Метеорология как наука. 2

Метеорология — наука о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах. Во многих странах метеорологию называют физикой атмосферы. Значительная часть метеорологов занимается моделированием прогноза погоды, климата, исследованием атмосферы (с помощью радаров, спутников и др.). Другие работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, мореплавание, сельское хозяйство, строительство, а также передают их по радио и телевидению. 

Метеорология  изучает  явления, происходящие в земной атмосфере : давление, температуру, влажность воздуха, облачность, осадки, дождь, снег и т. д. В отличие от ближайшей к ней науки - физики,  науки опытной - Метеорология  наука наблюдательная. Явления, происходящие в земной атмосфере, до крайности сложны и находятся во взаимной зависимости одни от других, и обобщения возможны лишь при наличности обширного, возможно точного материала, добытого наблюдениями . Так как воздух теплопрозрачен, т. е. пропускает значительное количество тепла, лишь мало нагреваясь от солнечных лучей, то значительное количество солнечного тепла доходит до поверхности суши и вод земного шара. Так как притом и суша, и вода имеют гораздо большую  теплоемкость, чем воздух (при одинаковом объеме первая более 1500 раз, вторая более 3000 раз), то понятно, какое влияние на температуру нижнего слоя воздуха оказывают температура поверхности суши и вод земного шара, а нижние слои воздуха всего более исследованы. Поэтому исследование верхних слоев суши и вод, особенно их температуры, входит в область Метеорологии. По мере накопления материала и его научной разработки, Метеорология  стала разбиваться на части или отделы. Еще сравнительно недавно в  Метеорологии  решительно господствовал метод средних величин ,  в настоящее время он имеет особое значение для климатологии , т. е. части Метеорологии, но и здесь все более и более обращают внимание на разности и колебания метеорологических элементов, изображая их не только цифрами, но и более наглядно, на графических таблицах и картах. Чем меньше колебания, тем более постоянен климат и тем большее значение приобретают средние величины. Если же колебания очень велики и часты, то средние величины гораздо меньше характеризуют климаты, чем там, где колебания меньше.

Метеорология – наука о земной атмосфере, её строении, свойствах и происходящих в ней

явлениях и процессах. Задачи современной метеорологии не ограничиваются объяснением

 физической сущности  атмосферных процессов. Углубленное  изучение физики атмосферы 

позволило выделить ряд  самостоятельных наук (научных дисциплин), имеющих свои объекты

 изучения. К таким  наукам относятся: прежде всего синоптическая метеорология, изучающая

погоду и методы её предсказания; динамическая метеорология, изучающая теоретические

вопросы физики атмосферы  с широким использованием современного математического

аппарата; климатология, изучающая средний режим погоды отдельных районов в зависимости от

их географического  положения и физико-географических особенностей. Процессы, происходящие

в средних и высоких  слоях атмосферы (от 1.5 км до нескольких десятков км) изучает аэрология. В

последние годы, в  связи с интенсивным развитием  космонавтики, получила развитие аэрономия –

наука, изучающая самые  высокие слои атмосферы (более 100 км) с помощью метеорологических 

и геофизических ракет  и искусственных спутников Земли.

В процессе практического  использования метеорологических  сведений выделялись и продолжают

выделяться некоторые  прикладные отрасли метеорологии. Важнейшие  из них –

сельскохозяйственная  метеорология, авиационная метеорология, космическая метеорология,

морская метеорология, медицинская метеорология и др.

Среди перечисленных  выше дисциплин синоптическая метеорология занимает особое место.

Знание причин возникновения  различных атмосферных явлений, умение предсказывать эти 

явления, особенно стихийные, имеет большое практическое значение. 
 

Температура, атмосферное  давление, плотность и влажность  воздуха, скорость и направление 

ветра – основные показатели состояния атмосферы, а  к дополнительным параметрам относятся 

данные о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п.

