слой атмосферы наиболее важный для жизни

Атмосфера (27 фото)

Атмосфера — это наш защитный купол от всяческого рода угроз из космоса. В ней сгорает большая часть метеоритов, которые падают на планету, а ее озоновый слой служит фильтром против ультрафиолетового излучения Солнца, энергия которого смертельна для живых существ. Кроме того, именно атмосфера поддерживает комфортную температуру у поверхности Земли — если бы не парниковый эффект, достигаемый за счет многократного отражения солнечных лучей от облаков, Земля была бы в среднем на 20-30 градусов холоднее. Кругооборот воды в атмосфере и движение воздушных масс не только уравновешивают температуру и влажность, но и создают земное разнообразие ландшафтных форм и минералов — такого богатства не встретить нигде в Солнечной системе.

Масса атмосферы составляет 5,2×1018 килограмм. Хотя газовые оболочки распространяются на многие тысячи километров от Земли, ее атмосферой считаются лишь те, которые вращаются вокруг оси со скоростью, равной скорости вращения планеты. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет около 1000 километров, плавно переходя в космическое пространство в верхнем слое, экзосфере (от др. греческого «внешний шар»).

Хотя воздух и кажется однородным, он представляет собой смесь разнообразных газов. Если брать только те, которые занимают хотя бы тысячную долю объема атмосферы, их уже будет 12. Если же смотреть на общую картину, то в воздухе одновременно находится вся таблица Менделеева!

Однако добиться такого разнообразия Земле удалось не сразу. Только благодаря уникальным совпадениям химических элементов и наличию жизни атмосфера Земли стала столь сложной. Наша планета сохранила геологические следы этих процессов, что позволяет нам заглянуть на миллиарды лет назад.

Но настоящая революция в составе атмосферы Земли произошла вместе с приходом кислорода. Он появлялся и естественным путем — раскаленная мантия молодой планеты активно избавлялась от газов, запертых под земной корой. Кроме того, водяные пары, извергаемые вулканами, расщеплялись под воздействием солнечного ультрафиолета на водород и кислород.

Однако такой кислород не мог долго задерживаться в атмосфере. Он вступал в реакции с угарным газом, свободным железом, серой и множеством других элементов на поверхности планеты — а высокие температуры и солнечное излучение катализировало химические процессы. Изменило эту ситуацию только появление живых организмов.

Во-первых, они начали выделять столько кислорода, что он не только окислил все вещества на поверхности, но и начал накапливаться — за пару миллиардов лет его количество выросло с ноля до 21% процента всей массы атмосферы.
Во-вторых, живые организмы активно использовали углерод атмосферы для построения собственных скелетов. В итоге их деятельности земная кора пополнилась целыми геологическими пластами органических материалов и ископаемых, а углекислого газа стало куда меньше

И, наконец, избыток кислорода сформировал озоновый слой, который стал защищать живые организмы от ультрафиолета. Жизнь стала эволюционировать активнее и приобретать новые, более сложные формы — среди бактерий и водорослей стали появляться высокоорганизованные существа. Сегодня в озон занимает всего 0,00001% всей массы Земли.

Вам уже наверняка известно, что синий цвет неба на Земле тоже создается кислородом — из всего радужного спектра Солнца он лучше всего рассеивает короткие волны света, отвечающие за синий цвет. Этот же эффект действует в космосе — на расстоянии Земля будто окутывается голубой дымкой, а издали и вовсе превращается в синюю точку.

Кроме того, в атмосфере в значительном количестве присутствуют благородные газы. Среди них больше всего аргона, доля которого в атмосфере составляет 0,9–1%. Его источник — ядерные процессы в глубинах Земли, а попадает на поверхность он через микротрещины в литосферных плитах и вулканические извержения (таким же образом появляется гелий в атмосфере). Из-за своих физических особенностей благородные газы поднимаются в верхние слои атмосферы, где улетучиваются в космическое пространство.

Как мы можем видеть, состав атмосферы Земли менялся уже не раз, и притом очень сильно — но на это понадобились миллионы лет. С другой стороны, жизненно важные явления очень устойчивы — озоновый слой будет существовать и функционировать, даже если на Земле будет в 100 раз меньше кислорода. На фоне общей истории планеты, деятельность человека не оставила серьезных следов. Однако в локальных масштабах цивилизация способна создавать проблемы — по крайней мере, для себя. Загрязнители воздуха уже сделали жизнь жителей китайского Пекина опасной — а громадные облака грязного тумана над большими городами видны даже из космоса.

Структура атмосферы

Однако экзосфера — это не единственный особый слой нашей атмосферы. Их существует немало, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Давайте рассмотрим несколько основных.

Тропосфера

Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы называется тропосферой. Читатель статьи сейчас находится именно в его «придонной» части — если, конечно, он не является одним из 500 тысяч человек, которые летят прямо сейчас в самолете. Верхний предел тропосферы зависит от широты (помните о центробежной силе вращения Земли, из-за которой планета шире на экваторе?) и колеблется от 7 километров на полюсах до 20 километров на экваторе. Также размеры тропосферы зависит от сезона — чем теплее воздух, тем выше поднимается верхний предел.

