Атмосфера і клімат

1. Атмосфера і клімат

Атмосфера - повітряна оболонка Землі. Атмосфера захищає нашу планету від астероїдів та метеоритів, ультрафіолетового випромінювання. Завдяки її складу існує життя на Землі.

Склад і будова. Атмосфера Землі складається з суміші газів (повітря), водяної пари і домішок (аерозолів). Повітря біля підстилаючої поверхні містить (за об'ємом) понад 78 % азоту, близько 21 % кисню і менше 1 % інших газів. Склад його майже скрізь однаковий і унаслідок перемішування зберігається до висоти 90-100 км. Вище переважають легші гази. Вміст вуглекислого газу на різних висотах неоднаковий. Він збільшується у зв'язку із спалюванням все більшої кількості вугілля, нафти, природного газу. Озону в атмосфері дуже мало, але внаслідок фотохімічних реакцій він утворює на висоті 20-30 км шар в стратосфері озоновий екран. Цей шар затримує згубну для живих організмів ультрафіолетову радіацію. Тому вище від цього шару температура в атмосфері підвищується. Кількість водяної пари в приземному шарі сильно змінюється, а з віддаленням від поверхні швидко знижується. На висоті 2 км її вже в два рази менше, ніж біля поверхні, а вище 70-80 км  вона відсутня взагалі.

Тверді і рідкі домішки в атмосфері (аерозолі) - це пил (у тому числі і космічний), сажа, попіл, кристали льоду і морської солі, краплинки води, мікроорганізми, пилок рослин і ін. Вміст їх сильно змінюється залежно від умов.

Атмосфера має шарувату будову (рис. 1). Відповідно до змін температури з висотою виділяють такі шари: тропосферу (до 16 км), стратосферу (до 50 км), мезосферу (до 80 км), термосферу, що поступово переходять у міжпланетний простір приблизно на висоті 3000 км. У тропосфері і мезосфері температура з висотою знижується, а в стратосфері і термосфері, навпаки, підвищується. Нижній шар атмосфери — тропосфера - містить понад 90 % всієї маси атмосфери. Висота тропосфери: до 18 км - над екватором і 8-10 км - в полярних областях. Температура з підняттям вгору у тропосфері знижується в середньому на 6°С на 1 км, а тиск – на 11 мм рт. ст. на кожні 100 м. У ній зосереджена майже вся водяна пара, утворюються хмари і випадають опади. Процеси, що відбуваються в тропосфері, безпосередньо впливають на підстилаючу поверхню, на життя і діяльність людей.

Рис.1. Будова атмосфери (ukrmap.su)

Сонячна радіація і температура повітря. Сонячна радіація - вся сукупність сонячного випромінювання. Потрапляючи в атмосферу, вона частково (близько 20%) нею поглинається і переходить в інші види енергії. Близько 30% радіації атмосфера розсіює у всі боки, у тому числі і до земної поверхні. Це - розсіяна радіація. Та радіація, яка доходить до поверхні, не розсіюючись і не поглинаючись в атмосфері, називається прямою радіацією. Пряма і розсіяна радіація, що надійшли до поверхні, складають сумарну радіацію.

Рис.2 . Формування сумарної сонячної радіації (www.slideshare.net) 

Кількість сумарної радіації залежить від кута падіння сонячного проміння на поверхню, тривалості дня, хмарності та прозорості атмосфери. Найбільша сумарна радіація - в тропічних пустелях. Біля полюсів в день сонцестояння влітку, коли Сонце не заходить, вона навіть більша, ніж у цей день на екваторі. Але біля поверхні сніг і лід тут не нагріваються, оскільки відбивають до 90 % сонячного проміння.

Здатність поверхні відбивати сонячне проміння - альбедо, залежить, головним чином, від кольору підстилаючої поверхні. Якщо свіжий сніг відбиває близько 90%, то темна рілля - всього 4 %, зелена трава - 20 %, пісок - 35 % проміння. Водна поверхня відбиває залежно від кута падіння на неї сонячного проміння від 2% до 35% проміння. Температура підстилаючої поверхні визначається величиною сонячної радіації, яке залишається від сумарної радіації після віднімання від неї відбитої та втраченої на випромінювання радіації. Цей залишок називають радіаційним балансом. Якщо залишок стає більшим, температура поверхні підвищується, якщо він зменшується, температура знижується.

