехолодноговоздуха(ХВ) обложными осадками, выпадающими изслоистодождевыхоблаков, идинамическаятурбулентность, возникающаяпридвиженииХВ по неровностям подстилающей поверхности. Состоятиз переохлажденных капель, иногда ледяных кристаллов. НГО 50…100 м, толщина100…200 м. Разорванно-дождевыеоблака затрудняютилиисключаютвзлет, посадкуивизуальныеполетыВС.

Высоко-слоистыеоблакапредставляютсобойоднородную серую пеленутолщиной 1…2 кмиимеютбольшую горизонтальную протяженность. СолнцеиЛунапросвечивают черезних, каксквозьматовоестекло. Этосмешанныеоблака. Изнихмогутвыпадать обложныеосадки, которыедоземлидоходяттолькозимойввидеснега. Поэтомузимой шириназоныосадковувеличиваетсядо400…500 км. Приполетахввысоко-слоистыхоблаках наблюдается обледенение ВС, интенсивностькоторого зависитот водности облака и температурывоздуха. Вероятностьобледенениявэтихоблакахбольшевтеплоевремягода.

Видимостьвоблакахплохая– несколькодесятковметров. ПридлительномполетевнихВС заряжаютсястатическимэлектричеством.

Перисто-слоистыеоблакаимеютвидоднороднойбелойилиголубоватойпелены, закрывающей всенебо. Толщинаоблаков отнескольких сотен метровдо нескольких километров. Облакасостоятизледяныхкристаллов. СолнцеиЛунапросвечиваютчерезних, образуябелыеилирадужныекруги– гало. Онослужитпризнакомпоследующегоухудшения погоды. ПриполетахвоблакахпроисходитэлектризацияВС. Видимостьхорошая.

Перистыеоблака– параллельныеполосысзагнутымикверхупереднимикраямив видекрючковиликоготков, поэтомуониназываютсякрючковиднымииликогтевидными. Облакакристаллические, осадкиизнихневыпадают. Толщинаоблаковотнесколькихсотен метровдонесколькихкилометров. Онирасполагаютсявпередилиниифронтанарасстоянии 800…1000 км и являются предвестниками плохой погоды. Полетспокоен, видимость хорошая, нопридлительномполетевозможнаэлектризацияВС.

III. Волнистообразныеоблака

Образуются за счет: динамической турбулентности, волновых движений слоев инверсиииизотермии, радиационноговыхолаживанияподстилающейповерхности. Кним относятся: слоистые, разорванно-слоистые, слоисто-кучевые, высоко-кучевыеиперисто- кучевые облака. По внешнему виду они представляют собой, распространенный по горизонтали, слойоблаковввидегрядилиотдельныхвалов, вертикальноеразвитиекоторых характеризуетсямногослойностью(рис. 1.4).

- 14 -