 |
Вертикальное строение атмосферы
|
|
|
|
Тропосфера
Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м
Тропопауза
Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
Стратосфера
Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (почти 0 °C), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Стратопауза
Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).
Мезосфера
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25—0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.
Мезопауза
Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении
|
|
|
температуры имеет место минимум (около —90 °C).
Линия Кармана
Высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом. Линия Кармана находится на высоте 100 км над уровнем моря.
Граница атмосферы Земли
Принято считать, что граница атмосферы Земли и ионосферы находится на высоте 118 километров. Это показывает анализ параметров движения высокоэнергетических частиц, перемещающихся в атмосфере и ионосфере.
Термосфера
Верхний предел — около 800 км. Температура растёт до высот 200—300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха («полярные сияния») — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород. Верхний предел термосферы в значительной степени определяется текущей активностью Солнца. В периоды низкой активности происходит заметное уменьшение размеров этого слоя.
Термопауза
Область атмосферы прилегающая сверху к термосфере. В этой области поглощение солнечного излучения незначительно и температура фактически не меняется с высотой.
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до −110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200—250 км соответствует температуре ~150 °C. Выше 200 км наблюдаются значительные флуктуации температуры и плотности газов во времени и пространстве.
|
|
|
На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, так как их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже её лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы, называемая гомосфера. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
8-Методы исследования атмосферы Для изучения физического состояния атмосферы производятся как инструментальные, так и визуальные наблюдения. Инструментальные наблюдения осуществляются с помощью специальных приборов, устанавливаемых у поверхности земли на метеорологических станциях, и приборов, поднимаемых на резиновых шарах, самолетах, аэростатах и воздушных змеях. При инструментальных наблюдениях получают сведения о температуре, влажности, давлении воздуха, скорости и направлении ветра у поверхности земли и на высотах до 30—40 км. Кроме того, с их помощью определяется высота нижней и верхней границ облаков, количество осадков, состав воздуха, распределение лучистой энергии и т. п. Визуальные наблюдения ведутся на метеорологических станциях (рис. 3). В процессе этих наблюдений определяют форму и количество облаков (т. е. степень покрытия неба), дальность горизонтальной видимости (степень прозрачности воздуха), характер выпадающих атмосферных осадков, интенсивность метелей и пр. Метеорологическая станция Существуют и косвенные методы изучения строения атмосферы. Косвенные методы применяются главным образом для получения сведений о высоких слоях атмосферы, которые пока малодоступны для зондирования. К косвенным методам относятся наблюдения за световыми явлениями в атмосфере, распространением звуковых волн и радиоволн. Такие световые явления, как полярные сияния, светимость ночного неба, след метеоров, яркость сумеречного неба и др., позволяют судить о плотности и температуре воздуха, скорости и направлении воздушных потоков. Из косвенных способов изучения атмосферы можно также отметить следующие: по перламутровым облакам определяется ветер и влажность воздуха на высотах 22—26 км, по серебристым облакам — воздушные течения на высотах 80—90 км; по аномальному распространению звука устанавливается температура, давление, ветер; те же элементы определяются по метеорным следам на высотах 50—150 км; по ультрафиолетовой радиации определяется содержание озона, по излучению ночного неба — состав и температура воздуха на высотах 60—70 км, по полярным сияниям — на высотах 80—1000 км. Метеорологическими и геофизическими ракетами определяется давление, плотность и температура воздуха, а также солнечный спектр и др. Наиболее распространенным радиометеорологическим прибором является радиозонд — изобретение П. А. Молчанова (рис. 4). Выпускаемый на резиновом шаре в свободную атмосферу, радиозонд в полете регистрирует давление, температуру и влажность воздуха, а результаты измерений по радио передает условными сигналами. Сигналы улавливаются радиоприемниками и расшифровываются наблюдателями. После быстро произведенной обработки получают значения метеорологических элементов на различных высотах. Радиозонд, радиозонд в полете Сведения о направлении и скорости воздушных течений на высотах получают с помощью шаров-пилотов и радиопилотов. Шары-пилоты — это небольшие резиновые