Атмосфера отримує більше тепла від підстилаючої поверхні, ніж безпосередньо від Сонця. Тому температура в тропосфері з висотою знижується. Але якщо поверхня віддає повітрю більше тепла, ніж за той же час одержує, вона охолоджується, від неї охолоджується і повітря над нею. В цьому випадку температура повітря з висотою, навпаки, підвищується. Таке положення називається температурною інверсією. Її можна спостерігати влітку вночі, взимку - над сніжною поверхнею. Температурна інверсія звична в полярних областях.

Температура повітря залежить таким чином від кута падіння сонячного проміння, характеру підстилаючої поверхні та абсолютної висоти місцевості, її вимірюють термометром. Перший термометр винайшов французький фізик Г. Амантон у 1701р., його вдосконалив шведський фізик А. Цельсій.

У тропосфері температура з висотою знижується в середньому на 0,6° на кожні 100 м. При піднятті сухого повітря зниження температури досягає 1° на кожні 100 м, а вологого - менше, ніж на 1° на 100 м. Зменшення температури повітря, що піднімається, - головна причина утворення хмар.

Температура повітря періодично змінюється впродовж доби і року. Різницю між максимальною і мінімальною температурою називають амплітудою коливань температур.

 Розподіл температури повітря на земній поверхні показують ізотерми - лінії, що сполучають місця з однаковою температурою. Складний їх розподіл відображають карти середніх січневих, липневих і річних ізотерм. Ізотерми не співпадають з паралелями. Вони вигинаються при переході з материка на океан і навпаки. Так, в січні в північній півкулі над материками ізотерми відхиляються на південь, а в липні - на північ. Пояснюється це тим, що суша взимку охолоджується, а влітку нагрівається сильніше, ніж вода.

У південній півкулі в помірних широтах суші дуже мало і хід ізотерм близький до паралелей. У січні найвища температура повітря в Австралії, на півдні Африки, на півдні Південної Америки. Найнижча температура цього місяця - на північному сході Азії (у м. Оймякон, Росія - 71 °С) і в Антарктиді. Абсолютні максимуми температури повітря зафіксовані у   Мексиці (+ 58°С), у Африці (+ 57,8°С). Абсолютний мінімум (- 89,2°С) відмічений на станції «Восток» (Антарктида).

Користуючись картами ізотерм, виділяють межі теплових поясів, що не зовсім співпадають з тропіками і полярними колами. Вони відхиляються від ідеальних меж внаслідок характеру поверхні, перенесення тепла повітряними і океанічними течіями. Жаркий пояс розташований в екваторіальних широтах, між середньорічними ізотермами + 20°С (нижче +20° середньорічна температура в цьому поясі не опускається).

До жаркого поясу з півночі і з півдня примикають помірні пояси. Вони обмежені з боку високих широт ізотермами - 10°С (середній найтеплішого місяця - липень в північній і січень в південній півкулі). Це межа розповсюдження лісу. Два холодні пояси обмежені ізотермами +10" і 0° середньої температури найтеплішого місяця. Остання і межею розповсюдження тундри. Вона обмежує пояси (області) морозу, що лежать біля полюсів. Середня температура найтеплішого місяця в них нижче 0°С.

Атмосферний тиск.  Повітря з певною силою тисне на земну поверхню, ця сила називається атмосферним тиском. Його можна виміряти ртутним барометром, або анероїдом, який був винайдений італійцем Е. Торрічеллі у 1673 р.   Тиск на підстилаючу в атмосфері поверхню складає в середньому 1,033 г на 1 см² (більше 10 т на м²). Людина не відчуває його тому, що тиск всередині нашого організму такий самий як у атмосфері.

Вимірюється тиск в міліметрах ртутного стовпчика, міллібарах (1 мб = 0,75 мм рт. ст.) і в гектопаскалях (1мм = 1 мб).