Название «тропосфера» происходит от древнегреческого слова «tropos», которое переводится как «поворот, изменение». Это достаточно точно отображает свойства слоя атмосферы — он наиболее динамичный и продуктивный. Именно в тропосфере собираются облака и циркулирует вода, создаются циклоны и антициклоны и генерируются ветра — происходят все те процессы, которые мы называем «погода» и «климат». Кроме того, это самый массивный и плотный слой — на него приходится 80% массы атмосферы и почти все содержание воды в ней. Тут же обитает большая часть живых организмов.

Всем известно, что чем выше подниматься, тем холоднее становится. Это действительно так — каждые 100 метров вверх температура воздуха падает на 0,5-0,7 градуса. Тем не менее принцип работает только в тропосфере — дальше температура с ростом высоты начинает повышаться. Зона между тропосферой и стратосферой, где температура остается неизменной, называется тропопаузой. А еще с высотой убыстряется течение ветра — на 2–3 км/с на километр ввысь. Поэтому пара- и дельтапланеристы предпочитают для полетов возвышенные плато и горы — там всегда удастся «поймать волну».

Уже упомянутое воздушное дно, где атмосфера контактирует с литосферой, называется приземным пограничным слоем. Его роль в циркуляции атмосферы невероятно велика — отдача тепла и излучения от поверхности создает ветры и перепады давления, а горы и другие неровности рельефа направляют и разделяют их. Тут же происходит водообмен — за 8–12 дней вся вода, взятая из океанов и поверхности, возвращается обратно, превращая тропосферу в своеобразный водный фильтр.

Интересный факт — на водообмене с атмосферой завязан важный процесс в жизнедеятельности растений — транспирация. С ее помощью флора планеты активно влияет на климат — так, большие зеленые массивы смягчают погоду и перепады температуры. Растения в насыщенных водой местах испаряют 99% воды, взятой из почвы. К примеру, гектар пшеницы за лето выбрасывает в атмосферу 2–3 тысячи тонн воды — это значительно больше, чем могла бы отдать безжизненная почва.

Нормальное давление у поверхности Земли — около 1000 миллибар. Эталоном считается давление в 1013 мБар, которое составляет одну «атмосферу» — с этой единицей измерения вы уже наверняка сталкивались. С ростом высоты давление стремительно падает: у границ тропосферы (на высоте 12 километров) оно составляет уже 200 мБар, а на высоте 45 километров и вовсе падает до 1 мБар. Поэтому не странно, что именно в насыщенной тропосфере собрано 80% все массы атмосферы Земли.

Стратосфера

Слой атмосферы, располагающийся в диапазоне между 8 км высоты (на полюсе) и 50 км (на экваторе), называется стратосферой. Название происходит от др. греческого слова «stratos», которое значит «настил, слой». Это крайне разреженная зона атмосферы Земли, в которой почти нет водного пара. Давление воздуха в нижней части стратосферы в 10 раз меньше приповерхностного, а в верхней части — в 100 раз.

В разговоре о тропосферу мы уже узнали, что температура в ней понижается в зависимости от высоты. В стратосфере все происходит с точностью до наоборот — с набором высоты температура вырастает от –56°C до 0–1°С. Прекращается нагрев в стратопаузе, границе между страто- и мезосферами.

Пассажирские лайнеры и сверхзвуковые самолеты обычно летают в нижних слоях стратосферы — это не только защищает их от нестабильности воздушных потоков тропосферы, но и упрощает их движение за счет малого аэродинамического сопротивления. А низкие температуры и разреженность воздуха позволяют оптимизировать потребление топлива, что особенно важно для дальних перелетов.

Однако существует технический предел высоты для самолета — приток воздуха, которого в стратосфере так мало, необходим для работы реактивных двигателей. Соответственно, для достижения нужного давления воздуха в турбине самолету приходится двигаться быстрее скорости звука. Поэтому высоко в стратосфере (на высоте 18–30 километров) могут передвигаться только боевые машины и сверхзвуковые самолеты вроде «Конкордов». Так что основными «обитателями» стратосферы являются метеорологические зонды, прикрепленные к воздушным шарам — там они могут оставаться длительное время, собирая информацию о динамике нижележащей тропосферы.

Вплоть до самого озонового слоя в атмосфере встречаются микроорганизмы — так называемый аэропланктон. Однако не одни бактерии способны выживать в стратосфере. Так, однажды в двигатель самолета на высоте 11,5 тысячи километров попал африканский сип — особая разновидность грифа. А некоторые утки во время миграций спокойно пролетают над Эверестом.

Но самым большим существом, побывавшим в стратосфере, остается человек. Текущий рекорд по высоте был установлен Аланом Юстасом — вице-президентом компании Google. В день прыжка ему было 57 лет! На специальном воздушном шаре он поднялся на высоту 41 километр над уровнем моря, а затем спрыгнул вниз с парашютом. Скорость, которую он развил в пиковый момент падения, составила 1342 км/ч — больше скорости звука! Одновременно Юстас стал первым человеком, самостоятельно преодолевшим звуковой порог скорости (не считая скафандра для поддержки жизнедеятельности и парашютов для приземления в целом виде).

А еще на границе между стратосферой и мезоферой находится знаменитый озоновый слой. Он защищает поверхность Земли от воздействия ультрафиолетовых лучей, а заодно служит верхней границей распространения жизни на планете — выше него температура, давление и космическое излучение быстро положат конец даже самым стойким бактериям.

