БИЛИМ БУЛАГЫ

Атмосфера

На протяжении тысячелетий люди полагали, что атмосфера, или, точнее, воздух, - единое и простейшее вещество. Теперь известно, что он представляет собой сложную смесь газов и взвешенных в ней частиц. На той странице мы узнаем, как появилась и как устроена атмосфера? Сколько тепла и света получает Земля? Отчего бывают радуги и миражи? Как образуются и какие бывают облака? Почему воздух движется и возникают циклоны, бури, ураганы? Как солнце, воздух и вода, взаимодействуя тысячами различных способов, создают погоду, которая никогда в точности не повторяется и все же имеет много сходных черт. Как метеорологи составляют прогноз погоды и как сегодня в этом им помогают компьютеры и искусственные спутники Земли.

Атмосфера, ее строение и закономерности

Как появилась атмосфера?

На нашей планете сначала не было никакой атмосферы. На первичной Земле было много действующих вулканов, которые выбрасывали водяной пар, пыль и множество газов. По мере охлаждения планеты газы конденсировались, в атмосфере появилась вода, стали выпадать обильные дожди. Позже, когда на Земле появились океаны и биосфера, образование атмосферы продолжилось за счет газообмена между водой, растениями, животными и продуктами их разложения. И, в течение долгого пути своего развития на протяжении 3–4 миллиардов лет, атмосфера многократно изменяла свой состав и свойства.

Из чего состоит и как устроена атмосфера?

Воздух окружает нашу планету сравнительно тонким слоем. Вся воздушная оболочка Земли называется атмосферой (от древнегреческого: «атмос» - пар, «сфайра» - сфера). Она состоит из смеси газов (воздуха), водяного пара и примесей (аэрозолей).

Азот - самый распространенный в атмосфере газ. Он играет важную роль в обмене веществ в растительном и животном мире.

Кислород - самый активный, в биологическом отношении, газ атмосферы. Он необходим для дыхания.

С точки зрения метеоролога одной из самых важных частей атмосферы является углекислый газ. Хотя по объему он занимает всего 0,03%, изменение его содержания может коренным образом изменить погоду и климат Земли.

Атмосфера, в соответствии с изменением температуры с высотой, делится на несколько различных по толщине ярусов (слоев): тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера) и экзосфера. Между основными слоями есть переходные слои: тропопауза, стратопауза, мезопауза, в которых происходит смена направления температуры в сторону повышения или понижения. Начало этих изменений означает переход к следующему слою.

Слои земной атмосферы	Слои атмосферы графика

Отличительные особенности слоев атмосферы

Тропосфера	Стратосфера	Мезосфера	Ионосфера (термосфера)	Экзосфера
Нижняя часть атмосферы	Лежит выше тропосферы	Верхняя граница атмосферы	Простирается до высоты 800 км	Начинается с высоты 800 км и простирается до высоты 2000- 3000 км
Содержит более 90% всей массы атмосферы	Простирается до высоты 50 -55 км	Простирается до высоты 80 км	Температура снова растет с высотой примерно до 1000oС	Скорость газов почти критическая – 11,2 км/с
Высота: Над экватором – 16 – 18 км Над умеренными широтами – до 10-11 км Над полюсами – до 8 км	Температура у верхней границы повышается до - 400С (причина – наличие озонового пояса)	Резкое понижение температуры до -75 – 90о	Наблюдается свечение газов, полярные сияния (причина - воздействие ультрафиолетовых лучей Солнца)	Господствуют атомы водорода и гелия, образующие вокруг Земли корону до высоты 20 000 км
Температура воздуха с высотой понижается в среднем на 0,6о на каждые 100 м		У верхней границы формируются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов	Способность многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь Земли
Образуются облака и выпадают осадки

Сколько тепла и света получает Земля?

