Реферат: Основы физики атмосферы
Процессы, определяющие погоду и климат, обусловлены как
внутренними факторами и динамикой системы геосфер Земли, так и внешними
факторами, прежде всего Солнцем. Прежде чем обсуждать проблемы погоды и
климата, рассмотрим превращения солнечной энергии в атмосфере. На рис. 14.5
приведен усредненный радиационно-тепловой баланс в атмосфере, полученный по
данным многочисленных измерений. Конечно, относительная величина всех составляющих
баланса энергии сильно меняется в зависимости от времени, погодных условий и
местности, однако анализ усредненных величин представляет существенный
интерес для физики атмосферы. Отметим, что цифры, определяющие
баланс энергии и представленные на рис. 14.5, могут отличаться в различных
источниках на 10-20%, что отражает несовершенство современных знаний об
энергетическом режиме Земли.
На рис.
14.5 условно изображены два сорта излучения, одно — приходящее от Солнца, с
максимумом по интенсивности в оптическом диапазоне, другое — уходящее от Земли.
Уходящее излучение содержит как коротковолновое излучение, рассеянное и
отраженное атмосферой и поверхностью Земли, так и длинноволновое, связанное с
излучением самой планеты. Максимум этого длинноволнового излучения, как
отмечалось в гл. 12, лежит в инфракрасной области спектра с длиной волны Лm = 10 мкм. Если взять за 100%
излучение, которое приходит от Солнца, то примерно 31% от него отражается и
рассеивается атмосферой сразу: 17% облаками, 6% поверхностью земли и 8%
безоблачной атмосферой. Назад уходит примерно 31%, а 69% этого коротковолнового
излучения поглощается атмосферой (4% поглощается облаками, а 22% — безоблачной
атмосферой) и 43% Землей. В установившемся стационарном Причем атмосфера
излучает низкочастотное ИК излучение и вниз, в Землю (67 + 34 = 101%), а Земля
излучает в атмосферу 115% ИК излучения + 29% энергии скрытым теплом и
турбулентными потоками, что составляет 144% по энергии от падающего излучения.
Хотя поток энергии от поверхности Земли превышает 100%, никакого противоречия с
законом сохранения энергии здесь нет, поскольку Земля получает 43% по энергии
высокочастотным излучением и 101% (67 + 34 = 101%) низкочастотным ИК излучением
от атмосферы, что составляет те же 144%. Таким образом, между поверхностью Земли
и атмосферой благодаря парниковому эффекту возникают встречные потоки энергии,
которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли.
Если
приравнять излучаемую Землей энергию равновесному излучению некоторого эквивалентного
черного тела, то получим аналогичную (12.3) оценку температуры с дополнительным
множителем 1,441/4 = 1,1, т.е. температура этого тела будет составлять
Т = 280 К. Согласно тем же экспериментальным данным атмосфера излучает в
ИК диапазоне 170% (67% — безоблачная атмосфера и 103% — облака) энергии от
первичного солнечного излучения. Если сопоставить излучаемую атмосферой энергию
равновесному
излучению некоторого эквивалентного черного тела, то аналогично для оценки
температуры получим соотношение вида (12.3) с дополнительным множителем 1,71/4
= 1,14, что соответствует Т = 290 К. Конечно, атмосфера и поверхность
Земли заметно отражают падающее на них излучение, т. е. являются не абсолютно
черными, а «серыми» телами, однако при сопоставлении с излучением некоторого
эквивалентного черного тела это учитывается соответствующим коэффициентом
серости. Полученные оценки довольно близки к реальным средним температурам атмосферы
и поверхности Земли. Для более точного анализа необходим учет многих факторов,
в частности, неравновесности излучения Земли и атмосферы, процессов переноса излучения,
тепла, импульса и т. д.
Проблемы анализа динамики атмосферы и океана, предсказания погоды и
климата представляют собой сложный комплекс физических и математических задач.
Ранее прогнозы погоды основывались, как правило, на экстраполяции уже
зарегистрированных данных. Метеорологи анализировали карты погоды, эволюцию
областей высокого и низкого давления, движение и развитие фронтов, распространение
облачности и другие подобные факторы и на этой основе давали прогноз. Искусство
прогнозирования погоды состоит в учете многих факторов и возможности
предвидения изменения состояния атмосферы. В истории метеорологии известно
немало лиц, обладавших уникальными способностями в прогнозировании погоды. На
основе накопленного опыта они могли определять, как будет в последующие дни
меняться давление, положение фронтов и температура. Однако опыт выдающихся
прогнозистов практически не передается последующим поколениям метеорологов.