Откуда же взялся этот щит? Ответ невероятен — он был создан живыми организмами, точнее — кислородом, которые разнообразные бактерии, водоросли и растения выделяли с незапамятных времен. Поднимаясь высоко по атмосфере, кислород контактирует с ультрафиолетовым излучением и вступает в фотохимическую реакцию. В итоге из обычного кислорода, которым мы дышим, O2, получается озон — O3.

Парадоксально, но созданный излучением Солнца озон защищает нас от этого же излучения! А еще озон не отражает, а поглощает ультрафиолет — тем самым он нагревает атмосферу вокруг себя.

Мезосфера

Мы уже упоминали, что над стратосферой — точнее, над стратопаузой, пограничной прослойкой стабильной температуры — находится мезосфера. Этот относительно небольшой слой располагается между 40–45 и 90 километров высоты и является самым холодным местом в нашей планете — в мезопаузе, верхнем слое мезосферы, воздух охлаждается до –143°C.

Мезосфера является наименее изученной частью атмосферы Земли. Экстремально малое давление газов, которое от тысячи до десяти тысяч раз ниже поверхностного, ограничивает движение воздушных шаров — их подъемная сила доходит до нуля, и они попросту зависают на месте. То же происходит с реактивными самолетами — аэродинамика крыла и корпуса самолета теряют свой смысл. Поэтому летать в мезосфере могут либо ракеты, либо самолеты с ракетными двигателями — ракетопланы. К таким относится ракетоплан X-15, который удерживает позицию самого быстрого самолета в мире: он достиг высоты в 108 километров и скорости 7200 км/ч — в 6,72 раза больше скорости звука.

Однако рекордный полет X-15 составил всего 15 минут. Это символизирует общую проблему движущихся в мезосфере аппаратов — они слишком быстры, чтобы провести какие-либо основательные исследования, и находятся на заданной высоте недолго, улетая выше или падая вниз. Также мезосферу нельзя исследовать при помощи спутников или суборбитальных зондов — пусть давление в этом слое атмосферы и низкое, оно тормозит (а порой и сжигает) космические аппараты. Из-за этих сложностей ученые часто называют мезосферу «незнайкосферой» (от англ. «ignorosphere», где «ignorance» — невежество, незнание).

А еще именно в мезосфере сгорает большинство метеоров, падающих на Землю — именно там вспыхивает метеоритный поток Персеиды, известный как «августовский звездопад». Световой эффект происходит тогда, когда космическое тело входит в атмосферу Земли под острым углом со скоростью больше 11 км/ч — от силы трения метеорит загорается.

Растеряв свою массу в мезосфере, остатки «пришельцев» оседают на Землю в виде космической пыли — каждый день на планету попадает от 100 до 10 тысяч тонн метеоритного вещества. Поскольку отдельные пылинки очень легкие, на путь к поверхности Земли у них уходит до одного месяца! Попадая в тучи, они утяжеляют их и даже иногда вызывают дожди — как вызывает их вулканический пепел или частицы от ядерных взрывов. Однако сила влияния космической пыли на дождеобразование считается небольшой — даже 10 тысяч тонн маловато, чтобы серьезно изменить естественную циркуляцию атмосферы Земли.

Термосфера. Шаттл на линии Кармана. На фото отчетливо видны все слои атмосферы.

Над мезосферой, на высоте 100 километров над уровнем моря, проходит линия Кармана — условная граница между Землей и космосом. Хотя там и присутствуют газы, которые вращаются вместе с Землей и технически входят в атмосферу, их количество выше линии Кармана незримо мало. Поэтому любой полет, который выходит за высоту 100 километров, уже считается космическим.

С линией Кармана совпадает нижняя граница самого протяженного слоя атмосферы — термосферы. Она поднимается до высоты 800 километров и отличается чрезвычайно высокой температурой — на высоте 400 километров она достигает максимума в 1800°C!

Горячо, не правда ли? При температуре в 1538°C начинает плавиться железо — как же тогда космические аппараты остаются целыми в термосфере? Все дело в чрезвычайно низкой концентрации газов в верхней атмосфере — давление посередине термосферы в 1000000 меньше концентрации воздуха у поверхности Земли! Энергия отдельно взятых частиц высока, но расстояние между ними огромное, и космические аппараты фактически находятся в вакууме. Это, впрочем, не помогает им избавляться от тепла, которое выделяют механизмы — для тепловыделения все космические аппараты оснащены радиаторами, которые излучают избыточную энергию.

На заметку. Когда речь идет о высоких температурах, всегда стоит учитывать плотность раскаленной материи — так, ученые на Андронном Коллайдере действительно могут нагреть вещество до температуры Солнца. Но очевидно, что это будут отдельные молекулы — одного грамма вещества звезды хватило бы для мощнейшего взрыва. Поэтому не стоит верить желтой прессе, которая обещает нам скорый конец света от «рук» Коллайдера, как и не стоит бояться жара в термосфере.

Термосфера фактически является открытым космосом — именно в ее пределах пролегала орбита первого советского «Спутника». Там же был апоцентр — наивысшая точка над Землей — полета корабля «Восток-1» с Юрием Гагариным на борту. Многие искусственные спутники для изучения поверхности Земли, океана и атмосферы, вроде спутников Google Maps, тоже запускаются на эту высоту. Поэтому если речь идет о НОО (Низкой Опорной Орбите, расхожий термин в космонавтике), в 99% случаев она находится в термосфере.