шары, наполненные водородом. После выпуска их в свободный полет за ними наблюдают в аэрологический теодолит. По отсчетам величин углов вычисляется направление и скорость ветра на различных высотах. В отличие от шаропилотных наблюдений, производящихся при ясной погоде, радиопилотные наблюдения с помощью радиолокатора или радиопеленгатора позволяют определять направление и скорость ветра и при облачной погоде. Высота нижней границы облаков измеряется с помощью шаров-пилотов и прожекторов. Для этой же цели используются самолеты, предназначенные для зондирования атмосферы, и облакомеры, поднимаемые на резиновых шарах. В последние годы для изучения микроструктуры облаков и других целей оборудуются специальные самолеты-лаборатории. Почти все перечисленные средства наблюдений за физическим состоянием свободной атмосферы созданы в текущем столетии, главным образом за последние 20—25 лет. Изучением физических процессов и явлений, происходящих в свободной атмосфере, занимается аэрология, представляющая собой раздел метеорологии. Первые сведения о строении атмосферы были получены с помощью аэростатов. В России первое научное применение аэростата было осуществлено академиком Я. Д. Захаровым в 1804 г. В последующем полеты совершали известные ученые Д. И. Менделеев, М. А. Рыкачев и др. В частности, полет Д. И. Менделеева был произведен 7 (19) августа 1877 г. из города Клина. В нашей стране первый полет стратостата был совершен в 1933 г. Стратостат «СССР-1» поднялся на рекордную для того времени высоту 19 км (рис. 5). Другой советский стратостат «Осоавиахим-1» в 1934 г. достиг высоты 22 км. Наблюдения, произведенные при полете, дали много ценных сведений о строении и составе воздуха в нижних слоях стратосферы. Полеты стратостатов в те годы были совершены и в США. Стратостат «СССР-1» Новые интересные данные об особенностях строения высоких слоев атмосферы, как уже говорилось, были получены в конце 40-х и в 50-х годах с помощью специальных метеорологических и геофизических ракет, искусственных спутников Земли и косвенных методов исследования атмосферы. Особенно много запусков осуществлено в период МГГ, МГС и позднее, т. е. начиная с 1957 г. Многочисленные запуски ракет как в СССР, так и за рубежом производились в самых различных пунктах северного и южного полушарий. В результате впервые были получены ценные сведения о высоких слоях атмосферы над Арктикой и Антарктикой, Европой и Азией, Америкой и Австралией, над океанами. Особенно интересны данные, полученные в Арктике, Антарктике и экваториальной зоне. Большинство метеорологических ракет запускают на высоты 60—100 км. Геофизические ракеты достигают значительно больших высот. Так, например, созданная в СССР ракета с аппаратурой общим весом 2200 кг в мае 1957 г. поднялась на высоту 212 км, а 21 февраля 1958 г. другая советская ракета с научной аппаратурой общим весом 1520 кг достигла высоты 473 км. Находящиеся в ракете приборы обычно возвращаются на Землю. Регистрация различных метеорологических элементов и явлений происходит как при стремительном подъеме ракеты, так и во время плавного спуска на парашюте отделяющегося от нее контейнера с аппаратурой. Результаты наблюдений передаются на Землю с помощью радиотелеметрической аппаратуры. Научные приборы регистрируют температуру, давление и химический состав атмосферы на разных высотах; с их помощью производится изучение физических свойств ионосферы, космических лучей, коротковолновой ультрафиолетовой части солнечного спектра. С запуском в высокие слои атмосферы первого искусственного спутника Земли наряду с изучением этих слоев началось исследование граничащего с ними космического пространства. Искусственные спутники Земли для изучения атмосферы имеют значительные преимущества по сравнению с метеорологическими ракетами. Последние, будучи очень дорогими и сложными, позволяют получать сведения лишь в немногих пунктах их запуска и в короткие промежутки времени. Между тем для систематического исследования атмосферных процессов необходима широкая сеть станций, одновременно выпускающих ракеты, — подобие существующей сети аэрологических станций, — что пока трудно осуществимо. Искусственные спутники, несмотря на трудности запуска их на орбиту, обладают рядом преимуществ. Представляя собой научную лабораторию, спутник в течение своего многодневного полета регистрирует и передает по радио сведения о составе атмосферы, космическом излучении, напряженности магнитного поля Земли, корпускулярном излучении Солнца и т. п. на всем земном шаре на высоте своей орбиты. Специальные метеорологические спутники Земли производят фотографирование облаков с высоты 300 км и более и тем самым регистрируют характер погоды одновременно над обширными районами Земли. По данным, получаемым с помощью искусственных спутников Земли, производится расчет составляющих теплового баланса атмосферы, позволяющий определить распределение температуры и ветра у поверхности земли и на высотах. Очевидно, что на различные высоты одновременно