Павел Астапенко - Вопросы о погоде
10.15. Какие ИСЗ наиболее эффективны для изучения загрязнения атмосферного воздуха?
Это зависит от программы исследований. Так, для изучения загрязнения в планетарном и региональном масштабах (так называемых мега- и макромасштабах) удобны геостационарные спутники, которые как бы неподвижно висят над экватором или ближайшими к нему широтами на очень большой высоте, а также обычные метеорологические спутники, летающие на орбитах высотой 900-1200 км и имеющие ТВ-аппаратуру; для детального исследования локального (мезомасштабного) загрязнения более подходят специальные ИСЗ изучения природных ресурсов, оснащенные аппаратурой очень высокой разрешающей способности, типа «Лэндсат».
10.16. Каковы особенности погоды в свободной атмосфере?
Как показали исследования, выполненные с помощью ракет, спутников и других средств зондирования атмосферы, на высотах, в свободной атмосфере, метеорологические условия несколько иные, чем у земной поверхности. Во-первых, там менее значительны колебания температуры воздуха, поскольку с высотой уменьшается влияние подстилающей поверхности и всех ее неоднородностей. Сама температура воздуха в свободной атмосфере ниже, чем у земли. Во всем нижнем слое атмосферы, называемом тропосферой, она понижается в среднем примерно на 6 – 7° C на каждый километр высоты. Толщина этого слоя может колебаться в зависимости от географической широты места и характера происходящих атмосферных процессов от 7 до 18 км. Выше тропосферы примерно до высоты 51 км находится второй атмосферный слой – стратосфера. Между тропосферой и стратосферой несколько сот метров переходного, или промежуточного слоя, называемого тропопаузой. На тропопаузе температура может быть от -45 до -80°C, причем с высотой она перестает понижаться и даже наоборот – немного возрастает или остается неизменной; в стратосфере она также с высотой сперва меняется очень незначительно, а затем начинает повышаться, приближаясь на ее верхней границе к 0°C. Во-вторых, в свободной атмосфере воздушные течения меньше искажаются рельефом местности и могут достигать больших скоростей, образуя так называемые струйные течения. В-третьих, там нет некоторых специфических приземных метеорологических явлений, а сама погода резко делится на два типа – внеоблачную, так сказать в ясном небе, и в облаках. Есть в свободной атмосфере и свои специфические явления погоды, такие, как турбулентность при ясном небе (ТЯН), стратосферные потепления, стратосферные облака вулканической пыли и другие.
10.17. Почему в стратосфере температура с высотой не понижается, а растет?
Температура воздуха в стратосфере определяется процессом лучистого теплообмена. Находящийся в нижней стратосфере слой озона поглощает некоторую часть солнечного тепла и нагревается, одновременно нагревая воздух. Приток тепла и его отток благодаря лучеиспусканию сбалансированы, иначе говоря, сохраняется состояние лучистого равновесия. С ним связан и процесс терморегулирования количества озона в стратосфере. Если произойдет чрезмерное нагревание воздуха, то немедленно начнется распад молекул озона и уменьшение содержания последнего, а следовательно, уменьшится и поглощение солнечного тепла; это автоматически приведет к снижению температуры до прежнего уровня.
10.18. Почему нижняя граница стратосферы не всегда расположена на одной и той же высоте?
Высота тропопаузы – переходного слоя между тропосферой и стратосферой – изменяется в зависимости от состояния воздуха под ней, то есть в тропосфере. Приближенно можно считать тропосферу слоем интенсивного перемешивания воздуха, а стратосферу – слоем с устойчивым его состоянием. В зависимости от развивающихся над земной поверхностью процессов и степени прогрева нижних слоев воздуха высота границы неустойчивости и интенсивного перемешивания может подниматься и опускаться. В теплом воздухе и над областями высокого атмосферного давления она выше, а в холодном и над циклонами – ниже. По этой причине тропопауза расположена ниже над полярными районами и выше над тропическими областями. Граница между тропосферой и стратосферой в реальных условиях над средними широтами в зависимости от ситуации может располагаться на уровнях от 8 до 13 км, а температура ее может на 7-8°C отличаться от стандартных значений (-56,5°C), при этом она будет тем ниже, чем выше окажется тропопауза.
10.19. Как высоко над земной поверхностью возникают струйные течения?