Орбитальные полеты людей и животных не просто так происходят в термосфере. Дело в том, что в ее верхней части, на высоте от 500 километров, простираются радиационные пояса Земли. Именно там заряженные частицы солнечного ветра ловятся и накапливаются магнитосферой. Длительное нахождение в радиационных поясах приносит непоправимый вред живым организмам и даже электронике — поэтому все высокоорбитальные аппараты обладают защитой от радиации.

Полярные сияния

В полярных широтах часто появляется зрелищное и грандиозное зрелище — полярные сияния. Они выглядят как длинные светящиеся дуги разнообразных цветов и форм, которые переливаются в небе. Их появлению Земля обязана своей магнитосферой — а, точнее, прорехами в ней возле полюсов. Заряженные частицы солнечного ветра прорываются внутрь, заставляя атмосферу светиться. Полюбоваться на самые зрелищные сияния и узнать подробнее их происхождение можно тут.

Сейчас сияния являются обыденностью для жителей приполярных стран, таких как Канада или Норвегия, а также обязательным пунктом в программе любого туриста — однако раньше им приписывались сверхъестественные свойства. В разноцветных огнях людям древности виделись врата в рай, мифические существа и костры духов, а их поведение считали прорицаниями. И наших предков можно понять — даже образование и вера в собственный разум порой не могут сдержать благоговения перед силами природы.

Экзосфера

Последний слой атмосферы Земли, нижняя граница которого проходит на высоте 700 километров — это экзосфера (от др. греческого коря «экзо» — вне, снаружи). Она невероятно рассеянная и состоит преимущественно из атомов легчайшего элемента — водорода; также попадаются отдельные атомы кислорода и азота, которые сильно ионизированы всепроникающим излучением Солнца.

Размеры экзосферы Земли невероятно велики — она перерастает в корону Земли, геокорону, которая растянута до 100 тысяч километров от планеты. Она очень разрежена — концентрация частиц в миллионы раз меньше плотности обычного воздуха. Но если Луна заслонит Землю для отдаленного космического корабля, то корона нашей планеты будет видна, как видна нам корона Солнца при его затмении. Однако наблюдать это явление пока не удавалось.

А еще именно в экзосфере происходит выветривание атмосферы Земли — из-за большого расстояния от гравитационного центра планеты частички легко отрываются от общей газовой массы и выходят на собственные орбиты. Это явление называется диссипацией атмосферы. Наша планета ежесекундно теряет 3 килограмма водорода и 50 грамм гелия из атмосферы. Только эти частицы достаточно легки, чтобы покинуть общую газовую массу.

Несложные расчеты показывают, что Земля ежегодно теряет около 110 тысяч тонн массы атмосферы. Опасно ли это? На самом деле нет — мощности нашей планеты по «производству» водорода и гелия превышают темпы потерь. Кроме того, часть потерянного вещества со временем возвращается обратно в атмосферу. А важные газы вроде кислорода или углекислого газа попросту слишком тяжелы, чтобы массово покидать Землю — поэтому не стоит бояться, что атмосфера нашей Земли улетучится.

Интересный факт — «пророки» конца света часто говорят, что если ядро Земли перестанет вращаться, атмосфера быстро выветрится под напором солнечного ветра. Однако наш читатель знает, что удерживают атмосферу возле Земли силы гравитации, которые будут действовать вне зависимости от вращения ядра. Ярким доказательством этого служит Венера, у которой неподвижное ядро и слабое магнитное поле, но зато атмосфера в 93 раза плотнее и тяжелее земной. Однако это не значит, что прекращение динамики земного ядра безопасно — тогда исчезнет магнитное поле планеты. Его роль важна не столько в сдерживании атмосферы, сколько в защите от заряженных частиц солнечного ветра, которые легко превратят нашу планету в радиоактивную пустыню.

Атмосфера Земли в астрономии

Цвет атмосферы других планет открывает нам тайны ее состава. Атмосфера Марса имеет такой же красный оттенок, как и его поверхность. Это связано с тем, что доминирующий газ на Марсе — это углекислый газ. То же самое касается экзопланет. Анализируя их цветовой спектр, мы можем узнать о составе атмосферы — даже не представляя, как планета выглядит.

А состав атмосферы, как мы знаем, может многое рассказать нам о планете. Если много углекислого газа — значит, на планете бушуют вулканы и происходят активные геологические процессы. Водные пары в атмосфере не гарантируют океанов на поверхности, но зато являются источником кислорода. А существующий избыток кислорода является почти стопроцентной гарантией наличие жизни. Ведь мы с вами уже знаем, что кислород из неживых источников сразу же тратится на химические реакции, и для его накапливания требуется биотический источник.

А еще атмосфера оставляет ярко выраженные следы на поверхности Земли. Признаки ветровой эрозии остаются даже после того, как космический объект потеряет свою атмосферу. Сравнивая инопланетные и Земные ландшафты, можно с точностью определить их историю — так, теоретические изыскания, сделанные по спутниковым снимкам рельефа Марса, нашли свое подтверждение во время работы марсоходов.

