Слава Кан - Океан и атмосфера
Атмосферное давление постоянно меняется. Когда легкие теплые воздушные массы уступают место холодному тяжелому воздуху, давление растет. Когда над тем или иным районом проходят барические системы, давление также изменяется: если циклон, то давление сначала падает, а затем начинает расти; при прохождении же антициклона картина обратная — давление вначале растет, а потом падает.
В течение одних суток давление может колебаться в очень больших пределах — до 20–30 мб, особенно значительно в умеренных и высоких широтах, где наиболее активна циклоническая деятельность. Самое высокое давление было зарегистрировано 31 июля 1968 г. на ст. Агата в Красноярском крае. Оно составляло 1083,8 мб (приведено к уровню моря). А самое низкое давление — 877,0 мб отмечено в тайфуне над Тихим океаном 24 сентября 1958 г. Осреднив наблюдения над давлением за много лет и прослеживая полученные результаты от месяца к месяцу, можно определить годовой ход давления. Амплитуда годового хода в средних широтах больше, чем в экваториальных. Над материками годовой ход выражен более отчетливо, чем над океанами. В целом годовой ход давления разнообразен и тесно связан с физико-географическими условиями. Тем не менее выделяются некоторые основные типы, например: континентальный и океанический.
Путем осреднения получают также общую картину изменения давления в пределах суток. Здесь обнаруживаются два максимума и два минимума. По местному времени максимумы приходятся на 10 и 22 часа, а минимумы — на 4 и 16 часов. В тропических широтах, где это прослеживается наиболее отчетливо, амплитуда составляет 3–4 мб.
Прохождение циклонов и антициклонов во внетропических зонах перекрывает суточный ход давления. Чем выше географическая широта места, тем меньше амплитуда суточного хода уровня. Дневной минимум на всех широтах заметнее ночного, а утренний максимум отчетливее, чем вечерний. Нагревание воздуха в дневное время определяет дневной барический минимум, а охлаждение — утренний максимум. Вторые максимумы и минимумы объясняются причинами иного происхождения, а именно: упругими колебаниями атмосферы, вызванными периодическим нагреванием атмосферы солнечными лучами. Периодические колебания с суточным и полусуточным периодом очень малы по сравнению с большими и длительными изменениями, определяемыми сезонным ходом и прохождением циклонов и антициклонов. Это наблюдается в полярных и умеренных широтах.
В связи с суточными колебаниями давления интересны так называемые лунные приливы — колебания давления с периодом, равным 12 час. 25 мин., т. е. половине лунных суток. Амплитуда этих колебаний мала, наибольшая в тропиках — до 0,09 мб, затем с широтой резко убывает. Это говорит о том, что влияние фаз Луны на погоду в нижней тропосфере столь незначительно, что оно не имеет практического значения. В высоких слоях атмосферы (выше 100 км) суточные различия нагревания очень велики, соответственно велики также термические приливы. Полагают, что выше 100 км приливы создают сменяющиеся 4 раза в день западные и восточные ветры, со скоростями 20–40 м/с и более.
Солнце
Солнечная лучистая энергия, поступающая на Землю, — главный источник энергии почти всех природных процессов как на поверхности, так и в атмосфере. Основная часть лучистой энергии Солнца представляет собой ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи. В метеорологии эту часть электромагнитного излучения называют солнечной радиацией. Физические процессы в атмосфере сильно зависят от солнечной радиации. В течение года и суток приток лучистой энергии различен, а вызываемое им неодинаковое нагревание и, следовательно, разница в температурах на разных высотах и широтах создают движения в атмосфере. Превращения этой энергии приводят к образованию облаков и осадков.
Несколько слов о самом Солнце. Оно находится на расстоянии от Земли, равном в среднем 1,4960 * 1011 м, диаметр его 1,392 * 109 м. Солнце состоит из водорода (90 %), гелия (10 %) и более тяжелых элементов (менее 0,1 %). Плотная и самая нижняя часть солнечной атмосферы, излучение которой еще доходит до нас, не поглощаясь в пути, называется фотосферой. Из нее и исходит почти весь поток излучаемой Солнцем энергии. Толщина фотосферы 300 км, эффективная температура 5770 К. Над фотосферой лежит более плотный слой — хромосфера, а еще выше солнечная корона. Последнюю можно наблюдать только во время солнечного затмения.