Излучение Солнцем тепла и света называется солнечной радиацией. Попадая в атмосферу она частично поглощается и переходит в другие виды энергии. Около 30 % радиации атмосфера рассеивает во все стороны, в том числе и к земной поверхности. Это рассеянная радиация. Та радиация, которая доходит до поверхности, не рассеиваясь и не поглощаясь в атмосфере называется прямой радиацией. Вместе прямая и рассеянная радиация, подошедшие к поверхности составляют суммарную радиацию.

Количество суммарной радиации зависит от угла падения солнечных лучей на поверхность, продолжительности дня, облачности и прозрачности атмосферы. Наибольшая суммарная радиация – в тропических пустынях. А у полюсов в день солнцестояния летом при незаходящем Солнце она даже больше, чем в этот день на экваторе. Тогда, почему, в полярных областях Земли холодно? Все дело в том, что белая поверхность снега и льда не нагревается, так как отражает до 90 % солнечных лучей. Способность подстилающей поверхности отражать солнечные лучи называется альбедо, которое зависит главным образом от ее цвета.

Атмосфера получает больше тепла от подстилающей поверхности, чем непосредственно от Солнца, поэтому температура в тропосфере с высотой понижается.

Температура воздуха изменяется в течение суток и в течение года. В течение суток самая низкая температура наблюдается после восхода Солнца, а самая высокая – после полудня. В направлении от экватора к полюсам температура воздуха понижается. Но при этом над сушей она всегда выше, чем над океаном. В таблице показана средняя годовая температура на параллелях: а) без учета влияния переноса тепла воздушными течениями и неоднородности поверхности и б) с учетом этих влияний. На основании этих данных можно сделать два вывода:

• Без переноса тепла воздушными течениями на экваторе было бы еще жарче, а на полюсах еще холоднее.
• Южное полушарие холоднее северного, главным образом из-за покрытой льдом и снегом суши у Южного полюса.

Давление атмосферы

Вследствие нагревания и охлаждения воздух перемещается и его давление на подстилающую поверхность изменяется. Давление повышается там, где воздуха становится больше, и понижается там, откуда воздух уходит. Атмосфера давит на подстилающую поверхность с силой в среднем 1,033 г на 1 см2 (больше 10 т на 1 м2). Измеряют давление в мм ртутного столба, миллибарах (1 мб = 0,75 мм. р. с.) и в гектопаскалях (1мм = 1 мб).

С высотой давление понижается. В нижнем слое тропосферы до высоты 1 км оно понижается на 1 мм. р. с. На каждые 10 м. Чем выше, тем давление понижается медленнее.

Для измерения атмосферного давления служат приборы: ртутный барометр, барометр-анероид и современные цифровые барометры.

Вода в атмосфере

Откуда в атмосфере вода?

Вода в атмосфере содержится в виде молекул (пар), капелек и кристаллов. Они появляются там в результате испарения с поверхности водоемов, выделения живыми организмами при процессах дыхания и обмена веществ, а также, как побочный продукт вулканической деятельности, промышленного производства и окисления различных веществ. Потом, содержащийся в атмосфере пар, сконденсировавшись превращается в воду.

Содержание водяного пара в воздухе характеризуется показателем влажности. Если подсчитать количество пара в граммах на 1 м3, то это абсолютная влажность. Более распространенной характеристикой содержания пара в воздухе является относительная влажность, значения которой сообщаются в ежедневных сводках погоды. Относительная влажность представляет собой отношение количество водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может содержаться при данной температуре и выражается в процентах. Она показывает степень насыщения воздуха водяным паром

Относительная влажность	Содержание водяного пара в воздухе при различных температурах

Измерить влажность воздуха можно с помощью специальных приборов. Приборы для измерения относительной влажности воздуха

Во что превращается пар в атмосфере?

Водяной пар поступает в атмосферу в результате процесса испарения с поверхности. Испарение зависит от температуры испаряющейся воды и относительной влажности воздуха. Насыщенный воздух не может вместить больше водяного пара, если температура его не повысится. При повышении температуры он удаляется от насыщения, при понижении, наоборот, в нем может начаться конденсация и при различных условиях образуются облака и разнообразные атмосферные осадки.