Источник

Слой атмосферы наиболее важный для жизни

(состав, строение, общая циркуляция и прогноз погоды)

1. Атмосфера – безбрежный воздушный океан планеты Земля

Атмосфера – неотъемлемая часть природной среды планеты Земля. Она окружает весь земной шар и постоянно движется относительно Земли. Мы живем на дне этого воздушного океана, поэтому практическая деятельность людей требовала объяснения атмосферных явлений и их предсказания. Однако процесс познания был очень медленным. Книга Аристотеля (IV в. до н.э.) была большим достижением в изучении атмосферы и способствовала повороту от мифологии к реальности. Русские летописи также содержат немало сведений о чрезвычайных метеорологических явлениях. Многолетний опыт обобщался людьми в виде народных примет, позволяющих иногда «угадать» погоду. Но прогресс был очень медленным. Попытки научно обоснованного прогноза начались лишь в XVIII в. после изобретения измерительных приборов и открытия физических законов, определяющих поведение газов. Ведь атмосфера – газовая оболочка Земли и, пожалуй, самая важная для жизни. Достаточно затаить на некоторый момент дыхание, чтобы понять эту важность. Из-за постоянного движения воздух можно считать «международной собственностью»!

2. Состав атмосферы

Важную роль играют взвешенные частицы (пыль, капли воды, кристаллы льда и другие, называемые аэрозолями). Они попадают в атмосферу как естественным путем (выветривание), так и в результате деятельности человека.

В последние 100 лет под влиянием хозяйственной деятельности человека произошло изменение в химической составе атмосферы: увеличились выбросы парниковых газов – углекислого газа, метана, закиси азота и др. Особенно велики выбросы промышленно развитых стран. Дело в том, что установлена корреляционная связь между содержанием в атмосфере этих газов (особенно СО₂) и увеличением температуры приземного воздуха. Поэтому в мировом сообществе делаются попытки принять соглашения об ограничении выбросов парниковых газов. Промышленные аэрозоли загрязняют атмосферный воздух вредными примесями, т.к. различные химические элементы интенсивно поглощаются при дыхании.

Газы, входящие в состав атмосферы имеют определенную плотность и поэтому оказывают на каждый кв.см земной поверхности давление, равное массе воздуха. Поэтому воздух постоянно движется, это давление часто изменяется, и человек физически (особенно метеочувствительный) ощущает на себе изменение давления (погоды). Благодаря сжижаемости воздуха, изменение (понижение) давления с высотой происходит неравномерно. Так, в слое до высоты 5 км находится примерно половина массы атмосферы, а до высоты 10 км – около ¾. Из-за уменьшения плотности воздуха с высотой у атмосферы нет четкой верхней границы, и она постоянно переходит в межпланетное пространство.

3. Строение атмосферы

Атмосфера термически расслоена как по вертикали, так и по горизонтали.

Основные слои атмосферы по вертикали общеизвестные (тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера).

Тропосфера формируется благодаря нагреву солнечными лучами поверхности Земли, от которой и нагревается воздух, подобно нагреву воды в кастрюле от электрической плиты. В тех местах, где воздух нагревается больше, он расширяется, становится легче окружающего воздуха и поднимается вверх, и на его место опускается более холодный. Такое круговое (по вертикали) движение воздуха получило название конвекции. Именно благодаря конвекции, температура воздуха в тропосфере падает примерно на 0,65°С на каждые 100 м высоты. На экваторе Земля получает гораздо больше тепла, чем на полюсах, поэтому теплый воздух над экватором постоянно поднимается, а на его место приходит более холодный с севера и с юга. Поэтому над экватором тропосфера всегда более мощная, чем над полюсами.

Выше тропосферы, до высоты 50 км, расположена стратосфера. В ней имеется еще одна поверхность нагрева – слой озона. Озон концентрируется в слое 15-25 км и поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, поэтому температура в стратосфере вначале остается почти постоянной, а затем даже повышается. Поглощая ультрафиолетовое излучение, озоновый слой не только нагревает стратосферу, но и защищает людей и животных от ее вредоносного воздействия (оно вызывает тяжелые заболевания). В стратосфере из-за отсутствия конвекции и сильных вертикальных движений нет облаков, и всегда светит солнце. Нет и опасных явлений погоды, поэтому самолеты предпочитают летать в стратосфере.

Выше стратосферы расположены мезосфера и термосфера – слои почти не оказывающие влияния на погоду из-за небольшой массы воздуха, содержащегося в них.

4. Глобальное, региональное и локальное расслоение тропосферы

Глобальное расслоение тропосферы по горизонтали связано с неравномерностью притока тепла по долготам. Различают тропический воздух, субтропический воздух и полярный (умеренных широт и арктический). Внутри этих глобальных воздушных масс приток тепла также неравномерен, поскольку суша (континенты) нагревается быстрее, чем океан. Морские воздушные массы летом холоднее, чем континентальные, а зимой, наоборот, теплее.

Вследствие различной отражательной способности подстилающей поверхности, пустыни, леса, горы, луга, степи, пастбища также нагреваются от солнца по разному, что приводит к формированию региональных воздушных масс и локальной погоды. Иначе говоря, нагрев нижнего слоя атмосферы происходит большим количеством «электрических плит» различных размеров и мощности.

На границах воздушных масс с разными характеристиками возникают атмосферные фронты – поверхности раздела. Фронты между глобальными воздушными массами обычно называют главными фронтами или климатическими (тропический, полярный), а более мелкими – просто атмосферными фронтами. При больших контрастах метеовеличин, главным образом, температуры воздуха, на фронтах зарождаются вихри с вертикальной осью – циклоны и антициклоны, которые, в конце концов, сглаживают контрасты и приводят к однородному распределению температуры между воздушными массами.

