Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Скорость ветра

Скорость ветра измеряют анемометром. В этом приборе несколько чашечек надето на вертикальную ось. Под действием ветра чашечки поворачиваются и заставляют вращаться эту ось, а ее движение в свою очередь передается на стрелки, с помощью которых производят отсчеты по шкалам прибора. В некоторых анемометрах чашечки при вращении вырабатывают слабый электрический ток. Этот ток затем тоже передается на стрелки указателей скорости ветра, находящихся в помещении станции.

В тех случаях, когда флюгарка и анемометр объединены в один прибор, он называется анеморумбометром. Он имеет флюгарку в виде воздушного руля, указывающую направление ветра и снабженную пропеллером, который позволяет измерить скорость ветра.

Существуют также приборы для непрерывной записи скорости ветра. В таких приборах соответствующим образом откалиброванный указатель перемещается по ленте, надетой на вращающийся барабан. Одновременно записывается также и направление ветра.

Самые надежные отсчеты направления и скорости ветра получаются в случае, когда измерительный прибор установлен на достаточном расстоянии от строений и других высоких препятствий, т. е. когда исключено их влияние на воздушный поток, выражающееся в создании турбулентных завихрений. Высота установки прибора должна составлять около 2 м.

Остается добавить, что скорость ветра изменяется с высотой: с увеличением высоты над земной поверхностью уменьшается влияние силы трения на воздушный поток и скорость ветра возрастает. Уже на высоте 10 м скорость ветра примерно вдвое больше, чем на высоте 1/3 м над земной поверхностью. На высоте же 30 м скорость в 1,2 раза больше, чем на высоте 10 м. Кроме того, с высотой обычно несколько уменьшается завихренность воздушного потока.

Для измерения ветра на различных высотах используются анемометры с барометрической трубкой, поднимаемые в атмосферу с помощью тех или иных устройств). Барометрическая трубка заполняется жидкостью, в которой плавает небольшая пробка. Когда в трубку попадает ветер, пробка меняет свое положение в жидкости, что и позволяет определить скорость ветра. Этот же прибор можно приспособить и для непрерывной записи изменений скорости ветра.

Измерение влажности воздуха

Влажность воздуха измеряют различными методами. Такие величины, как удельная влажность, относительная влажность и точка росы, измеряются неодинаково. Простейшее измерение точки росы можно выполнить с помощью обыкновенной чашки, наполненной льдом. Как все мы знаем, в очень влажный день на стакане с холодной водой конденсируется пар из воздуха и мы видим, что стакан „запотевает". Температуру, при которой начинается конденсация пара, можно определить очень просто, без выполнения сложных расчетов.

Смесь льда с водой помещают в блестящую металлическую чашечку. Содержимое чашечки тщательно размешивают и замечают ту температуру, при которой на наружных стенках чашечки начинается конденсация водяного пара. Несколько таких измерений позволяют получить довольно точное значение точки росы в данный момент и в данном месте.Влажность измеряют несколькими приборами. Один из самых обычных способов определения относительной влажности состоит в том, что находят ее по измеренному значению точки росы. Для измерения относительной влажности применяется также пращевой психрометр. Он состоит из двух термометров — сухого и смоченного. Сухой термометр показывает температуру воздуха. Смоченный термометр, резервуар которого обернут влажным батистом, дает показание, которое, в зависимости от влажности воздуха, может быть меньше показания сухого термометра или равняться ему. Если быстро вращать весь прибор в воздухе, испарение с поверхности батиста на смоченном термометре будет определяться влажностью воздуха. Сравнение показаний двух термометров позволит найти их разность. С помощью заранее подготовленных таблиц по этой разности находят относительную влажность воздуха.Влажность можно измерять и другими специальными приборами.

Принцип действия гигрометров, позволяющих непосредственно получать значения относительной влажности, основан на свойстве некоторых предметов реагировать на изменение влажности воздуха. В некоторых гигрометрах используется пучок волос, например, человеческих. Если влажность воздуха увеличивается, пучок волос  удлиняется.  Волосы очень чувствительны к изменению влажности, что, к своему огорчению, знает большинство женщин. Пучок волос прикрепляется к стрелке, которая перемещается вдоль отградуированной шкалы. В других гигрометрах электрический ток течет по проводнику, который поглощает водяной пар из воздуха. При этом меняется сопротивление проводника. Поэтому сила тока в проводнике изменяется, когда изменяется влажность воздуха.