Виды облаков	Виды осадков

Факторы образования атмосферных осадков	Как образуется иней, роса, дождь и снег

А вот так выглядит прибор для сбора и измерения количества выпавших атмосферных осадков. Называется он осадкомер (дождемер), а по научному плювиометр. Он представляет собой цилиндрическое ведро строго определенного сечения, устанавливаемое на метеоплощадке. Количество осадков определяется путем сливания попавших в ведро осадков в специальный дождемерный стакан, площадь сечения которого также известна. Твердые осадки (снег, крупа, град) предварительно растапливаются. А для измерения толщины снежного покрова при метеонаблюдениях применяют снегомерную рейку.

Осадкомер	Снегомерная рейка

Движение воздуха

Почему дует ветер и что такое роза ветров?

Воздух движется непрерывно: он поднимается (восходящее движение) и опускается (нисходящее движение) и перемещается в горизонтальном направлении (ветер). Ветер характеризуется несколькими параметрами.

Скорость ветра успешнее всего измеряется ветромером (чашечным анемометром) - измерительным прибором, на вертикальной оси которого крестообразно укреплены чашки - полушария, которые вращаются от любого, даже легкого, ветерка, и чем он сильнее, тем быстрее происходит вращение. От оси прибора идет передача к счетчику оборотов.

Анемометр	Схема устройства флюгера	Ветроуказатель
Наиболее известным ветромером является чашечный анемометр. Чем больше скорость ветра, тем быстрее он вращает чашки		На аэродромах и возле мостов направление и силу ветра издали показывают ветроуказатели - открытые с обоих концов большие полотняные полосатые конусы.

Рядом с ветромером обычно устанавливают флюгер, указывающий направление ветра. На аэродромах и возле мостов, где ветер может представлять опасность для автомобилей, устанавливаются ветроуказатели - большие конусообразные мешки из полосатой ткани, открытые с обеих сторон.

Прежде чем люди научились измерять скорость ветра в м/сек или км/ч, они пользовались для этой цели шкалой Бофорта, английского адмирала, который составил таблицу, описавшую и охарактеризовавшую разные ветры, сведенные в систему баллов от 0 (полный штиль) до 12 баллов (самый сильный ураганный ветер, доходящий до скорости 117 км/ч). Однако при смерчах и тропических циклонах скорость его бывает еще больше.

Шкала Бофорта	Сэр Френсис Бофорт

По данным наблюдений за направлением ветра строят диаграмму, которая называется «розой ветров». Для чего и как была придумана "РОЗА ВЕТРОВ»?

Какие бывают ветры?

Ветер всегда дует из области высокого давления в область низкого давления. Чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер. Ветры бывают трех типов: ветры, являющиеся частью общей циркуляции атмосферы (постоянные и сезонные), местные ветры и ветры циклонов и антициклонов. Направление ветра зависит от распределения атмосферного давления и от отклоняющего действия вращения Земли. На схеме стрелками показано в каком направлении дуют постоянные ветры: пассаты (от 30 0 широт к экватору), западные (воздух, направляющийся от тропических широт в умеренные отклоняется к востоку), восточные (из высоких широт в умеренные дуют ветры с преобладанием восточной составляющей). На границах материков и океанов эта схема преобладающих ветров сильно нарушается. Здесь возникают сезонные ветры - муссоны, которые зимой дуют с материка на океан, летом – наоборот, с материка на океан.

Постоянные ветры	Пассаты карта	Образование муссонов

В зависимости от местных условий (рельеф, растительность, водоемы) возникают различные местные ветры. К ним относятся:

Горно-долинные ветры возникают в горных районах в результате различного нагрева (и охлаждения) атмосферы над гребнями горных хребтов, склонами и дном долины. Днем они дуют вверх по склонам гор и вверх по дну долины (долинные ветры), ночью - в обратном направлении (горные ветры).