5. Западно-восточный перекос

6. Общая циркуляция атмосферы

Совокупность основных воздушных течений в атмосфере называют общей циркуляцией. Важнейшими ее звеньями являются зональный и меридиональный перекосы в тропосфере, муссоны, пассаты, циклическая деятельность, струйные течения, центры действия атмосферы и др.

Схема простой двумерной циркуляции свое начало берет еще со времен Гадлея (1735 г.). Сам Гадлей знал о некоторых, связанных с нею, противоречиях. Так, например, известную засушливость субтропиков от постарался учесть, введя частичное опускание воздуха, направленного к полюсу в южных широтах. Затем единственная ячейка циркуляции – экватор-полюс была замечена тремя колесами. Феррель заметил, что в средних широтах северного полушария ветры в основном не северо-западные, а юго-западные. Таким образом, в средних широтах появилась обратная ячейка. Появилась классическая теоретическая модель глобальных механизмов самого крупного масштаба.

Современные наблюдения показывают, что воздушные движения осуществляются не в форме замкнутых между экватором и полюсам ячеек циркуляции, а в виде неупорядоченного, турбулентного перемещения крупных воздушных масс в направлении меридиана. Одни воздушные массы, сформировавшиеся в низких широтах, прорываются далеко к полюсу. Другие, возникшие в высоких широтах, приникают далеко в направлении к экватору. Микротурбулентное перемешивание порождает потоки всех физических величин, стремящихся выровнять их градиенты.

7. Погода и погодные системы

Погодой принято называть состояние атмосферы, оказывающее воздействие на жизнь и деятельность людей. Оценить это состояние в заданной точке можно путем измерения метеорологических величин (температуры воздуха, атмосферного давления, ветра и др.), а также наличием или отсутствием явлений погоды (дождь, снегопад, гроза и др.).

Причиной изменчивости погоды является перемещение воздушных масс, формирование атмосферных вихрей (циклонов, антициклонов), также перемещающихся под влиянием общей циркуляции атмосферы. Циклоны бывают фронтальные, формирующиеся на атмосферных фронтах в умеренных широтах, и нефронтальные или тропические. Явления погоды и погодные системы отличаются друг от друга своими масштабами, а также степенью опасности для человеческой деятельности. Некоторые явления (смерч, бора) по масштабу невелики, но разрушительная сила их огромна.

В настоящее время установлено, что возникновение любого опасного явления связано с глобальными, региональными и локальными атмосферными процессами, а также местными воздействиями (рельефом и особенностями подстилающей поверхности).

Еще в конце XVIII века были сформулированы основные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных процессов. В конце XIX века была высказана идея предвычисления погоды с помощью уравнений гидротермодинамики на основе анализа первоначального состояния атмосферы. Эта идея впервые была осуществлена Л.Ричардсоном в 1922 году, но его расчеты доказали бесперспективность такого подхода, прежде всего, из-за необходимости огромного объема вычислений. По подсчетам Ричардсона даже для получения одного прогноза на сутки требовалось 64 000 человек!

Вследствие такой бесперспективности развитие прогностической метеорологии пошло по пути создания физических и статистических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем и определения закономерностей в общей циркуляции атмосферы. Развивать численные модели атмосферы стало возможным только после появления ЭВМ.

В настоящее время на основе гидродинамической теории такие модели созданы. Эти модели позволяют в глобальном масштабе предвычислять основные поля метеорологических величин на срок до 10 суток с точностью, приемлемой для многих потребителей. Есть и региональные и даже мезомасштабные модели или модели по ограниченной территории. Успехи в гидродинамическом моделировании атмосферы привели к созданию целой «прогностической индустрии» и изменению ранее существовавшей технологии подготовки прогнозов погоды.

9. Международные метеорологические центры

Крупные метеорологические центры, оснащенные мощной вычислительной техникой, ежедневно на основе глобальных моделей общей циркуляции атмосферы производят расчет на 5-7 суток полей давления, высот изобарических поверхностей, полей ветра и температуры и другой продукции и автоматически, в кодированном виде, распространяют ее в оперативные прогностические организации.

Такие метеорологические центры, подобно промышленным, выпускают продукцию, используемую более мелкими организациями, так же как, к примеру, продукцию металлургического комбината используют для изготовления каких-либо изделий на заводах и фабриках. Поэтому выражение «прогностическая индустрия» вполне соответствует действительности. Конечно, такие центры существуют только в развитых странах (США, Австралия, Англия, Франция, Россия, Япония, Китай, Германия) или же финансируются совместными усилиями ряда стран на кооперативной основе, например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды в Рединге (Англия). В России функции такого центра выполняет Гидрометцентр России совместно с Главным радиометцентром Росгидромета и Вычислительным центром Росгидромета.

Естественно, что, как и промышленным комбинатам, метеорологическим центрам нужно «сырье» для выпуска продукции. Сырьем в данном случае являются данные круглосуточных метеорологических наблюдений за погодой и о вертикальном строении тропосферы и стратосферы. Численное прогнозирование доказало на практике, что для предвычисления погодообразующих процессов на срок более 2-3 дней необходимо иметь данные наблюдений со всего земного шара.

