Атмосфера. Состав, строение, циркуляция. Распределение тепла и влаги на Земле. Погода и климат. Изучение элементов погоды - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ - ПРИРОДА ЗЕМЛИ И ЧЕЛОВЕК

Атмосфера — воздушная оболочка, окружающая земной шар, связанная с ним силой тяжести и принимающая участие в его суточном и годовом вращении.

Таблица 23

Характеристика слоев атмосферы

Слои атмосферы	Характеристика
Тропосфера	— поднимается от поверхности Земли на высоту от 8-9 км до 16-17 км; — здесь заключена подавляющая часть газовых компонентов атмосферы, а также почти весь водяной пар и твердые частицы; — среднегодовая температура основания тропосферы составляет +15 °С. С высотой температура в тропосфере понижается. На верхней границе тропосферы Твозд снижается до -58-60 °С в полярных областях и -80-85 °С в экваториальной области; — здесь зарождаются облака, выпадают осадки, формируются циклоны и антициклоны, ураганы и смерчи; — углекислый газ и водяные пары поглощают большую часть солнечной радиации, удерживают почти все излучаемое Землей тепло
Тропопауза	— пограничный слой между тропо- и стратосферой; — толщина 2-4 км
Стратосфера	— от 8-17 до 50-55 км; — температура воздуха постепенно повышается с высотой (у верхней границы слоя температура достигает 10 °С);
	— причиной повышения температуры является слой озона, который, поглощая ультрафиолетовую радиацию, выделяет затем в вышележащие слои атмосферы тепловую энергию. Сам же озон, по-видимому, возникает под действием на кислород той же ультрафиолетовой солнечной радиации или же космических лучей; — происходит интенсивная циркуляция воздуха, сопровождающаяся вертикальными и горизонтальными его перемещениями; — происходит теплообмен между низкими и высокими широтами; — происходит круговорот воздушных масс, вызванный постоянной разницей между температурами отдельных тепловых поясов земной поверхности
Стратопауза	— переходный слой от стратосферы к мезосфере; — температура с высотой начинает понижаться
Мезосфера	— от 50-55 до 80 км — температура с высотой непрерывно падает; — здесь возможно движение воздушных масс, и здесь образуются так называемые серебристые облака, которые располагаются на высоте 80-85 км
Мезопауза	— пограничный между мезо- и термосферой
Термосфера	— от 80 до 400 км; — температура с высотой довольно быстро возрастает (если на высоте 90 км Т = -90 °С, то на высоте 400 км она достигает 1000— 2000 °С)
Ионосфера	— выше 400 км; — температура остается почти неизменной; — под действием ультрафиолетового солнечного излучения и космических лучей воздух сильно ионизируется и становится электропроводным

Атмосферный воздух состоит из механической смеси газов, водяного пара и примесей (рис. 19).

Рис. 19. Схема общей циркуляции атмосферы

Озона в атмосфере мало. На высоте 25-35 км наблюдается концентрация этого газа, так называемый озоновый экран (слой озона). Он выполняет важнейшую функцию защиты — задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всего живого на Земле.

Воздух нагревается и охлаждается от земной поверхности, которая, в свою очередь, нагревается Солнцем. Вся совокупность солнечного излучения называется солнечной радиацией.

Количество радиации зависит от продолжительности освещения поверхности солнечными лучами и угла их падения. Чем меньше угол падения солнечных лучей, тем меньше солнечной радиации получает поверхность и, следовательно, меньше нагревается воздух над ней.

Таким образом, количество солнечной радиации уменьшается при движении от экватора к полюсам, так как при этом уменьшается угол падения солнечных лучей и продолжительность освещения территории в зимнее время. На количество солнечной радиации влияет также облачность и прозрачность атмосферы.

Наибольшая суммарная радиация существует в тропических пустынях. У полюсов в день солнцестояний (у Северного — 22 июня, у Южного — 22 декабря) при незаходящем Солнце суммарная солнечная радиация больше, чем на экваторе. Но из-за того, что белая поверхность снега и льда отражает до 90% солнечных лучей, количество тепла незначительное, и поверхность земли не нагревается.

Поскольку воздух нагревается от поверхности земли, то его температура зависит не только от факторов, перечисленных выше, но и от высоты над уровнем океана: чем выше расположена местность, тем температура ниже (понижается на 6 °С с каждым километром в тропосфере).

Влияет на температуру и распределение суши и воды, которые нагреваются неодинаково. Суша быстро нагревается и быстро остывает, вода нагревается медленно, но дольше сохраняет тепло. Таким образом, воздух над сушей днем теплее, чем над водой, а ночью холоднее. Это влияние сказывается не только в суточных, но и в сезонных особенностях изменения температуры воздуха. Так, на прибрежных территориях при других одинаковых условиях лето прохладнее, а зима теплее.