Ветер скоростью более 100 км/ч – нижний предел для струйных течений – бывает обычно в верхней тропосфере, то есть выше 6 км. Максимальные значения скорости ветра на высотах чаще всего наблюдаются на 1-1,5 км ниже тропопаузы. Поэтому принято считать, что в тропосфере ось струйного течения находится в среднем на этом уровне, под тропопаузой. Однако, как всегда и бывает со средними цифрами, это не всегда соответствует реально встречающимся условиям – могут быть ситуации, когда ось струйного течения расположена еще ниже, то есть на 2-3 км ниже тропопаузы, или же, наоборот, лежит значительно выше, даже над тропопаузой. Это бывает, когда струйное течение очень сильное (300-400 км/ч и более) и очень мощное (5-6 км и более по вертикали). Струйные течения встречаются и в стратосфере. Здесь их оси обычно располагаются на высотах 16 – 20 км и выше, где наблюдается второй максимум скорости ветра. Направление ветра в тропосфере и направление стратосферных струйных течений могут совпадать, что чаще случается в холодное время года, но могут быть и противоположными, что обычно бывает летом.
10.20. Что такое велопауза?
Зондирование атмосферы различными средствами позволило обнаружить некоторые особенности в распределении метеорологических величин, в том числе направления и скорости ветра на высотах. В частности, была замечена устойчивая закономерность убывания скорости ветра с высотой и изменения направления ветра на противоположное в стратосфере в теплое время года. Такое обращение ветра происходит на высоте около 20 км. Фактически переход ветра с западного направления на восточное, то есть противоположное, происходит в слое толщиной в несколько сот метров. Слой этот получил название велопаузы. Изменение направления ветра связано с формированием летом в стратосфере высотного антициклона, приходящего в период полярного дня на смену зимнему холодному околополюсному циклону. Как только на высотах направление, в котором убывает давление, меняется по горизонту на противоположное, – таким же образом изменяется и направление ветра.
10.21. Какие облака характерны для больших высот?
В нижней стратосфере присутствует специфическая облачность, время от времени появляющаяся под инверсионным задерживающим слоем, в котором начинается увеличение температуры с высотой. Это перламутровые облака и облака вулканической пыли, или пылевые, получившие в литературе не совсем удачное и мало оправданное с точки зрения логики название «литосферные облака». На верхней границе мезосферы, где температура воздуха достигает предельно низких значений, около -90° C, а в отдельных случаях и того ниже, и с высотой уже перестает понижаться, иногда можно видеть красивые, слабо светящиеся, синеватого цвета серебристые облака. Стратосферные облака наблюдаются преимущественно на высоте 20-30 км, мезосферные – на высоте 80-90 км.
10.22. Когда и где можно наблюдать перламутровые и серебристые облака?
Перламутровые облака – явление редкое, его можно видеть в высоких широтах Земли очень короткое время сразу после захода солнца. Они радужно светятся на темном фоне вечернего неба, рассеивая и отражая достигающие их солнечные лучи. Их свечение объясняется явлением иризации, вызываемым, возможно, преломлением солнечных лучей в переохлажденных мельчайших капельках воды, из которых, как предполагают, состоят такие облака. Серебристые облака можно наблюдать ночью в северной части горизонта в поясе между 50 и 75° с. ш. в периоды, когда солнце неглубоко заходит за горизонт (не глубже 13°). Свечение этих облаков, по мнению некоторых ученых, вызывается фотолюминесценцией ледяных кристаллов под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца. По мнению других – свечение объясняется рассеянием солнечного света на мельчайших частицах вулканической или космической пыли и ледяных кристалликах.
10.23. Почему облака вулканической пыли долгое время сохраняются в стратосфере?
При извержениях вулканов облака пыли выбрасываются в толщу нижних слоев атмосферы до высоты нескольких десятков километров. Но в самом нижнем слое – тропосфере – вулканическая пыль долго не задерживается, оседая в течение нескольких суток на земную поверхность. Этому способствуют интенсивное перемешивание воздуха в тропосфере, процессы образования облаков и выпадения осадков, очищающих тропосферный воздух от загрязняющей его пыли. В стратосфере картина иная. Здесь нет интенсивного перемешивания, стратосфера устойчива, и попавшие в нее примеси могут годами оставаться там, переносимые воздушными течениями с места на место в виде облаков вулканической пыли. После каждого очень сильного извержения вулкана количество таких облаков в стратосфере увеличивается; на протяжении нескольких лет после этого приборы на земле отмечают уменьшение поступления солнечного тепла из-за уменьшения прозрачности воздуха в его верхних слоях. Влияние облаков вулканической пыли на погоду замечено давно, с ними связывают похолодания на Земле, особенно ощутимые в летние сезоны. Помимо этого, такие облака представляют серьезную помеху для стратосферных сверхзвуковых самолетов: твердые частицы вулканической пыли могут повредить обшивку.