Максимальний атмосферний тиск 815,85 мм рт. ст. (1087 мб) зареєстровано взимку в Туруханську (Росія). Мінімальний - 641,3 мм рт. ст. (854 мб) - в урагані "Ненсі” над Тихим океаном. З підніманням вгору тиск знижується: на висоті 5 км він менший вже в 2 рази, на висоті 15 км - в 8 разів, на 20 км - у 18 разів. У нижньому шарі тропосфери до висоти 1 км він знижується на 1 мм рт. ст. на кожні 10 м, або на 1 мб (гп) на кожні 8 м. Чим вище, тим тиск знижується повільніше. Зміна тиску пояснюється переміщенням повітря. Він підвищується там, де повітря нагромаджується і знижується там, звідки повітря рухається. Головна причина переміщення повітря - його нагрівання і охолодження від підстилаючої поверхні. Нагріваючись від поверхні, повітря розширяється і спрямовується вгору. Досягнувши висоти, на якій його щільність стає більшою від щільності навколишнього повітря, воно розтікається в різні боки. Тому тиск на теплу поверхню знижується. Але одночасно він збільшується на сусідні ділянки, хоча температура там не змінювалася. Над холодною поверхнею повітря охолоджується, ущільнюється, притискаючись до поверхні. Зверху його щільність зменшується, і сюди приходить повітря збоку. Кількість його над холодною поверхнею збільшується, тиск на неї зростає. Одночасно там, звідки повітря надійшло, тиск зменшується без зміни температури. Нагрівання і охолодження повітря від поверхні супроводжується його перерозподілом і зміною тиску. У екваторіальних широтах тиск завжди знижений. Це пояснюється тим, що нагріваючись від поверхні, повітря підіймається і відходить у бік тропічних широт, створюючи там підвищений тиск. Над холодною поверхнею в Арктиці і Антарктиді тиск також підвищений. Його створює повітря, що приходить з помірних широт на місце ущільненого холодного повітря. Відтік повітря в полярні широти - причина зниження тиску в помірних широтах. В результаті формуються пояси зниженого (екваторіальний і помірні) і підвищеного тиску (тропічні і полярні). У залежності від сезону вони дещо зміщуються в бік півкулі, де в той час літо.
Полярні області високого тиску взимку розширюються, а влітку звужуються, але існують впродовж року.

Пояси зниженого тиску цілий рік зберігаються поблизу екватора і в помірних широтах Південної півкулі.

У помірних широтах Північної півкулі взимку тиск над материками сильно підвищується і пояс низького тиску "розривається". Він зберігається тільки над океанами у вигляді замкнутих областей зниженого тиску - Ісландського і Алеутського мінімумів. Над материками, навпаки, утворюються зимові максимуми: Азіатський (Сибірський) і Північноамериканський (Канадський). Влітку в помірних широтах Північної півкулі пояс зниженого тиску відновлюється. Величезна область зниженого тиску з центром в тропічних широтах формується над Азією - Азіатський мінімум. У тропічних широтах материки завжди нагріваються дещо сильніше, ніж над океанами, і тиск над ними нижчий. Тому над океанами існують субтропічні максимуми: Північно-Атлантичний (Азорський), Північно-Тихоокеанській, Південно-Атлантичний, Південно-Тихоокеанській і Індійський.

Розподіл тиску на карті зображають ізобарами. Ізобари - лінії, що сполучають місця з однаковим тиском. Чим ближче ізобари один до одного, тим швидше змінюється тиск на відстані. Величина зміни тиску на одиницю відстані (100 км) називається баричним градієнтом.

Зміна тиску зумовлює рух повітря - вітер. Вітри за тривалістю бувають постійн та змінні. Їх класифікація відображена на рис. 3.

Рис. 3. Класифікація вітрів

Повітряні маси – це величезні об’єми повітря з однаковою температурою, вологістю і запиленістю, які здатні переміщуватись в горизонтальному і вертикальному напрямках. За вологістю повітряні маси поділяються на вологі та сухі. Вологі формуються над океанами, їх ще називають морськими, а сухі – над континентами, їх ще називають континентальними. За температурами повітряні маси поділяють на теплі та холодні. Оскільки, Земля неоднаково прогрівається біля екватора та полюсів, існують суттєві відмінності у властивостях повітряних мас на різних широтах. Тому залежно від району утворення розрізняють різні типи повітряних мас: полярні, помірні, тропічні, екваторіальні.

Між повітряними масами з різними властивостями виникають вузькі перехідні зони. Ці зони називають  атмосферними фронтами. Розрізняють теплий і холодний атмосферний фронт. Теплий формується тоді, коли тепле повітря наступає, а холодне перед ним відступає. Тепле повітря легеньке і швидко рухається, натікає на холодне, піднімається вгору, охолоджується, утворюються хмари, з яких випадають опади. Холодний атмосферний фронт формується тоді, коли холодне повітря наступає на тепле. Холодне повітря важке і повільно рухається, воно підтікає під тепле і витісняє його вгору, яке охолоджується і випадають опади (грози зливи).