В течение нескольких суток и даже месяцев в фотосфере зарождаются, развиваются, и затем исчезают солнечные пятна размером до 185 000 км. Иногда возникают группы пятен. Они примерно на 76 % темнее и на 1500° холоднее самой фотосферы. Число пятен плюс число их групп (т. е. число Вольфа) может меняться в очень больших пределах. Например, с 3 по 11 января и с 1 по 12 февраля 1976 г. оно равнялось 0, а в ноябре 1977 г. составляло 228. Солнечные пятна обладают заметным магнитным полем, которое направляет на далекое расстояние от Солнца выброшенные протоны и электроны — это так называемый солнечный ветер. Солнечные пятна представляют собой гигантские воронки, образующиеся в результате вихревых движений газа.
Рядом с солнечными пятнами часто на короткое время (не более часа) возникают ослепительно белые вспышки, видимые невооруженным глазом. Наблюдаются в хромосфере Солнца и гигантские взрывы — протуберанцы. Они выглядят как огненно-красные выступы на внешнем диске светила. Количество солнечных пятен, вспышек и протуберанцев меняется с различной периодичностью. Основным принят 11-летний период, когда число их достигает максимума. В это время активизируются и другие солнечные явления: резкие возмущения магнитного поля Земли, нарушения радиосвязи, увеличение яркости полярных сияний и их повторяемости. Кроме 11-летнего периода известен и ряд других. Замечены многочисленные связи между периодичностью солнечных пятен и других явлений и погодой.
На своем пути от верхней границы атмосферы до поверхности Земли солнечная радиация частично поглощается и рассеивается. При этом она не только ослабляется, но изменяется ее спектральный состав. Радиация, приходящая параллельными пучками лучей, называется прямой, рассеивающаяся молекулами атмосферных газов и аэрозолей — рассеянной, отражающаяся от земной поверхности и атмосферы (преимущественно облаков) — отраженной.
Излучение Земли (невидимая инфракрасная радиация) почти полностью поглощается атмосферой. Та часть излучения, которая направлена от Земли вверх, минуя атмосферу, представляет собой уходящее излучение атмосферы.
Потоки лучистой энергии различаются длинами волн. Солнечная радиация — преимущественно коротковолновая. В природе нет таких тел, которые бы полностью поглощали или отражали лучистую энергию. Существуют, однако, понятия абсолютно черного тела, т. е. поглощающего всю падающую на него лучистую энергию, и зеркального тела, целиком отражающего. К первому для коротковолновой радиации близки сажа и пластиковая чернь, ко второму для инфракрасного излучения — снег.
На поток прямой радиации и ее состав примерно в равной степени влияют высота Солнца и прозрачность атмосферы. Прозрачность атмосферы в свою очередь связана с присутствием облаков и тумана и в зависимости от этого может сильно меняться. Чем выше над уровнем моря находится тот или иной пункт, тем больше поток прямой солнечной радиации, так как меньше слой воздуха, который ослабляет солнечные лучи. Плотные облака оказывают очень большое влияние на прямую радиацию, они ее не пропускают.
Если предположить, что в течение дня прозрачность воздуха не меняется, то ход прямой радиации был бы прост — ноль в момент восхода Солнца, затем быстрый, а потом более медленный рост до максимума в полдень и далее плавно (медленно и убыстряясь) уменьшение вновь до нуля при заходе Солнца. Таким образом, существовало бы два симметричных по отношению к полудню потока.
Однако содержание пыли, водяного пара, различных примесей в атмосфере меняется постоянно, нарушая эту схематическую симметрию. Да и после полудня усиливаются восходящие потоки воздуха, вместе с которыми поднимаются пыль и водяной пар, — и, следовательно, уменьшается прямая радиация. Это приводит к тому, что максимальное ее значение приходится не на полдень, а уже на 10 часов утра.
Высота Солнца и продолжительность дня, изменяющаяся также на протяжении года, влияет на ход суточной радиации. Имеет значение и то, приходит ли прямая радиация на горизонтальную или перпендикулярную поверхность, поскольку при этом различен угол падения лучей. Приход прямой радиации на горизонтальную поверхность меньше, чем на перпендикулярную лучам. Приход солнечной радиации на поверхность любой ориентации относительно стран света и любого наклона зависит от угла падения, заключенного между направлением луча и нормалью к поверхности. В свою очередь угол падения обусловлен как положением Солнца, так и данной поверхности. Из-за того, что солнечные лучи падают на поверхность под различными углами, любые ее неровности нагреваются по-разному.