Бриз	Горно-долинные ветры
На побережьях больших водоемов (морей, озёр, рек, водохранилищ) дует несильный легкий ветер, скорость которого составляет 1 - 5 м/с.-бриз.	В горных районах днём по долинам вверх дует долинный ветер, ночью – по склонам вниз дует горный ветер.

Циклоны и антициклоны

В тропосфере постоянно возникают, развиваются и исчезают вихри различных размеров, от мелких («пылевых») до гигантских циклонов и антициклонов.

Циклон	Антициклон

Погода и климат

Что определяет погоду?

Мы уже знаем, что на Земле существуют различные времена года, области с разным климатом. В каждый момент времени в определенном месте в атмосфере могут быть облака, и безоблачность, ветер и штиль, дождь, гроза и снег, жара и холод. Любое состояние тропосферы в данном месте и в данный момент времени называется погодой.

Погода отличается изменчивостью, многообразием и повторяемостью. На Земле есть территории, где в течение года постоянно наблюдается одна и та же погода. Например, на экваторе весь год стоит жаркая погода с сильными дождями, а в умеренных широтах в разные сезоны года погода меняется. Что же определяет погоду? Главными конструкторами погоды являются Солнце, воздух и вода, формирующие элементы погоды: температуру давление, влажность, изменение которых приводит к возникновению разнообразных погодных явлений.

В природной среде человек чаще всего встречается с обычными погодными явлениями (ветер, дождь, снег), но время от времени в ней возникают опасные погодные явления, которые угрожают здоровью и жизни человека. Что такое опасные погодные явления?

• 

  Шквал

• 

  Торнадо

• 

  Гроза

• 

  Ураган

• 

  Крупный град

Как предсказывают погоду?

С древности люди предсказывали погоду по местным признакам. Наблюдали изменение температуры, облачности, вида облаков, направления ветра, поведения животных и растений. И в настоящее время уточнять прогноз погоды помогают местные признаки и народные приметы. Достоверность многих народных примет метеорологи могут сегодня подтвердить с помощью науки метеорологии. Сегодня, наблюдения за погодой осуществляются с помощью различных приборов и самой современной техники на метеорологических станциях, расположенных во всех регионах мира – не только на суше, но и в океанах на специальных судах. К наземным наблюдениям прибавляются также различные данные, получаемые метеорологами из верхних слоев атмосферы с помощью шаров-зондов, метеоспутников.

Метеостанция	Метеозонд
На тысячах метеорологических станциях трудятся метеорологи всего мира, чтобы вместе максимально точно прогнозировать погоду.	Метеозонд - метеорологи наполняют его гелием или водородом, привязывают к нему метео-измерительный прибор с радиопередатчиком, и отпускают в воздух.

Метеорологический спутник	Новый японский метеорологический спутник

Наблюдение за погодой ведут спутники, которые круглосуточно передают на Землю метеорологические данные.

Затем результаты наблюдений передаются в центры гидрометеорологических данных. Здесь они обрабатываются, и информация о погоде наносится на синоптические карты. На картах показывают атмосферное давление, фронты, температуру воздуха, направление и скорость ветра, облачность и осадки. Распределение атмосферного давления свидетельствует о положении циклонов и антициклонов.

На основе синоптической карты, подобной этой, составляется прогноз погоды. Во всем мире пользуются общими условными знаками.

Изучив закономерности протекания атмосферных процессов можно прогнозировать погоду. Точный прогноз погоды - исключительно сложное дело, поскольку трудно учесть весь комплекс взаимодействующих факторов в их постоянном развитии. Предсказания на срок до трех суток оправдываются на 87 - 89%. Наибольшей точностью отличаются специализированные прогнозы, например, авиационные.

Что влияет на погоду?