Измерение осадков

Количество выпадающих осадков измеряют различными дождемерами. В одном из таких приборов используется открытый металлический држдемерный сосуд диаметром 20—25 см. Сосуд градуируется с помощью находящегося в нем стержня. Выпадающие осадки улавливаются сосудом, а выооту выпавшего слоя их легко определить по делениям измерительного стержня. Для различных специальных целей применяют дождемеры слегка измененной конструкции. Весовые дождемеры снабжены взвешивающим устройством, улавливающим выпадающие осадки и позволяющим получить сумму осадков для заданного района. Другой вариант дождемера имеет два поочередно действующих сосуда диаметром по 0,25 м каждый. Когда один сосуд наполняется, он наклоняется и собранные им осадки выливаются. Автоматически начинает действовать второй сосуд. Число сливов каждого сосуда прибор автоматически записывает. Запись количества выпавших осадков производится с помощью плювиографа. В некоторых плювиографах используется лишь один опрокидывающийся сосуд.

Количество выпавшего снега измеряется аналогичным способом, с той лишь разяицей, что выпавшему снегу сначала дают растаять. В качестве обычного эмпирического правила можно считать, что 25 см снега соответствует 2,5 см дождя.

Метеорологические измерения в высоких слоях атмосферы

Изучая физические свойства атмосферы, метеорологи исследуют явления, происходящие на всех высотах. Исходные данные, используемые в этих исследованиях, были бы недостаточными, если бы они ограничивались только нижним слоем атмосферы высотой несколько сотен метров. Кроме того, долгосрочные прогнозы погоды, а также теории, относящиеся к формированию воздушных масс и к их изменениям, опираются на данные, охватывающие не только отдельные местности, но и весь земной шар, а также длительные отрезки времени.

В настоящее время для многих районов имеются ряды надежных метеорологических наблюдений за периоды около 100 лет. Для некоторых же местностей результаты наблюдений накоплены лишь за последние 25 лет. В сбор метеорологических данных внесло свой вклад много людей. Специализированные метеорологические станции иногда пополняют собираемые ими данные путем использования сведений, полученных другими организациями. Кроме того, большой объем данных ежедневно поступает в национальную службу погоды США от добровольных метеонаблюдетелей. Все же основную часть наблюдений выполняют метеорологи-профессионалы, и именно от их творческой инициативы и опыта зависит расширение путей и способов дальнейшего накопления метеорологической информации.

Самой трудной задачей для метеорологов все еще остается получение данных о высоких слоях атмосферы. Разработано много способов сбора этих данных. В прошлом метеорологические приборы поднимали на специальных воздушных змеях. Позднее начали использовать воздушные шары, затем метеорологические и геофизические ракеты, а теперь и спутники. Огромный вклад в расширение знаний об атмосфере внесла авиация, и, по-видимому, этот вклад еще увеличится в будущем, когда методы управления погодой усовершенствуются.

Шары-пилоты и шары-зонды

На протяжении многих десятилетий самым распространенным методом получения данных о высоких слоях атмосферы был метод шаров-пилотов, использовавшийся  с большим успехом. Большие эластичные оболочки, наполненные газом, поднимались за счет силы плавучести, действующей на газ, и переносились воздушными течениями. Движение шара-пилота тщательно прослеживается метеорологами. В дальнейшем к шару стали подвешивать металлический отражатель, позволявший наблюдать за полетом шара с помощью радиолокатора. Эти наблюдения дополнялись визуальным прослеживанием. Шары-пилоты обычно наполняли гелием и использовали для наблюдений на разных высотах. Для этого к ним подвешивали комплекты разных метеорологических приборов, дававших непрерывную запись значений многих физических характеристик воздуха на высотах. Другие шары-пилоты имели специальный регулировочный клапан, позволявший шару удерживаться на заранее заданной высоте, что давало метеорологам непрерывный ряд наблюдений за изменениями метеорологических величин на данной высоте. Некоторые шары-зонды оставались в воздухе по нескольку месяцев. Однако в большинстве случаев они применялись лишь для непродолжительных наблюдений. Наблюдения по приборам, поднимавшимся шарами-зондами, обычно проводились до высоты 8—9 км, хотя иногда эти приборы могли работать до высоты около 20 км.

С помощью шаров-зондов получали значения нескольких важных характеристик атмосферы. Скорость подъема шаров-зондов зависела от интенсивности восходящих движений в атмосфере. Скорость же горизонтального их полета и его высота могли быть использованы для определения других величин — например, высоты облаков.

Радиозонды

Аппаратура, поднимаемая шаром-зондом, состоит из миниатюрных электронных метеорологических приборов. Чаще всего эти приборы измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха. Полученные данные передаются по радио на наземную радиоприемную станцию. Пока приборы поднимаются, идет непрерывная передача данных на Землю. Затем, обычно на заранее заданной высоте, шар лопается и контейнер с приборами на парашюте опускается на Землю, после чего приборы можно использовать вновь. Такие радиозонды обычно дают точные показания до высоты около 30 км.