Характеристикой внутренней энергии физического тела является температура, которая 

повышается с увеличением  внутренней энергии среды (например, воздуха, облаков и т.д.), если

баланс энергии  положителен. Основными составляющими  энергетического баланса являются

нагревание при  поглощении ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения; остывание 

за счет излучения  инфракрасной радиации; теплообмен с  земной поверхностью; приобретение

или потеря энергии  при конденсации или испарении  воды, а также при сжатии или  расширении

воздуха. Температура  может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или 

Кельвина (К). Минимальная  возможная температура, 0° по шкале Кельвина, называется

«абсолютным нулем». Разные температурные шкалы связаны  между собой соотношениями: 

F = 9/5 С + 32; С = 5/9 (F – 32) и К = С + 273,16,

где F, С и К соответственно обозначают температуру в градусах по шкалам Фаренгейта, Цельсия и

Кельвина. Шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают в точке  –40°, т.е. –40° F = –40° C, что можно

проверить по приведенным  выше формулам. Во всех прочих случаях  значения температур в

градусах по шкалам Фаренгейта и Цельсия будут различаться. В научных исследованиях обычно

используются шкалы  Цельсия и Кельвина. 

Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно 

изменяется, если меняется высота столба воздуха над данной точкой. Давление воздуха на

уровне моря составляет ок. 10,3 т/м². Это означает, что вес столба воздуха с горизонтальным

основанием площадью 1 кв.м на уровне моря составляет 10,3 т. 

Плотность воздуха  – это отношение массы воздуха  к занимаемому им объему. Плотность  воздуха 

возрастает при  его сжатии и уменьшается при  расширении. 

Температура, давление и плотность воздуха связаны  между собой уравнением состояния. Воздух

в значительной степени  подобен «идеальному газу», для которого, согласно уравнению состояния,

температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделенная на

давление, есть величина постоянная. 

Согласно второму  закону Ньютона (закону движения), изменения  скорости и направления ветра 

обусловлены действующими в атмосфере силами. Это сила тяжести, которая удерживает слой

воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого

давления в область  низкого) и сила Кориолиса . Сила Кориолиса

оказывает влияние  на ураганы и другие крупномасштабные погодные явления. Чем меньше их

масштабы, тем менее  существенна для них эта сила. Например, от нее не зависит направление  вращения смерча (торнадо). 
 

Синоптические объекты

Циклоны и  антициклоны. Циклоны – это крупномасштабные атмосферные возмущения в области

низкого давления. В  Северном полушарии ветры дуют из области высокого в область низкого

давления против часовой  стрелки, а в Южном полушарии  – по часовой стрелке. В циклонах

умеренных широт, называемых внетропическими, обычно выражен холодный фронт, а теплый,

если и существует, не всегда хорошо заметен. Внетропические циклоны часто формируются с

подветренной стороны  горных хребтов, например над восточными склонами Скалистых гор и 

вдоль восточных берегов  Северной Америки и Азии. В умеренных  широтах с циклонами связана

большая часть осадков.

Антициклон – это  область повышенного давления воздуха. Обычно с ним связана хорошая  погода

при ясном или малооблачном небе. В Северном полушарии дующие из центра антициклона ветры 

отклоняются по часовой  стрелке, а в Южном – против часовой стрелки. Размеры антициклонов

обычно больше, чем  циклонов, и перемещаются они медленнее.

Поскольку в антициклоне  воздух растекается от центра к периферии, более высокие слои воздуха 

опускаются, компенсируя  его отток. В циклоне, наоборот, воздух, вытесняемый сходящимися

ветрами, поднимается  вверх. Поскольку именно восходящие движения воздуха приводят к

формированию облаков, облачность и осадки приурочены большей частью к циклонам, тогда как в

антициклонах преобладает ясная или малооблачная погода.