При каждой конкретной температуре воздух может принимать водяные пары до известного предела (до насыщения). Чем выше температура, тем большее количество воды может содержать воздух.

Схема образования осадков такова: воздух охлаждается (чаще при подъеме вверх), приближается к насыщению, водяные пары конденсируются, образуются осадки.

Количество осадков на территории зависит от:

1) температуры воздуха (влияет на испарение и влагоемкость воздуха);

2) морских течений (над поверхностью теплых течений воздух нагревается и насыщается влагой; когда он переносится в соседние, более холодные области, из него легко выделяются осадки. Над холодными течениями происходит противоположный процесс: испарение над ними небольшое; когда малонасыщенный влагой воздух поступает на более теплую подстилающую поверхность, он расширяется, насыщенность его влагой уменьшается, и осадки в нем не образуются);

3) циркуляции атмосферы (там, где воздух перемещается с моря на сушу, осадков больше);

4) высоты места и направления горных хребтов (горы принуждают насыщенные влагой воздушные массы подниматься вверх, где вследствие охлаждения происходит конденсация водяного пара и образование осадков; на наветренных склонах гор осадков больше). Выпадение осадков неравномерно. Оно подчиняется закону зональности, т.е. изменяется от экватора к полюсам.

В тропических и умеренных широтах количество осадков значительно изменяется при движении от побережий в глубь материков, что зависит от многих факторов (циркуляции атмосферы, наличия океанических течений, рельефа и т.п.).

Выпадение осадков на большей территории земного шара происходит неравномерно в течение года. Возле экватора в течение года количество осадков изменяется незначительно, в субэкваториальных широтах выделяют сухой сезон (до 8 месяцев), связанный с действием тропических воздушных масс, и дождевой сезон (до 4 месяцев), связанный с приходом экваториальных воздушных масс. При движении от экватора к тропикам продолжительность сухого сезона возрастает, а дождевого — уменьшается. В субтропических широтах преобладают зимние осадки (их приносят умеренные воздушные массы). В умеренных широтах осадки выпадают в течение всего года, но во внутренних частях материков большее количество осадков выпадает в теплое время года. В полярных широтах также преобладают летние осадки.

Самыми влажными городами мира являются города в Южной и Юго-Восточной Азии: Калькутта и города в местности Керала в Индии, Манила в Филиппинах, Бангкок в Таиланде. На плато Шиллонг в Индии среднегодовое количество осадков составляет 11 873 мм. Города с самым низким среднегодовым уровнем влажности в США — Юма и Таксон, штат Аризона. Самым сухим воздухом в мире обладает Антарктида. Одно из самых сухих мест на Земле — пустыня Атакама, где среднегодовое количество атмосферных осадков составляет 0,1 мм.

1 л воздуха на уровне моря имеет массу около 1,3 г. На каждый квадратный сантиметр земной поверхности атмосфера давит с силой 1 кг. Это среднее давление воздуха над уровнем океана у широты 45° при температуре 0 °С отвечает весу ртутного столбика высотой 760 мм и сечением 1 см² (или 1013 мб.). Это давление принимают за нормальное давление.

Таблица 24

Изменение давления с высотой

Высота	Давление
0 м	760 мм рт.ст.
До 1 км высоты	Понижается на 1 мм рт.ст. на каждые 10,5 м
5 км	60 мм рт.ст.	Понижается медленнее
15 км	95 мм рт.ст.
20 км	42 мм рт.ст.

Величина давления зависит и от температуры воздуха. Давление теплого воздуха меньше, чем холодного, так как вследствие нагревания он расширяется, а при охлаждении — сжимается.

Таблица 25

Пояса давления

Географическое положение	Пояс давления	Изменение в течение года (смещение в сторону летнего полушария)
Полярные области	Высокого	Зимой расширяются, летом сокращаются, существуют весь год
Умеренные широты	Пониженного	В Южном полушарии весь год сохраняются в своих границах В Северном — зимой сохраняется только над океанами, так как над материками давление резко повышается
Тропические широты	Повышенного	Над материками давление выше, чем над океанами, в течение всего года
Экваториальные области	Пониженного	Сохраняются в своих границах

Общая циркуляция атмосферы — система воздушных течений на земном шаре, которая способствует переносу тепла и влаги из одних районов в другие. Направление ветра определяется той частью горизонта, откуда он дует (северный ветер дует с севера на юг). Скорость ветра измеряется в метрах в секунду. С высотой направление и сила ветра изменяются из-за убывания силы трения, а также в связи с изменением барических градиентов.