Изменение количества солнечного тепла, получаемого в течение суток и в течение года, движение и взаимодействие воздушных масс, атмосферные фронты, циклоны и антициклоны изменяют погоду, влияют на нее. Воздушные массы различаются по температуре, влажности, запыленности, давлению. Атмосферная циркуляция перемещает воздушные массы и, в тех местах где соприкасаются разные по свойствам воздушные массы, образуются атмосферные фронты. Главное из этих свойств – температура (холодный или теплый воздух). В зависимости от того, какой воздух активнее, в какую сторону смещается фронт, он называется теплым или холодным.

Теплый фронт	Теплый фронт

Теплый фронт означает наступление теплого воздуха, медленно оттесняющего холодный. Он приносит потепление, которому предшествуют осадки, выпадающие из слоистых облаков.

Холодный фронт	Холодный фронт

Холодный фронт, наоборот, означает наступление холодного воздуха, быстро вытесняющего теплый. Он приносит похолодание. Его приход сопровождается усилением ветра, а иногда и грозами, смерчами. Осадки выпадают в основном после прохождения линии фронта.

Условия, благоприятные для возникновения атмосферных фронтов, существуют в циклонах умеренных широт, В циклонах встречается теплый и холодный воздух, устремляющийся к центру области пониженного атмосферного давления. В антициклоне условий для образования атмосферных фронтов нет, так как в нем воздух опускается и растекается.

Схема циклона	Схема антициклона
Циклон приносит с собой ненастную погоду, сопровождаемую осадками.	Антициклон же, наоборот, приносит ясную, солнечную погоду.

Что такое климат?

Климат — многолетний режим погоды, типичный для данного района Земли, как бы средняя погода за много лет. Термин «климат» был введен в научный оборот 2200 лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом и означает по-гречески «наклон» («klimatos»). Ученый имел в виду наклон земной поверхности к солнечным лучам, различие которого от экватора к полюсу уже тогда считалось главной причиной различий погоды в низких и высоких широтах. Позднее климатом назвали среднее состояние атмосферы в определенном районе Земли, которое характеризуется чертами, практически неизменными на протяжении одного поколения, то есть порядка 30-40 лет.

Что влияет на климат?

Как и погода климат зависит от количества солнечной радиации, от перемещения воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов, антициклонов и от свойств подстилающей поверхности. Основными показателями климата являются: температура воздуха (средняя годовая, января и июля), преобладающее направление ветров, годовое количество и режим осадков. Карты, на которые нанесены показатели климата, называются климатическими.

Климатообразующие факторы	Климатические пояса и области мира

Основой для выделения на климатических картах климатических поясов и областей являются тепловые пояса и господствующие типы воздушных масс.

В зависимости от места образования выделяют четыре типа воздушных масс. Внутри главных (зональных) типов воздушных масс существуют континентальный (материковый) и океанский (морской) подтипы, формирующиеся соответственно над материком или над Океаном.

Выделяют семь основных климатических поясов: экваториальный, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический и антарктический). Между основными расположены переходные климатические пояса: два субэкваториальных, два субтропических и два субполярных. Они отличаются сменой воздушных масс: зимой господствует воздушная масса основного пояса, соседнего со стороны полюса, летом – со стороны экватора. Климатические пояса Земли

Полезные ссылки

1. Ветры
2. Для чего и как была придумана «РОЗА ВЕТРОВ»?
3. Солнечная радиация
4. Приборы для измерения относительной влажности воздуха
5. Карта гроз и осадков: 8 онлайн-сайтов, чтобы следить за погодой
6. "Что такое опасные погодные явления?"
7. Климатические пояса Земли

Глоссарий

Абсолютная влажность – количество водяного пара в атмосфере в граммах на 1 м3.

Альбедо --способность земной поверхности отражать солнечные лучи.

Анемометр – прибор для измерения скорости ветра.

Антициклон – область высокого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от центра к краям и отклоняющихся по часовой стрелке.