Циклон – це величезний атмосферний вихор, в центрі якого завжди знаходиться область із низьким тиском. Коли навкруги тиск високий, а в центрі циклону низький, то куди буде рухатись повітря? Від периферії до центру, але під впливом сили обертання Землі повітря у циклоні рухається проти годинникової стрілки у Північній півкулі, і за нею – у Південній. Це нагадує велику повітряну дзигу.

 

Рис. 4. Утворення циклону

У центрі циклону відбувається висхідний рух повітря. Повітря піднімається вгору, утворюються хмари і випадають опади. Влітку приносить похолодання (вітер, хмарна погода, опади). А взимку – потепління.

Повною протилежністю циклона є антициклон, на що вказує і його назва – префікс  “анти” означає  “протилежність”. Антициклон – атмосферний вихор з високим тиском у центрі і вітрами, що дмуть від центру до окраїни за годинниковою стрілкою у Північній півкулі і проти – у Південній.

Рис. 5. Утворення антициклону

Влітку антициклони приносять малохмарну, теплу і навіть спекотну погоду, а взимку – ясну, суху, бо переважає низхідний рух повітря, що зумовлює зростання тиску і температури, тому хмари не утворюються. 

Клімат. Клімат – багатолітній режим погоди, характерний для якої-небудь місцевості. Він виявляється в закономірній зміні погоди. Як і погода, клімат залежить від кількості сонячної радіації (від широти), від переміщення повітряних мас, і від властивостей підстилаючої поверхні. 
Будь-який елемент (температура повітря, тиск, вітер, хмарність, опади і т.д.) характеризує один з кліматотвірних процесів. Величезна різноманітність кліматів земної кулі зумовлена такою самою різноманітністю процесів тепло- і вологообміну, циркуляція атмосфери. Причини, що визначають такі відмінності клімату у різних точках Землі, називають географічними факторами клімату.

Географічним факторами клімату можна назвати той елемент географічної оболонки, який впливає на клімат, але сам не є кліматотвірним процесом чи його складовою частиною. Основних таких факторів є сім: географічна широта, абсолютна висота, рельєф, що оточує дану територію, її віддаленість від морів і океанів, наявність океанічних течій, розміщення на материку (розміри і частини материка), характер підстилаючої поверхні (колір, рослинність, мікроформи рельєфу).

Головним із факторів, що обумовлює особливості розвитку клімату, є географічна широта. Від неї залежить кількість сонячної енергії, що потрапляє на земну поверхню. Вологообмін, будучи залежним від двох інших кліматоутворюючих процесів, теж розвивається під впливом географічної широти. Тому клімат в цілому має добре виражені зональні закономірності.

Вплив віддаленості від океанів пов'язаний з тим, що висока теплоємність води і постійне її перемішування забезпечують нагромадження запасів тепла в океанах. Воно поступово надходить в атмосферу і повітряними потоками переносяться на континент. Сформовані над океаном повітряні маси, наситившись вологою, що випаровується з океану, віддають їх континентам, сприяючи цим їхньому зволоженню. Чим дальше від океану вглиб материка, тим збільшується амплітуда температур і зменшується зволоження.

Океанічні течії впливають на клімат тим, що переносять тепло з низьких широт у високі, і навпаки. Морські течії охолоджуються або роблять теплішим клімат території, біля яких проходять, впливають на розподіл атмосферних опадів (теплі течії збільшують, а холодні зменшують). На західних узбережжях материків, які омиваються холодними течіями, опадів часто так мало, що там утворюються пустелі (Атакама, Наміб та ін.).

Вплив абсолютної висоти поверхні на клімат проявляється у тому, що у горах температура з висотою зменшується приблизно на 6° С на кілометр, а на певній висоті (висоті снігової лінії) навіть влітку дорівнює нулю. Вище цієї уявної лінії починається царство снігів і льоду.

Характер підстилаючої поверхні впливає на величину відбитої і поглинутої сонячної енергії.

Карти, на яких нанесені показники клімату, називаються кліматичними (карта ізотерм, карта ізогієт, карта ізобар та ін.).

На картах клімату виділяються простори, в межах яких основні показники клімату змінюються порівняно мало, це – кліматичні пояси і області. Ці показники характеризують також і повітряні маси, тому зональні типи повітряних мас можуть бути поставлені в основу виділення кліматичних поясів. Виділяються сім основних кліматичних поясів: екваторіальний, два тропічних, два помірних, два полярних (арктичні і антарктичні).