Тропические циклоны (ураганы, тайфуны) – это общее название для циклонов, которые

формируются над океанами в тропиках (за исключением холодных вод Южной Атлантики и юго-

восточной части Тихого океана) и не содержат контрастных  воздушных масс. Тропические циклоны 

возникают в разных районах мира, обычно обрушиваясь  на восточные и приэкваториальные

районы материков. Они встречаются в южной и  юго-западной части Северной Атлантики (включая 

Карибское море и Мексиканский залив), в северной части Тихого океана (к западу от мексиканского

побережья, в районе Филиппинских о-вов и в Китайском  море), в Бенгальском заливе и 

Аравийском море, в  южной части Индийского океана у  берегов Мадагаскара, у северо-западного

побережья Австралии  и в южной части Тихого океана – от побережья Австралии до 140° з.д. 
 
 

Облака.

 Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Если воздух не способен удерживать большее

количество водяного пара, он переходит в состояние  насыщения, и тогда вода с открытой

поверхности перестает  испаряться. Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится 

в тесной зависимости  от температуры и при ее повышении  на 10° С может увеличиться не более,

чем вдвое. Относительная влажность – это отношение фактически содержащегося в воздухе

водяного пара к  количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения.

Относительная влажность  воздуха вблизи земной поверхности  часто велика утром, когда 

прохладно. С повышением температуры относительная влажность  обычно уменьшается, даже

если количество водяного пара в воздухе мало изменяется. Предположим, что утром при

температуре 10° С относительная влажность была близка к 100%. Если в течение дня

температура понизится, начнется конденсация воды и выпадет  роса. Если же температура 

повысится, например до 20° С, роса испарится, но относительная влажность составит лишь ок.

50%.

Облака возникают  при конденсации водяного пара в  атмосфере, когда образуются либо капельки

воды, либо кристаллы  льда. Формирование облаков происходит, когда при подъеме и охлаждении

водяной пар переходит  через точку насыщения. При подъеме  воздух попадает в слои все более 

низкого давления. Ненасыщенный воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно

на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50% поднимется более чем на 1 км,

начнется образование  облака. Конденсация сначала происходит у основания облака, которое 

растет вверх до тех пор, пока воздух не перестанет подниматься и, следовательно, охлаждаться.

Летом этот процесс  легко увидеть на примере пышных кучевых облаков с плоским  основанием и 

воздымающейся и опускающейся вместе с перемещением воздуха вершиной. Облака

формируются также  в фронтальных зонах, когда теплый воздух скользит вверх, надвигаясь на

холодный, и при этом охлаждается до состояния насыщения. Облачность возникает и в областях

низкого давления с  восходящими потоками воздуха. 

Туман представляет собой  облако, расположенное у самой  земной поверхности. Он часто 

опускается на землю  в тихие, ясные ночи, когда воздух влажный, а земная поверхность 

охлаждается, излучая  в пространство тепло. Туман также  может образоваться при прохождении 

теплого влажного воздуха  над холодной поверхностью суши или  воды. Если холодный воздух

оказывается над поверхностью теплой воды, прямо на глазах возникает  туман испарения. Он

часто образуется по утрам поздней осенью над озерами, и тогда кажется, что вода кипит. 

Конденсация является сложным процессом, при котором  микроскопические частицы 

содержащихся в  воздухе примесей (сажи, пыли, морской  соли) служат ядрами конденсации, вокруг

которых формируются капельки воды. Такие же ядра необходимы для замерзания воды в

атмосфере, так как  в очень чистом воздухе при  их отсутствии капельки воды не замерзают  до

температур ок. –40° С. Ядро льдообразования представляет собой маленькую частицу, похожую

по структуре на кристалл льда, вокруг которой и  формируется кусочек льда. Вполне естественно,

что находящиеся в  воздухе ледяные частицы являются лучшими ядрами льдообразования. В  роли

таких ядер выступают  также мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное

значение при температурах ниже –10°–15° С. Таким образом, создается странная ситуация:

капельки воды в  атмосфере почти никогда не замерзают  при переходе температуры через 0° С.

Для их замерзания требуются  существенно более низкие температуры, особенно если в воздухе 

содержится мало ядер льдообразования. Одним из способов стимулирования выпадения осадков 

является распыление в облаках частичек йодистого  серебра – искусственных ядер конденсации.