В противоположность этому искусству метеорологов прошлого
современная наука прогнозирования основывается на использовании математических
моделей атмосферы и океана, поэтому используемые метеорологами современные
методы называются численными методами прогноза погоды. Реализация подобных
численных методов прогноза погоды стала возможной с 50-х годов XX в., когда появились соответствующие
электронно-вычислительные машины. Прогноз состояния атмосферы в данном месте на
срок до трех суток осуществляется путем интегрирования уравнений движения и
переноса в атмосфере. В таком временном интервале атмосферные процессы можно
считать адиабатическими, т.е. пренебрегать притоком энергии извне и диссипацией
энергии за счет вязкости. По известному начальному состоянию
атмосферы
рассчитываются временные и пространственные изменения. Поэтому для точного
прогноза погоды необходима детальная и точная информация о начальном состоянии
атмосферы. Требуемые исходные данные поставляет, главным образом, мировая сеть
метеостанций и сеть станций радиозондирования атмосферы. Высотные радиозонды,
запускаемые на воздушных шарах на высоты до 35 км измеряют температуру,
давление, влажность воздуха и передают эту информацию по радио, кроме того, с
Земли определяется и скорость ветра по положению радиозонда в пространстве.
Станции радиозондирования расположены в основном в экономически развитых
странах и отстоят друг от друга на расстояния порядка сотен километров. С
начала 60-х годов регулярно запускаются метеорологические спутники, которые
регистрируют распределения метеорологических параметров, осуществляют съемки
распределений облаков, циклонических систем и т. п. Особо ценны спутниковые
данные над океанами, где сеть метеорологических пунктов и станций
радиозондирования весьма разрежена. В соответствии с разработанными Всемирной
метеорологической организацией международным соглашением метеорологические
данные со всего мира передаются в мировые центры данных в Москве, Вашингтоне и
Мельбурне, а также во все национальные метеорологические учреждения.
Отметим, что ошибки, которые неизбежно вносятся в математическую
модель, главным образом из-за неточности измерений, в процессе расчета имеют
тенденцию к росту. Поэтому при расчете параметров состояния атмосферы на неделю
или более ошибки, как правило, становятся столь большими, что исчезает
возможность прогноза. Для предсказания на длительные сроки температуры,
усредненной по времени и пространству, детерминированное описание не дает хороших
результатов, и в этих случаях используются статистические методы прогноза,
основанные на представлении о линейной регрессии. На возможность того, что
малые возмущения начального состояния атмосферы могут привести со временем к
существенным изменениям конечного состояния атмосферы и создать проблему
предсказуемости, указывал А. Н. Колмогоров более 40 лет назад в следующей
образной форме: «Представим себе две одинаковые планеты с совершенно
идентичными состояниями атмосферы. Если на одной из них выйти на крыльцо и
махнуть платком, а на другой этого не сделать, то через какое-то время погода
на этих планетах станет совершенно различной».
В
определенном смысле, еще более сложной проблемой является проблема анализа и
предсказания климатических изменений. Если в случае предсказания погоды
существует возможность постоянного сравнения «теории» (результатов численных
расчетов) с «практикой» и последующей корректировки методов прогноза, то для
предполагаемых климатических изменений на протяжении десятков, сотен и более
лет такая возможность существенно ограничена. Земная климатическая система
включает в себя все основные геосферы: атмосферу, гидросферу, литосферу,
криосферу и биосферу. Следует отметить сложность структуры и взаимосвязей в
земной климатической системе, ее неоднородность, нелинейность и
нестационарность.
Облака атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации
водяного пара в виде огромного числа мельчайших капелек воды или
кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у
земной поверхности называется туманом. облака — существенный
погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на
тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. облака покрывают в среднем около половины
небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 109 т воды.
Облака являются важным звеном влагооборота на Земле, они могут
перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы
воды.
Образование облаков
связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью.
Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер
конденсации, обеспечивает появление зародышевых капель уже при достижении
насыщения. Условия же насыщения создаются в результате охлаждения воздуха,
вызванного, например, расширением его при упорядоченном подъеме на фронтах
атмосферных (так образуются облака Ns и системы Ns—As—Ac), при
неупорядоченном турбулентном перемешивании или волновых движениях (St, Sc, Ac),
при конвективном подъеме (Cu, Cu Cong, Cb), при отекании горных препятствий
(Ac) и др. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к появлению избыточного пара,
который поглощается растущими каплями. Т. о., первоначально капли растут
преимущественно за счёт конденсации водяного паратмосфера Затем по мере их
укрупнения, всё большую роль начинают играть процессы столкновения и слияния
капель друг с другом (т. н. коагуляция облачных элементов).
Коагуляционный механизм — основной механизм роста облачных капель радиусом
более 30 мкм. При отрицательных температурах облака могут быть капельные
(переохлажденные), кристаллические или смешанные, т. е. состоящие из капель и
кристаллов. Малые размеры облачных капель позволяют им долго сохраняться в
жидком виде и при отрицательных температурах. Так, при —10 °С облака в половине
случаев капельные, в 30% — смешанные и лишь в 20% кристаллические.
Переохлажденные же капли в облака встречаются вплоть до —40 °С. Пересыщение над
кристаллами значительно больше, чем над каплями (насыщающая упругость водяного
пара над льдом ниже, чем над водой), благодаря чему в смешанных О. кристаллы
растут значительно быстрее капель, что способствует выпадению осадков.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |