Термодинамические явления в атмосфере

Погода более или менее точно определяется атмосферными условиями (температурой, давлением и влажностью воздуха, облачностью и т. д.), существующими в данной местности в течение достаточно малого промежутка времени. Климат местности определяется погодой в течение длительного промежутка времени. Климат некоторого региона остается приблизительно неизменным из года в год, хотя погода может достаточно резко меняться изо дня в день или даже в течение нескольких часов. Каковы причины этих изменений? Факторы, влияющие на погоду и климат, обусловлены процессами, происходящими при взаимодействиях атмосферы с земной поверхностью и космосом.

Атмосфера Земли состоит из трех слоев: нижняя часть называется тропосферой, средняя — стратосферой, верхняя — ионосферой. В полярных широтах толщина тропосферы достигает 10 км, а на экваторе— 16—18 км. В тропосфере с увеличением высоты температура уменьшается приблизительно на 6 °С на каждый километр подъема. (Поэтому на границе тропосферы температура составляет -60 °С.

Атмосфера удерживается около Земли силами тяготения и оказывает давление на все тела, с которыми соприкасается. Масса атмосферы составляет 5·10¹⁵т. Около 90% этой массы сосредоточено в слое высотой h=16 км. Среднее содержание паров воды в атмосфере 0,44 %.

В близи поверхности Земли при подъеме на каждые 8 м давление уменьшается примерно на 100 Па (рис. 64). Нелинейная зависимость p(h) на больших высотах обусловлена уменьшением плотности воздуха с увеличением высоты.

В стратосфере, простирающейся до высоты 55 км, сосредоточен озон О₃, поглощающий большую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Он, как щит, предохраняет все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетового солнечного излучения.

Влажность воздуха — один из важнейших параметров, влияющих на погоду. Даже над пустынями воздух не бывает абсолютно сухим. Испарение с поверхности океанов, рек, озер, с поверхности земли и растительности обеспечивает постоянное пополнение воздуха влагой.

Высокая влажность воздуха приводит к выпадению на землю атмосферных осадков — дождя, снега, града, росы и т. д. Атмосферные осадки играют важнейшую роль в развитии растений и животных (биосферы), поскольку среднегодовая норма осадков существенно влияет на природный ландшафт местности. Метеорологические измерения показывают, что уровень осадков в данной местности остается примерно постоянным из года в год. Существенные отклонения от средних показателей позволяют говорить о стихийных бедствиях или экологических катастрофах.

Влажность воздуха в значительной степени определяет и самочувствие человека. Так, при температуре 25 °С Вы будете чувствовать себя комфортно при относительной влажности 25 % и будете ощущать полный дискомфорт при влажности 90 %. Заметим, что зимой в домах наблюдается пониженная влажность воздуха (10—20%), что снижает стойкость организма по отношению к различным инфекциям. Измерение относительной и абсолютной влажности воздуха позволяет предсказывать изменения погоды.

Следующим фактором, существенно влияющим на погоду и климат, является солнечная радиация. Можно сказать, что погоду на планете определяют солнечное излучение, воздух и вода. Именно неравномерный нагрев поверхности Земли Солнцем приводит к различному атмосферному давлению в ее различных точках. Это служит причиной появления ветров, которые перемещают воздушные массы из областей большего давления в области меньшего давления. Ветры приносят влагу, испарившуюся над океанами, на материки.

Суточное вращение Земли существенно влияет на движение воздушных потоков вдоль меридианов, что приводит к их «отклонению» и возникновению воздушных потоков вдоль параллелей. Интересно, что в Северном и Южном полушариях направления движения атмосферных масс вдоль земных параллелей имеют различное направление. Вращение Земли и наклон земной оси существенно меняют картину циркуляции воздуха. Вблизи экватора образуются петлеобразные ветры (вихри), которые достигают широты 30°. Кроме того, образуются так называемые широтные ветры, дующие с востока на запад. Это приводит к образованию значительного количества циклонов (атмосферные области вихревых образований с пониженным давлением), которые приносят влагу и изменение погоды на материки со стороны океанов, разделяющих их. Метеорологи заблаговременно предупреждают население о надвигающихся циклонах. Интересно, что на самом экваторе циклоны практически не образуются вследствие повышенной «устойчивости» воздушных масс. Однако севернее и южнее экватора возникают самые мощные циклоны. Тропический циклон может достигать в поперечнике 400— 700 км, в высоту — 12—15 км. Скорость ветра в циклоне может достигать 400 км/ч. В отличие от вращения твердого тела самые большие скорости характерны для центральной зоны, называемой «глазом» циклона.

Одним из редких и наиболее мощных случаев образования циклона является смерч (торнадо). Если воздушные массы не так холодны, как в циклоне, а их размеры составляют примерно 80—160 км, то при встрече с теплыми слоями воздуха могут возникать мощнейшие вихри воздуха, приводящие к образованию торнадо. Из-за большой скорости движения и вращения торнадо в его центре возникает область очень низкого давления. Действие этой области подобно действию «пылесоса» огромной мощности и размеров, который без труда срывает крыши домов, поднимает скот, машины в воздух и переносит их на значительные расстояния.

Антициклоны (атмосферные области повышенного давления), напротив, приносят хорошую солнечную погоду без осадков. Смена циклонов и антициклонов вызывается образованием и сменой зон высокого и низкого давления под действием солнечной радиации, испарения и изменения температуры воздуха.