big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Неоднородность физических свойств воздуха в тропосфере

Атмосфера неоднородна не только по вертикали, но и в горизонтальном направлении. Сильное различие физических свойств воздуха на одинаковых высотах часто можно обнаружить на близком расстоянии. Особенно резки эти различия для тропосферы.

Свойства воздуха непрерывно изменяются из-за неодинакового притока солнечной энергии в низких и высоких широтах Земли и влияния подстилающей поверхности. Массы воздуха, перемещаясь над различной по своему характеру подстилающей поверхностью земли (материки или океаны, пустыни и степи, лесные массивы и болота), приобретают новые физические свойства, присущие тем географическим районам, над которыми они движутся. Этот процесс называется трансформацией воздуха. Поскольку воздух никогда не остается в покое, то трансформация его происходит непрерывно. При трансформации заметнее всего изменяются температура и влажность воздуха. Особенно значительны эти изменения при перемещении воздуха из одних широт в другие или при переходе на иную подстилающую поверхность, например с океана на сушу или обратно.

При движении над однородной поверхностью с севера на юг воздух обычно нагревается и удаляется от состояния насыщения — становится, как принято говорить, сухим, хотя его способность поглощать и удерживать влагу при этом возрастает. Наоборот, при движении с юга на север воздух охлаждается, а следовательно, приближается к состоянию насыщения и при малом запасе влаги становится насыщенным — влажным. При соответствующих условиях циркуляции часть влаги, содержащейся в воздухе, конденсируется и выпадает в виде осадков. Тогда влагосодержание воздуха понижается. Содержание влаги в воздухе быстро повышается, когда он перемещается над большими водными бассейнами, и медленнее — над малоувлажненной подстилающей поверхностью.

Кроме непрерывных изменений температуры и влажности воздуха, обусловленных теплообменом и влагообменом с подстилающей поверхностью, меняются и оптические его свойства. Проходя над пустынями и индустриальными районами, воздух мутнеет из-за поступления различных механических примесей — взвешенных частиц пыли и продуктов сгорания. Поглощение частицами пыли солнечной радиации способствует более интенсивному нагреванию воздуха. Проходя над океанами, он обогащается солями морской воды.

Если воздух продолжительное время задерживается над одинаковой подстилающей поверхностью, он на огромном пространстве приобретает относительную однородность. Такие сравнительно однородные массы воздуха называются воздушными массами. Они обычно получают название того географического района, откуда приходят на ту или иную территорию: из Арктики — арктический, из умеренных широт — умеренный, из тропиков —  тропический и т. п. По температурному признаку воздушные массы делятся на холодные и теплые. Теплой называют воздушную массу, поступающую на более холодную подстилающую поверхность, а холодной — воздушную массу, поступающую на более теплую подстилающую поверхность.

Условия для образования холодных воздушных масс имеются в полярных областях, где происходит интенсивное охлаждение воздуха, особенно зимой. В низких широтах — субтропической и тропической зонах — в течение всего года происходит прогревание воздуха и условия циркуляции благоприятствуют формированию теплых воздушных масс. Ранее предполагали, что воздушные массы движутся как единое целое. Однако данные зондирования температуры, влажности и ветра показали, например, что при штиле у поверхности земли ветры на высотах могут достигать большой силы. С высотой часто меняется не только скорость, но и направление ветра. Одновременно с горизонтальными осуществляются и вертикальные движения.

При движении масса воздуха стремится приобрести свойства, присущие воздуху в той или иной широтной зоне, над сушей или океаном. Скорость, с которой изменяются физические свойства движущейся массы воздуха, т. е, трансформация, зависит главным образом от разности температур воздуха, и подстилающей поверхности. Чем больше эта разность, тем быстрее воздух нагревается и охлаждается. Тепло и холод от поверхности земли в верхние слои передаются путем турбулентного (хаотического) перемешивания, причем при прогреве нижних слоев воздуха и развитии неустойчивости передача тепла осуществляется быстрее, чем при устойчивом состоянии, когда из-за охлаждения приземного слоя воздуха возникает инверсия.

Хотя солнечные лучи пронизывают атмосферу сверху, температура воздуха с высотой понижается. Объясняется это тем, что для коротковолнового излучения Солнца атмосфера почти прозрачна и значительная часть солнечной радиации свободно проникает до поверхности Земли. Воздух же нагревается от излучаемой земной поверхностью радиации, и путем турбулентного перемешивания тепло распространяется в вышележащие слои, в основном в пределах тропосферы.

Если проследить за движением единичной крупной массы воздуха, то при переходе из районов Арктики в умеренную зону, например на Европейскую территорию СССР или в Западную Сибирь, можно обнаружить, что температура повышается на 4—5° за сутки. Когда же он достигает Кавказа или Средней Азии, то температура его (за 3—5 суток) по сравнению с начальной возрастает на 15—20°. Эти величины характерны для нижнего слоя тропосферы. С высотой прирост температуры запаздывает и величина его уменьшается. Поэтому по мере движения к югу характер распределения температуры с высотой подвергается существенным изменениям и воздух становится неустойчивым. При обратном движении воздуха в сторону Арктики происходит понижение его температуры, наибольшее у поверхности Земли. Вследствие этого масса воздуха обычно приобретает устойчивую стратификацию, и нередко образуется приземная инверсия температуры.

Следует заметить, что по мере движения воздуха к югу и прогревания он удаляется от состояния насыщения, и если подстилающая поверхность сравнительно сухая, то обогащение его влагой незначительно. Особенно интенсивно воздух нагревается и удаляется от насыщения в весенние месяцы. При некоторых атмосферных процессах возникает атмосферная засуха, часто сопровождающаяся сухими и сильными восточными ветрами, так называемыми суховеями, которые губительны для посевов и урожая.

Кроме радиационного притока тепла, большие изменения температуры воздуха в тропосфере происходят за счет его внутренней энергии, т. е. адиабатического сжатия и расширения, а также фазовых превращений воды: превращения водяного пара в воду или воды в лед.

Изменения температуры, связанные с влиянием этих факторов, могут привести к существенному изменению характера распределения температуры воздуха с высотой. Иначе говоря, он может приобрести устойчивую стратификацию.

Вычисление величины изменения температуры и влажности, т. е. трансформации движущегося воздуха, — задача довольно сложная. Однако уже производятся расчеты по определению возможного распределения температуры по высоте с суточной заблаговременностью. На основе таких расчетов строят прогностические кривые изменения температуры с высотой в различных пунктах. Для прогноза погоды на 1—2 суток эти расчеты очень важно произвести своевременно и точно. Они нужны также для прогноза поля давления и ветра на больших высотах и прогноза возникновения и развития атмосферных вихрей.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.