Атмосфера – газообразная оболочка Земли.

Атмосферный фронт – зона взаимодействия, раздел между воздушными массами между воздушными массами с разными свойствами.

Аэрозоли – твердые или жидкие частицы, находящиеся в атмосфере во взвешенном состоянии, служат ядрами для конденсации водяного пара в атмосфере.

Барометр (от греч. «baros» - тяжесть и «matreo» - измеряю) - прибор для измерения атмосферного давления.

Барометр-анероид (от греч. aneros – «без жидкости») - представляет собой круглую металлическую коробку, из которой откачан воздух. Движение стенки коробки под воздействием атмосферного давления передается стрелке, двигающейся по круговой шкале, градуированной в единицах давления (кПа или мм рт. ст.).

Бриз - ветер, который дует на побережье морей и больших озёр.

Влажность – содержание водяного пара в воздухе.

Воздушные массы – большие объемы воздуха тропосферы, обладающая сравнительно однородными свойствами воздуха.

Давление воздуха - сила, с которой воздух давит на земную поверхность.

Испарение – переход жидкости или твердого тела в газообразное состояние.

Климат — многолетний режим погоды, типичный для данного района Земли.

Климатический пояс – однородные по климату области планеты, которые располагаются вдоль широты планеты и существенно отличаются друг от друга.

Конденсация – переход водяного пара в жидкое состояние.

Муссоны – ветры, меняющие свое направление два раза в год, зимой они дуют с материка на океан, летом – наоборот, с материка на океан.

Озоновый слой – слой атмосферы на высоте примерно 25 км с высоким содержанием озона (трехатомного кислорода О3), препятствует поступлению на Землю излишнего количество ультрафиолетовой радиации.

Относительная влажность - отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое может содержаться при данной температуре и выражается в процентах.

Пассаты – постоянные ветры, дующие от 30 0 широт к экватору.

Плювиометр (от латин. pluvium - дождь и греч. metreo - измеряю) – прибор для сбора и измерения количества выпавших атмосферных осадков.

Погода - состояние тропосферы в данном месте и в данный момент времени.

Рефракция – преломление и искривление солнечного луча света при прохождении слоев атмосферы, имеющих неодинаковую плотность.

Роза ветров - диаграмма, характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям и выглядит как многоугольник, у которого длины лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях, пропорциональны повторяемости ветров этих направлений («откуда» дует ветер).

Ртутный барометр - представляет собой наполненную ртутью стеклянную трубку, опущенную открытым концом в чашку со ртутью. Ртуть в трубке поднимается и опускается в соответствии с изменениями погодных условий.

Синоптическая карта – карта, на которой нанесены результаты метеорологических наблюдений на обширной территории.

Флюгер – прибор для измерения направления ветра.

Циклон – область низкого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от краев к центру и отклоняющихся против часовой стрелки.

Библиография

1. Вайсберг Дж. С. Метеорология. Погода на земле. Л. Гидрометеоиздат, 1980.
2. Видеоурок Атмосферные фронты. Циклоны и антициклоны Климат и климатические ресурсы
3. География: Справ. материалы: Кн.- с. Для учащихся сред. и ст. возраста/А.М. Берлянт, В.П. Дронов, И.В. Душина и др.; Под ред. В.П. Максаковского. – М.: Просвещение, 1989. – с. 34 - 55.
4. География Климат
5. Географический портал Словари Атмосфера Ветры
6. Для чего и как была придумана «РОЗА ВЕТРОВ»?
7. Солнечная радиация
8. Углекислый газ в вашем доме, содержание СО₂
9. Комсомольская правда Карта гроз и осадков: 8 онлайн-сайтов, чтобы следить за погодой
10. Приборы для измерения относительной влажности воздуха
11. Презентация на тему: Метеорологические приборы
12. Презентация на тему: Погода
13. Сезоны года Общеобразовательный журнал Климатические пояса Земли