Між основними знаходяться перехідні кліматичні пояси: два субекваторіальних, два субтропічних і два субполярних. Вони відрізняються зміною повітряних мас: взимку панує повітряна маса основного поясу, сусіднього з боку полюса, влітку – із боку екватора.

Рис. 5. Кліматична карта світу (ukrmap.su)

Екваторіальний пояс – пояс панування екваторіального повітря. Переважає його висхідний рух. Температура цілий рік висока. Добові її коливання більші від річних. Опадів багато.

Тропічні пояси – пояси формування тропічних повітряних мас. Переважає низхідний рух повітря. Повітря тепле (особливо влітку) і сухе (особливо над материками). Панівні вітри – пасати.

Помірні пояси – пояси панування повітряних мас помірних широт. Переважають західне перенесення, фронтальні процеси, циклони, антициклони. Температура влітку помірно тепла, взимку – негативна. Річні амплітуди її коливань більші від добових. Опади переважно фронтальні, взимку – у твердому вигляді.

Полярні пояси (арктичний і антарктичний) – пояси формування холодних і сухих повітряних мас. Для них характерне опускання повітря в центрі областей високого тиску, переважання від'ємних температур. Опадів мало, сніговий покрив постійний.

Погода. Погода - стан нижнього шару атмосфери в даній місцевості в даний момент або за якийсь проміжок часу: добу, тиждень, місяць. Погода характеризується елементами і явищами. Елементи погоди: температура повітря, вологість, тиск. До явищ погоди відносяться вітер, хмари, атмосферні опади, іноді прояви погоди носять незвичний і навіть катастрофічний характер: наприклад, урагани, сильні грози, зливи, засухи.

Погода характеризується не окремо взятими елементами і явищами, а їх сукупністю. При однаковій температурі (високій або низькій), але при різній вологості повітря, з опадами або без опадів, з вітром або без нього, погода не буде однаковою. Різним буде і її вплив на рослини та людину. Відомо, що морозна погода без вітру переноситься людьми значно легше, ніж навіть менш морозна, але з сильними вітрами. Рослини по-різному переносять однаково жарку, але вологу або суху погоду.

У помірних широтах закономірні зміни погоди впродовж доби, залежні від надходження сонячного тепла, часто порушуються зміною повітряних мас, проходженням атмосферних вихорів і фронтальними процесами.

Зміна циклональної і антициклональної погоди характерна для помірних широт. У цих широтах добре виражені зміна погоди за сезонами. Влітку погода тепла, безморозна, протягом доби навіть мінімальна температура не опускається нижче 0°. Взимку погода холодна, морозна, максимальна температура нижче 0°. Для весни і осені характерна погода з переходом температури через 0°. Це означає, що при додатній середньодобовій температурі мінімальна температуру від'ємна, а при від'ємній - додатна. Погода з переходом через 0° (з відлигою) буває і взимку. Безморозна, морозна погода, погода з переходом через 0° може бути з вітром і без вітру, хмарна і безхмарна, з опадами і без опадів. У полярних широтах увесь рік переважає морозна погода, особливо сувора вона біля Південного полюса. У екваторіальних і тропічних широтах морозних погод не буває, там немає холодної пори року.

Прогнози погоди важливі для господарського комплексу і всіх областей діяльності людей. Уточнити прогноз погоди для даної території допомагають місцеві ознаки. Необхідно користуватися не однією, а кількома ознаками (зміна температури, хмарності, вигляд хмар, напрям вітру, поведінка тварин і рослин).

Існує Всесвітня служба погоди (ВСП), що об'єднує Національні служби погоди. Вона має три світові центри: Москва, Вашингтон і Мельбурн. Дані про стан атмосфери збирають і передають 10000 метеорологічних станцій, 7000 морських суден, 3000 літаків, метеосупутники, буйкові станції, що дрейфують в океані. Опрацювання величезної кількосгі даних стала можливою тільки після появи сучасних ЕОМ. Для складання прогнозів викреслюються карти погоди (синоптичні) на момент спостережень, моделюються можливі зміни стану атмосфери. Правдивість прогнозів погоди тим більша, чим коротше термін передбачення. Прогнози на термін до трьох діб виправдовуються на 87-89%. Найбільшою точністю відрізняються спеціалізовані прогнози, наприклад авіаційні.