Ветер — горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Он возникает в результате неравномерного распределения атмосферного давления, и его движение направлено от областей с более высоким давлением к областям, где давление ниже. Ветер — часть общей циркуляции атмосферы.

Ветры разнообразны по происхождению, характеру, значению. Основными ветрами являются бризы, муссоны, пассаты (табл. 26).

Таблица 26

Виды ветров

Название ветра	Районы распространения	Направление
Пассаты	Тропики	Северо-восточное (Северное полушарие) Юго-восточное (Южное полушарие)
Ветры западного переноса	Умеренные широты	Западное, северо-западное
Муссоны	Восточное побережье Евразии и Северной Америки	Летом — с океана на материк. Зимой — с материка
Стоковые ветры	Антарктида	От центра материка к периферии
Бриз	Морские побережья	Днем — с моря на сушу, ночью — с суши на море
Фен	Горные системы	С гор в долины

Воздушные массы — большие объемы воздуха тропосферы, обладающие более или менее одинаковыми свойствами (температура, влажность, запыленность и т.п.). Свойства воздушных масс определяются территорией или акваторией, над которой они формируются.

Исходя из того, над какой территорией образовалась воздушная масса, она может быть экваториальной (ЭВм), полярной (ПВм) или умеренной (УВм), тропической (ТВм), арктической (антарктической) (АВм). В свою очередь каждая из этих воздушных масс может быть морской или континентальной.

Вследствие неравномерного нагревания земной поверхности и отклоняющей силы вращения Земли образуются огромные (до нескольких тысяч километров в диаметре) атмосферные вихри — циклоны и антициклоны.

Антициклон — нисходящий атмосферный вихрь с замкнутой областью повышенного давления, в которой ветры дуют от центра к периферии (в Северном полушарии — по ходу часовой стрелки, в Южном — против). При антициклоне погода ясная, солнечная, без осадков. Зимой — морозная, летом — жаркая.

Циклон — восходящий вихрь с замкнутой областью пониженного давления, в которой ветры дуют от периферии к центру (в Северном полушарии против часовой стрелки, в Южном — по часовой). С возникновением циклона погода достаточно резко изменяется: усиливаются ветры, быстро конденсируются водяные пары, порождая мощную облачность, выпадают осадки.

Атмосферный фронт — зона раздела различных по свойствам воздушных масс в тропосфере. Возникает при сближении и встрече масс холодного и теплого воздуха.

Теплый фронт образуется при активном движении теплого воздуха в сторону холодного. Тогда теплый воздух натекает на отступающий клин холодного и поднимается по плоскости раздела. При подъеме он охлаждается. Это приводит к конденсации водяного пара, возникновению перистых и слоисто-дождевых облаков и выпадению осадков. С приходом теплого фронта атмосферное давление понижается, с ним, как правило, связано потепление и выпадение обложных, моросящих осадков (рис. 20).

Рис. 20. Теплый фронт

Холодный фронт образуется при перемещении холодного воздуха в сторону теплого. Холодный воздух, как более тяжелый, подтекает под теплый и подталкивает его вверх. При этом возникают слоисто-кучевые дождевые облака, из которых выпадают осадки в виде ливней со шквалами и грозами. С прохождением холодного фронта связано похолодание, усиление ветра и увеличение прозрачности воздуха (рис. 21).

Рис. 21. Холодный фронт

Климат — характерный для данной местности многолетний режим погоды.

Климатообразующие факторы:

1) географическая широта места, так как от нее зависит угол наклона солнечных лучей, а значит, количество тепла;

2) циркуляция атмосферы — преобладающие ветры приносят определенные воздушные массы;

3) океанические течения (см. об атмосферных осадках);

4) абсолютная высота места (с высотой температура понижается);

5) удаленность от океана — на побережьях, как правило, менее резкие перепады температур (дня и ночи, сезонов года); больше осадков;

6) рельеф (горные хребты могут задерживать воздушные массы: если влажная воздушная масса встречает на своем пути горы, она поднимается, охлаждается, влага конденсируется, и выпадают осадки).

Распределение климата на Земле зонально. На земном шаре выделяют несколько климатических поясов.

Климатические пояса — широтные полосы земной поверхности, которые обладают однородным режимом температур воздуха, обусловленным “нормами” прихода солнечной радиации и формированием однотипных воздушных масс с особенностями их сезонной циркуляции.

Внутри климатических поясов выделяют климатические области — часть климатического пояса, обладающая определенным типом климата. Климатические области возникают вследствие влияния действия различных климатообразующих факторов (особенностей циркуляции атмосферы, влияния океанических течений и т.п.).