Вопрос 1. Сходство и различие метеорологии и климатологии: Метеорология — наука об атмосфере, воздушной оболочке Земли, ее составе, строении, св-х и протекающих в ней физ.и хим.процессах. Относится к геофизическим наукам, поскольку изучает законы физических процессов, свойственных земному шару. Гл.задачи — описание состояния атмосферы в данный физ.момент времени и прогноз ее состояния на будущее. Климатология — раздел метеорологии, наука о климате (т.е. о совокупности атмосферных условий, характерных для географического положения участка Земли), о закономерностях его формирования, распределения по з.шару и изменениях в прошлом и будущем. Климат является одной из физгео характеристик местности, относится к географическим наукам. В основе метеорологии — наблюдения, климатологии — анализ архивов наблюдений.

Вопрос 2. Сроки и виды метеорологических наблюдений, глобальная система наблюдений: Во всем мире на наземных метеорологических станциях производятся одновременные (синхронные) наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21

(каждые 3 часа) по универсальному времени (единое гринвичское время (время нулевого пояса). Этим достигается единство времени.

Виды метеорологических наблюдений: Прямые (контактные) измерения, когда датчик величины непосредственно реагирует на ее значение в точке — их производят наземные мет.станции, приборные комплексы кораблей погоды, самолетного зондирования, воздухоплавательных аппаратов- радиозонды и дистанционные (косвенные) - когда регистрируют искажения атмосферой параметров волновых полей разной природы (э/м или акустических), а затем по ним восстанавливают значения метеорологических величин — его производят мет.спутники Земли, наземные системы дистанц.зондирования — различные радиолокаторы, содары (акустическое зондирование) и лидары (лазерное зондирование пограничного слоя атмосферы+ фотограмметрические комплексы).

Глоб.система мет.наблюдений:

Глобальная система метеорологических наблюдений – это первая географическая технология, прототип будущей системы мониторинга состояния всех геосфер! Мониторинг- главная функция ВМО (Всемирной метеорологической организации). 3 метеорологических центра- Вашингтон, Обнинск, под Мельбурном.

Состоит из (относятся к прямым измерениям):

1. Наземных метеорологических станций:

- стандартные стационарные (1)

- переносные автоматические (2), (6)

- приборные комплексы высотных сооружений (специальные метеорологические мачты и др.)

2. приборные комплексы кораблей погоды (7)

3. приборные комплексы самолетного зондирования: попутные наблюдения во время авиарейсов (8) или специальные летающие лаборатории (9)

4. приборные комплексы воздухоплавательных аппаратов:

- радиозонды (3) (приборы, установленные на неуправляемых воздушных шарах, ориентированных на подъем до высот 30 км и более)

- зонды пограничного слоя

- привязные зонды

(относятся к дистанционным измерениям):

5. метеорологические спутники Земли, регистрирующие уходящее э/м излучение атмосферы и подстилающей поверхности в заданных диапазонах длин волн и передающие информацию наземным установкам (5):

- полярно-орбитальные МСЗ (10)

- геостационарные МСЗ (11)

6. Наземные системы дистанционного зондирования:

- метеорологические радиолокаторы, излучающие э/м волны опред. длины, а затем регистрирующие их часть, попавшую обратно после отражения атмосферными частицами (4)

- доплеровские радиолокаторы (определяют скорость ветра вокруг станции)

- системы акустического зондирования (содары) для получения профиля температуры в пограничном слое атмосферы

- метеорологические системы лазерного зондирования пограничного слоя атмосферы (лидары), позволяющие регистрировать вертикальные профили прозрачности воздуха

- фотограмметрические комплексы, позволяющие регулярно проводить панорамное фотографирование облачности в окрестностях станции с последующей цифровой обработкой.

Принципы функционирования глобальной системы метеорологических наблюдений: 1. Единство кач-ва наблюдений, т.е. 1) единство методов измерений достигается тем, что используемое оборудование должно отвечать следующим требованиям: а) стандартные метеорологические хар-ки б) должно периодически поверяться; 2) репрезентативность мест наблюдения – показательность показаний ;

2. Использование единого времени (регулярное, синхронное наблюдение).

Вопрос 3. Эволюция состава атмосферного воздуха. Современный состав воздуха.

Эволюция состава атмосферного воздуха:

Два этапа эволюции атмосферы

• Бескислородный

  0. Первичная атмосфера: 4,6 – 3,8 млрд. Лет (пример - атмосфера Сатурна)

• В начале происходило образование химических элементов в космосе и появление из них Земли в результате ударов небесных тел— приблизительно 4,5 миллиардов лет назад.