Они способствуют смерзанию  крошечных капелек воды в ледяные  кристаллы, достаточно

тяжелые, чтобы выпадать в форме снега.

Формирование дождя  или снега – довольно сложный  процесс. Если ледяные кристаллы  внутри

облака слишком  тяжелы, чтобы оставаться взвешенными  в восходящем потоке воздуха, они 

выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и 

выпадают на землю  дождевыми каплями. Даже летом в  умеренных широтах дожди обычно

зарождаются в форме  льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых

облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед  в облаках 

существует даже летом, служит град.

Дождь обычно идет из «теплых» облаков, т.е. из облаков с  температурой выше точки замерзания.

Здесь мелкие капельки, несущие заряды противоположного знака, притягиваются и сливаются в

более крупные капли. Они могут увеличиться настолько, что станут слишком тяжелыми,

перестанут удерживаться в облаке восходящими потоками воздуха  и прольются дождем.  
 

Климат  и климатообразующие  факторы

Древнегреческий астроном Гиппарх (2 в. до н.э.) условно разделил поверхность Земли 

параллелями на широтные зоны, отличающиеся по высоте полуденного  стояния Солнца в самый

длинный день года. Эти зоны были названы климатами (от греч. klima – наклон, первоначально

означавшего «наклон солнечных лучей»). Таким образом, было выделено пять климатических зон:

одна жаркая, две  умеренных и две холодных, –  которые и составили основу географической

зональности земного  шара.

Более 2000 лет термин «климат» употреблялся именно в таком  смысле. Но после 1450, когда 

португальские мореплаватели  пересекли экватор и вернулись  на родину, появились новые факты,

потребовавшие пересмотра классических воззрений. В числе сведений о мире, приобретенных во

время путешествий  первооткрывателей, были и климатические  характеристики выделенных зон

, что позволило  расширить сам термин «климат». Климатические зоны уже не  были лишь 

математически рассчитанными  по астрономическим данным районами земной поверхности (т.е.

жарко и сухо там, где  Солнце поднимается высоко, а холодно  и сыро там, где оно стоит низко, а 

потому слабо греет). Было обнаружено, что климатические  зоны не просто соответствуют 

широтным поясам, как  это представлялось ранее, а имеют  весьма неправильные очертания. 

Солнечная радиация, общая циркуляция атмосферы, географическое распределение материков и 

океанов и крупнейшие формы рельефа – главные факторы, влияющие на климат суши. Солнечная 

радиация является важнейшим фактором климатообразования и поэтому будет рассмотрена 

более подробно.

Радиация

В метеорологии термин «радиация» означает электромагнитное излучение, к которому относят 

видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но не включают радиоактивное 

излучение. Каждый объект в зависимости от своей температуры  испускает разные лучи: менее 

нагретые тела –  главным образом инфракрасные, горячие  тела – красные, более горячие  – белые 

(т.е. эти цвета  будут преобладать при восприятии  нашим зрением). Еще более горячие  объекты 

испускают голубые лучи. Чем сильнее нагрет объект, тем больше он излучает световой энергии. 

В 1900 немецкий физик  Макс Планк разработал теорию, объясняющую  механизм излучения 

нагретых тел. Эта  теория, за которую в 1918 он был удостоен Нобелевской премии, стала одним 

из краеугольных камней физики и положила начало квантовой  механике . Но не всякое световое

излучение испускается  нагретыми телами. Существуют и другие процессы, вызывающие свечение,

например флюоресценция.

Хотя температура  внутри Солнца составляет миллионы градусов, цвет солнечного света 

определяется температурой его поверхности (ок. 6000°С). Электрическая лампа накаливания

испускает световые лучи, спектр которых существенно отличается от спектра солнечного света,

так как температура  нити накала в лампочке составляет от 2500° С до 3300° С.

Метеорология  и климатология

Преобладающим типом  электромагнитного излучения облаков, деревьев или людей является

инфракрасное излучение, невидимое для человеческого  глаза. Оно является основным способом

вертикального обмена энергией между земной поверхностью, облаками и атмосферой.