может быть запущена серия метеорологических искусственных спутников, что позволит многократно и на протяжении длительного промежутка времени получать данные об особенностях процессов в высоких слоях атмосферы. Правда, для длительного существования искусственного спутника необходимо, чтобы орбита его располагалась выше плотных слоев атмосферы, т. е. выше 200 км. Искусственные спутники Земли, запускаемые на орбиты ниже 1000 км над земной поверхностью, проходят сквозь верхние слои атмосферы. Соприкасаясь с атмосферой и испытывая сопротивление, спутники постепенно теряют свою скорость и переходят на более низкие орбиты. Искусственные спутники Земли, запущенные на орбиты выше 1000 км над земной поверхностью, могут существовать длительное время. Первый искусственный спутник Земли был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г. на высоту – около 900 км, второй — 3 ноября 1957 г. на высоту 1700 км, третий — 15 мая 1958 г. на высоту 1880 км. Большие перспективы в изучении космического пространства открылись в связи с запуском космических кораблей. Первый советский космический корабль-спутник был выведен на орбиту 15 мая 1960 г. Запуск второго космического корабля-спутника был осуществлен 19 августа 1960 г., третьего корабля-спутника— 1 декабря 1960 г. Для изучения космического пространства производятся запуски космических ракет. Первая космическая ракета весом 1472 кг была запущена в Советском Союзе 2 января 1959 г., вторая — 12 сентября (ее вес 1511 кг), третья — 4 октября того же года (вес 1553 кг). 1961 год ознаменовался новыми успехами в проникновении в глубины атмосферы и космического пространства. 12 февраля в Советском Союзе был осуществлен запуск ракеты к планете Венера, а 12 апреля 1961 г. первый космонавт мира Юрий Алексеевич Гагарин совершил полет вокруг Земли на корабле-спутнике «Восток-1». Полет, продолжавшийся 108 мин., вызвал восхищение во всем мире. 12 апреля 1961 г. войдет в историю как первый день эпохи проникновения человека в космос. Исторический подвиг Юрия Гагарина продемонстрировал силу творческого гения советского народа. Как известно, уже второй космический корабль-спутник весом до 4,6 т благополучно возвратился на Землю. Имелись все условия для полета человека. Но была необходима полная уверенность в безопасности полета и возвращении космонавта на Землю. Лишь после ряда запусков советские ученые послали первого человека в космический полет. Позднее в США были осуществлены полеты человека в ракетах и в спутнике. Осуществление полетов космических кораблей сопряжено с рядом трудностей. Еще в XVII в. великий Ньютон определил две величины скорости, необходимые для определения силы земного притяжения. Одна из них — первая космическая скорость — у поверхности земли равна 8 км/сек. Эта скорость обеспечивает полет запущенного объекта вокруг Земли в качестве искусственного спутника. Другая величина, называемая второй космической скоростью, равна 11 км/сек. Имея вторую космическую скорость, запущенный объект преодолевает силу земного притяжения и уходит в межпланетное пространство. Такие скорости достигаются с помощью многоступенчатых ракет. Для благополучного космического полета человека межпланетные корабли должны быть управляемыми, так как при этом условии можно обеспечить возвращение на Землю. Но это еще не все. Необходимо создать такие условия, чтобы организм человека мог выдержать полет. Человеческий организм легко переносит любые скорости. Мы не чувствуем скорости движения поезда, полета самолета, движения Земли вокруг Солнца (последняя скорость равна примерно 30 км/сек) и т. п. Но организм человека очень чувствителен к изменениям скорости, т. е. к ускорению. Одни легко переносят катание на «американских» горах, а у других самочувствие ухудшается даже при подъеме и спуске в лифте. Ускорение корабля-спутника огромно. Это приводит к возрастанию веса космонавта в момент взлета в несколько раз. Поэтому, помимо специальной тренировки организма для полета в космос, разработан такой режим подъема, который обеспечивает безопасность космонавта. А какое влияние на человека оказывает невесомость? При вертикальном запуске до высоты 100 км человек испытывает невесомость в течение примерно 3 мин., при запуске до 200 км — 5—6 мин., а до 500 км — около 10 мин. При орбитальном полете искусственных спутников Земли, как и космических кораблей, невесомость продолжается непрерывно. Полеты подопытных животных показали, что невесомость не должна заметно влиять на организм. После полета Юрия Гагарина вопрос о действии невесомости на тело человека был выяснен окончательно. Не прошло и четырех месяцев после первого полета человека в космос, как советская наука добилась нового блестящего успеха в осуществлении космических полетов. 6 августа 1961 г. в 9 час. советский космический корабль-спутник «Восток-2», пилотируемый Германом Степановичем Титовым, за 25 час. сделал 17 оборотов вокруг Земли и, пролетев свыше 700 000 км, 7 августа в 10 час. 18 мин. приземлился в заданном районе, вблизи места посадки корабля-спутника «Восток-1» с пилотом-космонавтом Юрием Гагариным. Полет космического корабля-спутника «Восток-2» происходил по орбите с минимальным удалением корабля от поверхности Земли (в перигее) 183 км и максимальным удалением (в апогее) 244 км. Полет доказал возможность длительного пребывания человека в космическом пространстве. 11 августа 1962 г. в СССР на орбиту спутника Земли был выведен космический корабль «Восток-3», пилотировавшийся летчиком-космонавтом Андрияном Григорьевичем Николаевым. На следующий день, 12 августа, на орбиту был выведен корабль «Восток-4» с летчиком-космонавтом Павлом Романовичем Поповичем. Период обращения обоих кораблей вокруг Земли составлял 88,5 мин. Максимальное удаление кораблей от поверхности Земли (в апогее) достигало 251 и 254 км соответственно, а минимальное (в перигее) — 183 и 180 км. Первый в мире групповой полет космических кораблей происходил в ионосфере (термосфере), о которой наши знания пока весьма ограничены. Советские корабли-спутники приземлились 15 августа около 10 часов. Программа полетов была выполнена полностью. Корабль «Восток-3», облетев вокруг Земли более 64 раз, за 95 часов прошел расстояние свыше 2,6 млн. км, а корабль «Восток-4» за 71 час облетел Землю более 48 раз, пройдя расстояние около 2 млн. км.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9-Интересно о метеорологических приборах
Погода всегда интересовала человека. Уборка урожая, посев зерновых, домашние хлопоты в огороде – все это осуществлялось с учетом метеопрогноза. Но, если раньше его составляли на основе примет или поведения животных, то сейчас есть более прогрессивные методы, чтобы узнать погоду. Например, с помощью специальных устройств. Метеорологические приборы – главное оружие современных синоптиков. Благодаря этим нехитрым приборам метеорологи наблюдают за атмосферными изменениями, а уж потом предоставляют нам прогноз погоды, который в наше время отличается высокой достоверностью и точностью.
Интересно о метеорологических приборах
Теперь вы понимаете, что метеоинформация не берется из воздуха. Она составляется на основе тщательных расчетов, проведенных метеостанциями не только конкретного района или области, но и всей страны. Поэтому сегодня мы решили рассказать вам о том, какие бывают метеорологические приборы, и какие атмосферные процессы они исследуют. Эта информация будет для вас точно интересной.
Поговорим о традиционных приборах метеорологических станций
Среди основных показателей, которые исследуют синоптики, следует выделить температуру, давление и влажность воздуха. А о том, с помощью каких устройств определяются данные по ним, поговорим далее.
Термометр. Наиболее ощутимым для нас показателем, конечно, является температура воздуха. Метеорологические приборы, определяющие данный показатель всем известны. Это термометры. Но они не совсем обычные. Их устанавливают на высоте 2-ух метров над уровнем земли и защищают от прямых солнечных лучей. Такие приборы метеорологических станций размещают в одной из будок, окрашенной в белый цвет;
Барометр. Считается, что давление воздуха – самый важный их всех показателей. Его измеряют барометром, который позволяет высчитать высоту ртутного столба. Сам метеорологический прибор размещают в закрытом помещении на стенке, где и ведутся наблюдения. Также синоптики вносят в отчет поправку о зачислении давления, если бы барометр находился над уровнем моря.
Психрометр. Упоминая приборы метеорологических станций, стоит вспомнить и о психрометре, измеряющем влажность воздуха. Он состоит из сухого и смоченного термометра. При влажном воздухе смоченный термометр показывает низкую температуру, при сухом можно заметить большую разницу в показаниях термометров.
Необычные метеорологические приборы
Гелиограф. Наблюдая за погодой, метеорологи обязательно должны отметить и солнечное сияние. То есть определить, насколько ярко светит Солнце в тот или иной день. Какие метеорологические приборы для этого нужны? Конечно, гелиографы. Что в них необычного? Они не имеют движущихся частей, а главной их деталью является шар диаметром 100 мм, который имеет форму линзы и отслеживает сияние небесного светила;
Осадкомер. Для определения количества осадков используют такой метеорологический прибор, как осадкомер. Они имеет форму цилиндрического ведра, которое размещают на столбе. Накопившуюся жидкость выливают из него в мерный цилиндр и измеряют объем осадков. Обычно, вокруг ведра располагаются металлические пластины. Они препятствуют испарению влаги.
Термометр для измерения температуры почвы. Для данного метеорологического прибора характерно отсутствие защиты от солнечных лучей. Все три термометра схожи с теми, что используются и в психрометрической будке, но они лежат на поверхности земли.
Сегодня можно увидеть, как традиционные метеорологические приборы, так и более современные – электронные. Но первые служат эталоном, с которым привыкли сверяться и проверять на основе их данных другие устройства.
|
|
|