Используются и некоторые варианты этих устройств. Так, если к радиозонду прикрепить радиолокационный отражатель, кроме указанных выше величин, можно получить данные о направлении и скорости ветра на высотах, т. е. произвести не только обычное радиозондирование атмосферы, но и радиоветровое ее зондирование. Используются также сбрасываемые с самолета радиозонды, которые производят измерения во время падения на Землю.

Ракеты

Во время второй мировой войны с помощью метеорологических ракет начали получать данные с гораздо более значительных высот, чем раньше. Приборы, поднятые ракетами, дают точные данные для высот от 30 до 96 км. Ракета несет также источники питания, необходимые для работы приборов. Электронная аппаратура метеорологической ракеты может измерять и передавать на Землю сведения о давлении, температуре, ветре И других свойствах воздуха, например о его плотности, воздушных течениях и приходе солнечной радиации.

Использование ракет позволило уже к 1960 г. получить большое число различных данных о высоких слоях атмосферы. Распределение воздушных течений и ветра анализировалось с помощью облаков газообразного натрия, искусственно создававшихся ракетами. Пока такое облако опускалось циркуляцией воздуха на земную поверхность, наблюдатели анализировали его перемещение и по нему судили о соответствующих воздушных течениях.

Однако в дальнейшем предстоит провести ряд исследований, в которых ракеты будут играть еще более значительную роль. Необходимо изучить географическое и межсезонное изменение строения атмосферы и воздушных течений. Еще нет полных карт общей циркуляции атмосферы, приливо-отливных движений в ней и даже изменений ее температуры на высотах.

Задачи службы погоды

В настоящее время служба погоды выполняет много видов метеорологического обслуживания, а также исследовательских работ, Помимо метеорологических наблюдений, сбора и анализа данных, решаются также и следующие задачи:

  1. составляются и публикуются ежедневные, недельные и долгосрочные прогнозы погоды;
  2. из научных учреждений и с метеорологических станций собираются различные виды метеорологических данных, публикуются и распространяются среди заинтересованных организаций всего мира;
  3. подготавливаются и распространяются предупреждения о торнадо, тропических циклонах и других опасных метеорологических явлениях;
  4. служба участвует во многих международных мероприятиях, проводимых в целях дальнейшего изучения мировой погоды;
  5. служба проводит основные научные исследования по метеорологии. Под ее руководством осуществляется разработка новых и усовершенствование прежних метеорологических приборов. Она несет ответственность за публикацию всех видов данных, которые являются неотъемлемой частью обслуживания техническими средствами и оповещениями;
  6. разрабатываются и совершенствуются спутниковые наблюдения, численные методы прогнозов, синоптическая метеорология, анализ процессов в высоких слоях атмосферы.

Самой интересной задачей, которую решает национальная служба погоды для широких кругов населения, являются штормовые предупреждения об опасных явлениях погоды. В США имеются 4 центра предупреждений о тропических циклонах. Они связаны между собой телетайпными линиями. В этой работе участвуют как профессиональные метеорологи, так и добровольцы. Предупреждения о приближении тропического циклона выдаются не менее чем за 24 часа, и с этого момента начинается прослеживание его траектории со спутников. Эффективность этой работы видна хотя бы в том, что за последние годы резко уменьшилось число жертв тропических циклонов. Гибель людей теперь вызывают лишь немногие очень сильные тропические циклоны, хотя общее число таких циклонов, проходивших за это время, теперь исчисляется тысячами. Некоторые виды штормовых предупреждений относятся также к грозам и торнадо.

Программа «Неистовая буря», посвященная разработке методов искусственного воздействия на тропические циклоны, выполняется в сотрудничестве с военно-морскими оилами США. Осуществление этой программы началось 27 июля 1943 г., когда Дж. Дукворт совершил два полета непосредственно в глаз тропического циклона. Успех эксперимента положил начало авиационной разведке тропических циклонов. Сбор самолетных данных о тропических циклонах координируется национальным центром по их исследованию, входящим в систему службы погоды. Авиаразведка проводится в целях обнаружения тропических циклонов и прослеживания за их развитием, а также для проведения экспериментов по засеву облаков. Самолетные наблюдения дополняются работой радиолокационных станций, которые ведут слежение за приближающимися тропическими циклонами.