Благодаря международному сотрудничеству в прогностические «комбинаты» непрерывным потоком поступает метеорологическое «сырье», в результате переработки которого любая страна получает необходимую ей продукцию для составления прогнозов по всей территории. При этом обмен осуществляется бесплатно!

Центры «прогностической индустрии» обладают, как правило, также мощным научным потенциалом, что позволяет постоянно совершенствовать модели, разрабатывать новые методы прогнозирования и после проведения испытаний, быстро внедрять их в производственный процесс. Кроме того, эти центры одновременно могут выполнять функции региональной и национальной оперативной прогностической организации, осуществлять централизованное обеспечение информацией и прогнозами органы исполнительной власти и т.д.

Так, в ФГБУ «Гидрометцентр России», головной организации Росгидромета в сфере прогнозирования погоды, выполняются как научные исследования, так и весь оперативный цикл подготовки прогнозов.

10. Функции автоматизированной технологии численного прогноза

Оперативные технологические системы численного прогноза зависят от особенностей разработанных моделей, их сложности, информационного и программного обеспечения, а также конфигурации и мощности вычислительной техники. В связи с этим, в каждом метеорологическом центре имеются отличия в технологии выпуска прогнозов. Вместе с тем, в любой автоматизированной оперативной системе численного прогноза можно выделить функции, свойственные всем существующим системам.

К этим функциям относятся:

— сбор данных наблюдений с распознаванием метеорологических сводок и архивацией;

— подготовку базы данных, обеспечивающую декодирование сводок, контроль их качества, подготовку форматов данных для их анализа;

— усвоение данных, их объективный анализ и инициализацию;

— прогноз с помощью гидродинамической модели (решение уравнений, учет неадиабатических процессов);

— заключительную обработку выходных данных модели.

В численных моделях метеорологические величины для расчетов, как правило, представляются в точках регулярной сетки. При этом атмосфера подразделяется на серию слоев, число которых может быть различным, но обычно около 30.

Многие процессы, особенно в пограничном слое имеют мелкий масштаб, меньше шага сетки модели. Поэтому их необходимо определять на основе усредненных по территории величин, рассчитываемых по модели. Эта процедура получила название параметризации физических процессов. Современные численные модели, как правило, включают в себя параметризацию следующих характеристик и процессов:

— состояние планетарного пограничного слоя;

— основные характеристики подстилающей поверхности (орография, распределение температуры поверхности моря, распределение морского льда, альбедо и др.);

— разрушение гравитационных волн;

11. Глобальные системы наблюдения и телесвязи

В целях получения надежных данных о метеорологических величинах и явлениях погоды, которые можно использовать для обеспечения оперативной деятельности, а также для изучения атмосферы и подготовки прогнозов, существует государственная сеть гидрометеорологических станций, на которых проводятся инструментальные и визуальные наблюдения по стандартным практикам и процедурам, принятым Всемирной метеорологической организацией.

Государственная сеть любой страны входит в Глобальную систему наблюдений Всемирной метеорологической организации (ВМО), которая существует и развивается уже более 100 лет. Сейчас она стала не только глобальной, но и комплексной.

Метеорологические спутники, принадлежащие теперь уже многим странам, отслеживают явления погоды, изменения в растительном покрове, пространственное распределение льда и снега, водяного пара, измеряют температуру и ветер. Наземная подсистема наблюдений, кроме метеорологических станций, получила новые средства непрерывного слежения за погодой – метеорологические радиолокаторы, морские буи, автоматизированные устройства для измерения температуры и ветра на рейсовых самолетах, профилемеры и др. Современная технология, а также Интернет позволяют обеспечивать более быстрое распространение данных наблюдений, прогнозов и предупреждений по глобальной системе телесвязи.

12. Прогноз локальной погоды

Важно отметить, что прогресс в численном моделировании относится, главным образом, к крупномасштабным погодным системам. Прогнозы локальной погоды все еще связаны с некоторой неопределенностью в отношении конкретного местоположения, времени и интенсивности метеорологических явлений.

Поэтому локальные прогнозы составляются на основе результатов численного моделирования, но с использованием синоптического анализа карт погоды, различных физико-статистических методик прогноза, а также новых средств наблюдений за погодой.

Наиболее значимыми новыми средствами наблюдений являются искусственные спутники Земли (ИСЗ) и метеорологические радиолокаторы (МРЛ). Используются также местные признаки и климатические данные.

13. Анализ данных и ИСЗ

Со спутников поступает значительное количество информации, и ее анализ является неотъемлемой частью любых методик прогноза. Спутниковые данные позволяют следить за перемещением и развитием фронтальных систем, скоплений облаков, зон тумана, за подветренными волнами и другими опасными явлениями.

Полярно-орбитальные спутники совершают оборот вокруг земного шара примерно за 100 мин. на высоте около 800 км. Они проходят над одним и тем же пунктом у поверхности Земли лишь два раза в сутки, но охватывают экваториальные и полярные районы с одинаковым разрешением.

Геостационарные спутники висят над одной и той же точкой на высоте 36 000 км и каждые 30 мин. передают обновленные изображения. Недостаток их заключается в том, что они дают искаженное изображение районов, находящихся к северу и к югу от субтропиков. Эти спутники часто используются в качестве ретранслятора для сбора и передачи данных наблюдений.

Спутники обеспечивают получение изображений облачности в видимом (0,4-1,1 мкм) и инфракрасном диапазонах. Комплексное рассмотрение двух типов снимков позволяет получить трехмерную структуру облаков. По спутниковым снимкам удается воссоздать общую картину пространственного распределения облачности и по ее характерным структурным особенностям определить довольно большое количество возмущений различного масштаба.

14. Анализ данных с МРЛ

Информация, поступающая от МРЛ, является важным дополнением к наблюдениям, осуществляемым на метеорологических станциях. Она предоставляет метеорологу возможность «заглянуть» за видимый горизонт. Радиолокационные измерения облачности и определение осадков основаны на отражении электромагнитных волн частицами, находящимися в воздухе. Мощность обратного отражения зависит от размеров частиц и веществ, из которых они состоят. Степень отражательной способности частиц, из которых состоят облака и осадки, характеризуется коэффициентом отражения. По величине радиолокационного эхосигнала, которая пропорциональна диаметру водяных капель и кристаллов льда, определяется тип облачности. Так, грозовые облака, которые содержат большие водяные капли, дают более яркое радиоэхо, чем слоистые, состоящие из капель сравнительно небольшого размера. Дождь обычно дает более яркий сигнал, чем снег. Таким образом, по величине радиоэха идентифицируются осадки, их интенсивность, грозы и другие явления.

С конца 70-х годов прошлого столетия для расширения зоны охвата используются сети радиолокаторов с автоматизированной обработкой данных на компьютерах. Такие системы позволяют создавать составные цветные изображения по результатам наблюдений, поступающим от нескольких радиолокаторов, а также объединять радиолокационные данные с информацией других типов, например, со спутниковой.

15. Автоматизированное рабочее место прогнозиста

Автоматизация прогноза погоды часто воспринимается как средство замены человека в деятельности ОПО. Однако опыт показывает, что машина и человек вместе могут достигнуть гораздо лучших результатов, чем каждый в отдельности. Роль человека в современных технологиях прогнозирования зависит от типа прогностического центра и объема выпускаемой им прогностической продукции. В крупном метеорологическом центре, каким, например, является Гидрометцентр России, выполняется весь технологический цикл оперативной подготовки прогнозов, начиная от численного прогноза на суперЭВМ и заканчивая подготовкой специализированных прогнозов с использованием автоматизированного рабочего места синоптика. В небольших ОПО, в которых основная часть информации приходит из более крупных метеорологических центров, основная задача сводится к мониторингу погоды, обработке и анализу данных и интерпретации имеющейся прогностической продукции, т.е. составлению прогнозов. При этом очень важно иметь автоматизированный доступ прогнозиста к информационной базе данных для более широкого его использования при составлении прогноза погоды.

Использование вычислительных возможностей персональных ЭВМ и доступ к информационной продукции и, в частности, выходных данных моделей, способствует:

— более правильному диагнозу физических процессов, определяющих развитие метеорологических явлений;

— пониманию сильных и слабых сторон численных прогнозов;

— концентрации внимания на более важных процессах;

— комплексному использованию данных наблюдений и численной продукции.

16. Специализированные прогнозы погоды

Из специализированных прогнозов погоды наиболее широко применяются прогнозы погоды для авиации и для морских отраслей. Метеорологи и авиаторы, как на национальном, так и на международном уровнях совместно разрабатывают регламентирующие документы, определяющие порядок и форму метеорологического обеспечения и оценки прогнозов.

Морское гидрометеорологическое обслуживание выполняет две основные функции:

— обеспечение различных видов деятельности в прибрежных районах;

— обеспечение международного мореплавания, рыбного промысла и прочих видов деятельности в открытых океанических районах.

В течение последних лет появилась необходимость в предоставлении специализированной гидрометеорологической информации для обеспечения разработки нефти и газа на континентальном шельфе, планировании и возведении инженерных конструкций и установок в прибрежной и удаленной от берега зонах; буксировки судов в сложных метеорологических условиях и т.д. Общие процедуры гидрометеорологического обеспечения морской деятельности приведены в соответствующих руководящих документах Росгидромета, а также в «Наставлении по морскому метеорологическому обслуживанию» ВМО.

Некоторые прогнозы не относятся напрямую к категории метеорологических, но используют в качестве основы метеорологические прогнозы. Так, прогноз перемещения и эволюции вредных выбросов в атмосферу базируется на прогнозе траекторий перемещения воздуха, предвычисленных по моделям общей циркуляции атмосферы. Рекомендованные курсы для морских судов определяются на основе прогноза поля давления у поверхности земли. Планирование полетов воздушных судов осуществляется по прогнозам ветра на высотах.

17. Долгосрочные прогнозы погоды и климата

Современное прогнозирование глобальной динамики климата осуществляется путем проведения численных экспериментов на климатических моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Более сложные модели используют активные химические и биологические связи. Сравнение результатов моделирования с историческими данными показало, что они способны адекватно отображать крупномасштабную годовую цикличность. Благодаря этим моделям появилась уверенность, что глобальные изменения климата связаны с деятельностью человека (выбросами парниковых газов). Нужно иметь в виду, что сейчас предсказуемые результаты нельзя рассматривать как прогноз на каждый конкретный год. Тем не менее они дают физически согласованную картину будущих изменений климата и их роль в его предсказании будет возрастать!

Источник