Метеорологические спутники оснащены специальными приборами, которые  выполняют съемку в

инфракрасных лучах, испускаемых в космическое пространство облаками и земной поверхностью.

 Более холодные, чем земная поверхность, облака  излучают меньше и, следовательно,  выглядят в

инфракрасных лучах темнее, чем Земля. Большое преимущество инфракрасной фотосъемки

заключается в том, что ее можно проводить круглосуточно (ведь облака и Земля излучают

инфракрасные лучи постоянно).

Угол  инсоляции.

Величина инсоляции (приходящей солнечной радиации) меняется во времени и от места к месту  в

соответствии с  изменением угла, под которым солнечные  лучи падают на поверхность Земли: чем 

выше Солнце над  головой, тем она больше. Изменения  этого угла определяются в основном

обращением Земли  вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси.

Приборы для измерения  осадков.

Атмосферные осадки состоят  из частиц воды как в жидком, так и твердом виде, которые поступают

из атмосферы на земную поверхность. В стандартных незаписывающих осадкомерах приемная

воронка вставлена  в измерительный цилиндр. Соотношение  площади верхней части воронки  и 

поперечного сечения  мерного цилиндра 10:1, т.е. 25 мм выпавших осадков будут соответствовать 

в цилиндре отметке 250 мм.

Записывающие осадкомеры – плювиографы – автоматически взвешивают собранную воду или

подсчитывают, сколько  раз маленький измерительный  сосуд наполнится дождевой водой  и 

автоматически опорожнится.

Если ожидается  выпадение осадков в виде снега, воронка и измерительный стакан убираются, а 

снег собирается в  осадкомерное ведро. Когда снег сопровождается умеренным или сильным

ветром, количество снега, попадающее в сосуд, не соответствует  действительному количеству

осадков. Высота снежного покрова определяется измерением мощности слоя снега в пределах

типичной для данного  района территории, причем берется  среднее значение по меньшей мере

трех измерений. Для  установления водного эквивалента  на участках, где воздействие метелевого

переноса минимально, в толщу снега погружают цилиндр  и вырезают столбик снега, который 

растапливают или  взвешивают. Количество осадков, измеряемое осадкомером, зависит от его

расположения. Турбулентность воздушного потока, вызванная самим  прибором или окружающими 

его препятствиями, приводит к занижению количества попадающих в измерительный стакан

осадков. Поэтому осадкомер  устанавливается на ровной поверхности  как можно дальше от

деревьев и других препятствий. Для снижения воздействия  вихрей, создаваемых самим прибором,

используется защитный экран.

Ветроуказатель -  конус-ветроуказатель, колдун или колбаса — конус из ткани, предназначенный для указания направления и приблизительной скорости ветра. Используется главным образом в авиации, а также на химических заводах, где существует риск утечки газа. Располагается на летном поле аэродрома, открытых площадках, возвышенностях.

Метеорологическому направлению ветра соответствует направление, противоположное указываемому ветроуказателем. Аэронавигационное направление ветра соответствует направлению, указываемому ветроуказателем. Размер части ветроуказателя, расположенной горизонтально, пропорционален скорости ветра: при невысокой скорости часть ветроуказателя «провисает»; при высокой скорости ветра всё полотнище ветроуказателя расположено горизонтально.

Устройство и порядок  размещения ветроуказателя в России регламентируется ГОСТ25269-82^[1].

Стандартами Федерального управления гражданской авиации США (FAA) конструкция ветроуказателя предусматривает полное раскрытие, горизонтальное положение всего полотнища при скорости ветра 28 км/ч (7,8 м/сек; 15 узлов; 17 миль в час). Действительное направление ветроуказатель должен указать при минимальной скорости ветра 5,6 км/ч (1,6 м/сек; 3 узла; 3,5 мили в час). Для обеспечения контроля за скоростью и направлением ветра в тёмное время суток может применяться подсветка ветроуказателя.