Предполагается, что кристаллы йодистого   серебра  могут   вызывать замерзание капель в облаках тропического циклона и что это иногда будет его ослаблять. Первый такой опыт был проведен в августе 1969 г. Йодистое серебро вводилось в облака, находившиеся на периферии тропического циклона Дебби—одного из самых разрушительных за последние годы. Засев производили в то время, когда этот тропический циклон еще находился в стадии усиления и располагался над Карибским морем. Хотя успех этого эксперимента и оказался ограниченным —сила циклона уменьшилась лишь на 10— 15%,— все же это был первый шаг на пути к управлению этими губительными атмосферными возмущениями.

Атмосферные фронты и воздушные массы

Как мы уже видели, атмосфера не однородна и свойства ее не всюду одинаковы. Наоборот, свойства воздушных масс, формирующихся в различных районах земного шара, более или менее постоянные в пределах одной массы, заметно различаются у разных масс. Из очагов зарождения воздушные массы перемещаются в районы, где условия значительно отличаются от тех, при которых формировалась данная масса.

Воздушная масса, формируясь в каком-то районе, постепенно приобретает свойства, характерные именно для него. Эти свойства определяются физическими параметрами данного района. Перемещаясь в другой район, воздушная масса непременно изменяет погоду и здесь.

Пока воздушная масса формируется, что обычно бывает над крупными водоемами или обширными однородными пространствами суши, свойства ее остаются приблизительно одинаковыми, что объясняется более или менее однородными свойствами той поверхности, над которой она формируется.

Классификация воздушных масс

Поскольку каждая воздушная масса сравнительно однородна, метеорологи создали классификацию, в которой выделили четыре главных типа воздушных масс, причем каждый тип подразделяется на подтипы. Классификация основана на физических свойствах рассматриваемых воздушных масс. Названия воздушным массам при классификации давались на основании климатических особенностей тех областей Земли, в которых формируются эти массы. Тем самым название каждой массы сразу дает некоторое указание на ее температуру и влажность.

Четыре главные воздушные массы, выделенные в рассматриваемой классификаций, таковы. Арктическая (А) и полярная (П) воздушные массы имеют низкую температуру и малую влажность. Разница между этими воздушными массами невелика, но она отражает некоторое различие тех очагов, в которых массы формируются. Тропическая (Т) и экваториальная (Э) воздушные массы — теплые и влажные. Разница между ними тоже невелика, но и она характерна для двух воздушных масс, сформировавшихся в разных очагах.


Воздушные массы, образовавшиеся в четырех главных очагах, отражаемых названиями этих масс, подразделяются далее в зависимости от вида поверхности, над которой они формировались. Различают массы континентальные (к), сравнительно сухие, сформировавшиеся над сушей, и морские (м) — сравнительно влажные за счет испарения с водоемов, над которыми они формировались.

Метеорологи используют еще и более детальное подразделение воздушных масс, которое уже не представляет особенно большого интереса для читателей данной книги. Отметим лишь те детали, которые будут встречаться при описании воздушных масс над США. Названия „теплая" (т) и „холодная" (х) указывают на тепловое состояние данной массы по сравнению с тепловым состоянием земной поверхности, над которой находится или двигается данная воздушная масса. Кроме того, названия „тихоокеанский воздух", „атлантический воздух" и „воздух Мексиканского залива" характеризуют основные водные бассейны, над которыми формируются воздушные массы, поступающие на территорию США.

Воздушные массы, встречающиеся в США, описаны ниже в связи с описанием климатических особенностей районов их формирования и вида поверхности, над которой они образуются. Поэтому мы используем эти признаки при рассмотрении воздушных масс на территории США. Такие же воздушные массы определяют характер погоды и в других районах земного шара. Климатические же условия, создающие весьма различную погоду в разных его частях, определяются такими факторами, как широта места, его близость или удаленность от крупных водоемов, характер ближайших морских течений, особенности окружающих районов суши.

Итак, основные воздушные массы, встречающиеся на Земле, формируются в четырех главных очагах. В каждом очаге формируется воздушная   масса, обладающая  своими особыми физическими свойствами, приобретенными ею при взаимодействии с местными источниками тепла, влаги и т. д.

В районах северного и южного тропиков формируются две основные воздушные массы: над континентами — континентальный тропический воздух (кТ), над океанами — морской тропический (мТ). Сухой горячий континентальный воздух является главной причиной возникновения многих пустынь в субтропических широтах нашей планеты. В поясе пассатов формируется теплый и влажный морской экваториальный воздух (мЭ). В этом поясе мало суши, несмотря на это он оказывает на развитие атмосферных процессов не меньшее влияние, чем континентальные районы. В северных районах Атлантического и Тихого океанов формируются воздушные массы третьего типа. Это — прохладный и влажный морской полярный воздух (мП) и холодный и сухой континентальный полярный воздух (кП), формирующийся в поясе 55—65° с. ш.