• Предположительно наша планета уже довольно рано имела атмосферу из водорода (H₂) и гелия (He), которая была потеряна в космическое пространство из-за остывания поверхности и недостаточной массы планеты.

- Вторичная атмосфера: 3,8 – 2 млрд. лет (атмосфера Марса или Венеры)

• Образование твердой коры при остывании Земли сопровождалось дегазацией путем вулканической деятельности

• Вторичная атмосфера земли обогащалась вулканическими газами:

  0. пар H₂O до 80 %,

  1. CO₂ до 20 %,

  2. H₂S до 7 %,

  3. аммиак (NH₃),

  4. метан (CH₄).

• Высокий процент водяного пара объясняется тем, что поверхность земли была на тот момент ещё слишком горячей

В бескислородной вторичной атмосфере появились фотосинтезирующие организмы. Протерозой от 2,5-0,5 млрд лет назад. Эра сине-зеленых водорослей, выделяющих кислород при фотосинтезе. Содержание кислорода в долго не росло, т.к. он уходил на окисление двухвалентных ионов железа и других окисляемых соединений. Около двух миллиардов лет назад этот процесс «Великого окисления» завершился, и кислород стал постепенно накапливаться в атмосфере

Во вторичной атмосфере возникли простейшие, анаэробно выделяющие кислород. После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный дождь, который и образовал океаны. Значение pH упало до 4. Насыщенность других газов атмосферы относительно водяного пара повысилась, в результате чего накопились углекислый газ и азот. Инертный и малорастворимый азот N₂ накапливался с этого времени и образовывал около 3,4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы. Избыточный СО₂ растворялся в воде, и насыщая ее формировал твердые отложения.

• Кислородная атмосфера

  0. Кислорода менее 12% состава: 2 – 0,5 млрд. лет

  1. Кислорода достаточно для биосферы

Кислородная атмосфера. Первый период.

Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой. Содержание кислорода в 12 % было достигнуто лишь 350 миллионов лет назад и с тех пор не уменьшалось.

Второй период Дальнейший ход эволюции состава атмосферы происходил совместно с эволюцией биосферы.

Первоначально атмосфера состояла из газов вулканического происхождения и мела следующий состав:

- водяной пар,

- углекислый газ,

- азот,

- сероводород.

По мере охлаждения Земли водяной пар конденсировался, выпадали осадки и образовались океаны, моря и озера. Кислород появился только после возникновения растений.

Современный состав воздуха:

Воздух – это смесь газов с постоянным составом (сухой воздух) + водяной пар, СО₂ и О₃, концентрация которых все время меняется + аэрозоль.

Сухой воздух представляет собой смесь идеальных газов. Объемные концентрации компонентов этой смеси постоянны до высоты примерно 100 км.

• Постоянные концентрации:

  0. 78% Азот (N₂)-μ=28

  1. 21% Кислород (O₂)- μ=32

  2. 1% Аргон (Ar)- μ=40

  3. Ne

  4. He

  5. CH₄

  6. Kr

  7. H₂

• Переменные концентрации:

  0. 0,1- 4% (1 – 40 ‰) Водяной пар (H₂O)-- μ=18

  1. 0,03% (0.3 ‰=300 ppm ) Углекислый газ (CO₂) -- μ=44

  2. 0,000003% (30 ppb) Озон (O₃) -- μ=48

Аэрозоли - взвешенные в воздухе твердые частицы или капельки (дым, сажа, пепел, морская соль, пыльца, споры, микроорганизмы). Размеры – от 0,001 до 5 мкм.

Вопрос 4. Вертикальное строение атмосферы. Тропосфера - нижний слой атмосферы, в котором температура в среднем убывает с высотой. В тропиках этот слой простирается от земной поверхности до высоты 15-17 км, в умеренных широтах обоих полушарий - до высоты 10-12 км и над полюсами – до 8-9 км. В каждый даннй момент времени убывание температуры во всем слое может прерываться отдельными слоями, где температура может оставаться постоянной (изотермия) или даже расти с высотой (инверсия). В тропосфере среднегодовая температура в экваториальных широтах убывает с высотой от +26 С у земной пов-ти до -80 С на вершине тропосферы, в умеренных широтах от +3 до -54 - -58 С (50 с.ш.) и над Северным полюсом от -23 до -60 С зимой и -48 С летом. В среднем величина падения температуры с высотой равна ),60 С/100 м, хотя эта величина варьирует в широких пределах. В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, в ней содержится почти весь водяной пар атмосферы, и возникают облака. В тропосфере часто развиваются сильная неустойчивость, сильные вертикальные движения и перемешивание. В результате взаимодействия с подстилающей поверхностью в тропосфере возникают течения теплого и холодного воздуха. Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо дня в день, колеблясь окло средних величин, указанных выше. Давление воздуха на верхней границе тропосферы в 3-10 раз меньше, чем у земной поверхности. Самый нижний тонкий слой тропосферы (50-100 м), непосредственно примыкающий к земной поверхности, носит название приземного слоя. В этом слое особенно резко выражены изменения температуры в течение суток: температура особенно сильно падает с высотой днем и часто растет с высотой ночью. Здесь также наиболее сильно растет с высотой скорость ветра. Слой от земной поверхности до высот 1000-1500 м называют планетарным пограничным слоем или слоем трения. В этом заметно задерживающее влияние трения о земную поверхность на ветер. Скорость ветра ослаблена по сравнению с вышележащими слоями и ослаблена тем больше, чем ближе к земной поверхности. Верхняя граница тропосферы, т.е. тонкий переходный слой толщиной 1-2 км, где падение температуры с высотой сменяется ее постоянством (изотермией), называется тропопаузой. Стратосфера лежит выше тропопаузы и до высоты 50-55 км, она характеризуется тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. В нижних слоях стратосферы (от тропопаузы и до 25 км) температура постоянна или весьма медленно растет с высотой (зимой в полярных широтах она даже может слабо падать), но начиная с 34-36 км, происходит довольно быстрое возрастание температуры с высотой, которое продолжается до 50 км, где расположена верхняя граница стратосферы, называемая стратопаузой. Здесь стратосфера почти такая же теплая, как воздух у поверхности Земли, в среднем 270 К. Возрастание температуры с высотой приводит к большой устойчивости стратосферы: здесь нет конвективных вертикальных движений и активного перемешивания, свойственного тропосфере. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения типа медленного оседания или подъема иногда охватывают слои стратосферы, занимающие огромные пространства. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22024 км в высоких широтах иногда наблюдаются очень тонике, так называемые перламутровые облака. Состав воздуха стратосферы отличается от тропосферного только примесью озона. С озоном связан незначительный рост температуры в стратосфере, поскольку именно озон поглощает солнечную радиацию. С этой точки зрения стратосфера может быть названа озоносферой. Мезосфера – ее слой лежит над стратосферой, он простирается от стратопаузы до высоты примерно 80-82 км. В мезосфере температура снова понижается с высотой, иногда до -110 С в ее верхней части. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. В верхней части мезосферы образуются так называемые серебристые облака, по-видимому, состоящие из кристаллов, форма которых свидетельствует о существовании в мезосфере волн и вихрей. Верхней границей мезосферы является переходный слой – мезопауза, лежащая на высоте около 82 км. На мезопаузе давление воздуха примерно в 1000 раз меньше, чему земной поверхности.

Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере, вместе взятых, до высоты 80 км заключается больше, чем 99,5% всей массы атмосферы. Но следы атмосферных газов распространяю тся до 2000км (Радиус Земли 6400 км –запомнить!). На вышележащие слои приходится всего 0,5% от массы атмосферы. Это составляет 2,578*10¹³т.

Термосфера – верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой. В термосфере температура очень резко возрастает с высотой. В годы активного солнца она превышает 1500 С на высоте 200-250 км. На больших высотах рост температуры с высотой уже не наблюдается. Лишь в областях ярких полярных сияний температура ненадолго повышается до 3000 С. Высокие температуры атмосферы означают, что молекулы и атомы атмосферных газов движутся в этом слое с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в термосфере так мала, что теплосодержание газов ничтожно. Поэтому любое тело, находящееся здесь, не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом.

Почти до высоты 100 км воздух атмосферы хорошо перемешан и его состав везде одинаков. Поэтому гомосферу (за счет турбулентного перемешивания состав газов не меняется, гетеросфера от 100 км и выше слабое турбулентное перемешивание, относительный состав заметно меняется с высотой) иногда называют также турбосферой. Выше 100 км состав воздуха заметно меняется: появляется атомарный кислород, исчезают диоксид углерода и аргон, воздух сильно ионизирован, поэтому эта часть термосферы от мезопаузы до высоты 800-1000 км называется ионосферой. Содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижних слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха.

Экзосфера – атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам. При этом отдельные частицы могут приобретать скорости, равные второй космической скорости (для незаряженных частиц окло 11 000 м/с). Такие особенно быстрые частицы покидают атмосферу и улетают в мировое пространство, двигаясь по параболическим траекториям. Поэтому экзосферу называют также сферой ускользания газов. Ускользанию подвергаются преимущ. Атомы водорода и гелия, которые являются господствующими газами в наиболее высоких слоях атмосферы.