Оптические явления в атмосфере
Атмосфера представляет собой мутную, оптически неоднородную среду. Оптические явления – это результат отражения, преломления и дифракции световых лучей в атмосфере.
В зависимости от причин возникновения все оптические явления делят на четыре группы:
1) явления, обусловленные рассеиванием света в атмосфере (сумерки, заря);
2) явления, обусловленные преломлением световых лучей в атмосфере (рефракцией) – миражи, мерцание звезд и др.;
3) явления, обусловленные преломлением и отражением световых лучей на каплях и кристаллах облаков (радуга, гало);
4) явления, обусловленные дифракцией света в облаках и тумане – венцы, глории.
Сумерки обусловлены рассеиванием солнечного света в атмосфере. Сумерки – это переходный период ото дня к ночи (вечерние сумерки) и от ночи ко дню (утренние сумерки). Вечерние сумерки начинаются с момента захода Солнца и до наступления полной темноты, утренние – наоборот.
Продолжительность сумерек определяется углом между направлением видимого суточного движения Солнца и горизонтом; таким образом, продолжительность сумерек зависит от географической широты: чем ближе к экватору, тем короче сумерки.
Различают три периода сумерек:
1) гражданские сумерки (погружение Солнца под горизонтом не превышает 6о) – светло;
2) навигационные (погружение Солнца под горизонтом до 12о) – условия видимости сильно ухудшены;
3) астрономические (погружение Солнца под горизонтом до 18о) – у земной поверхности уже темно, но на небе еще заметна заря.
|
|
|
Заря – совокупность красочных световых явлений в атмосфере, наблюдаемых перед восходом Солнца или при его заходе. Разнообразие красок зари зависит от положения Солнца относительно горизонта и от состояния атмосферы.
Цвет небесного свода определяется рассеянными видимыми лучами Солнца. В чистой и сухой атмосфере рассеивание света происходит по закону Рэлея. Синие лучи рассеиваются примерно в 16 раз сильнее, чем красные, поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) – синий (голубой), а цвет Солнца и его лучей у горизонта – красный, т.к. свет в этом случае проходит больший путь в атмосфере.
Большие частицы в атмосфере (капли, пылинки и т.п.) рассеивают свет нейтрально, поэтому облака и туман имеют белый цвет. При большой влажности, запыленности весь небосвод становится не голубым, а белесоватым. Следовательно, по степени синевы неба можно судить о чистоте воздуха и о характере воздушных масс.
Атмосферная рефракция – атмосферные явления, связанные с преломлением световых лучей. Рефракцией обусловлены: мерцание звезд, сплющивание видимого диска Солнца и Луны у горизонта, увеличение продолжительности дня на несколько минут, а также миражи. Мираж – это видимые мнимые изображения на горизонте, над горизонтом или под горизонтом, обусловленные резким нарушением плотности слоев воздуха. Различают нижние, верхние, боковые миражи. Редко наблюдаются движущиеся миражи – «фата-моргана».
|
|
|
Радуга – это светлая дуга, окрашенная во все цвета спектра, на фоне освещенного Солнцем облака, из которого выпадают капли дождя. Внешний край дуги красный, внутренний – фиолетовый. Если Солнце стоит низко над горизонтом, то мы видим лишь половину окружности. Когда Солнце находится высоко, то дуга становится меньше, т.к. центр окружности опускается за горизонт. При высоте Солнца больше 42о радуга не видна. С самолета можно наблюдать радугу почти полного круга.
Радуга образуется при преломлении и отражении солнечных лучей в капельках воды. Яркость и ширина радуги зависит от размеров капелек. Крупные капли дают менее широкую, но более яркую радугу. При мелких каплях она почти белая.
Гало – это круги или дуги вокруг Солнца и Луны, возникающие в ледяных облаках верхнего яруса (чаще всего в перисто-слоистых).
Венцы – светлые, слегка окрашенные кольца вокруг Солнца и Луны, возникающие в водяных и ледяных облаках верхнего и среднего ярусов, обусловленные дифракцией света.
|
|
|
Атмосферные осадки
Атмосферными осадками называют капли воды и кристаллы льда, выпадающие из атмосферы на земную поверхность. За год на земную поверхность выпадает в среднем 510 тысяч км2 осадков (это слой воды около 1 м) и испаряется тоже около 510 тысяч км2, т.е. водный баланс Земли равен 0.
Почти половина всех осадков выпадает между 20о северной и южной широты (экваториальные и субэкваториальные широты). На полярные широты приходится всего 4% осадков.
Различают твердые, жидкие и смешанные осадки. Твердые осадки: снег (снежные кристаллы – звездочки или хлопья), снежная крупа (непрозрачные сферические крупинки белого цвета), ледяная крупа (ледяные прозрачные крупинки), град (кусочки льда различной формы и размеров, состоящие из непрозрачного ядра, которое окружено несколькими ледяными оболочками). Жидкие: дождь (капли имеют диаметр 0,5-7 мм), морось (капли с диаметром 0,05-0,5 мм). Смешанные: мокрый снег и снег с дождем.
По физическим условиям образования и характеру выпадения выделяют осадки: ливневые – выпадают на малой площади, имеют большую интенсивность; обложные – выпадают на большой площади, имеют среднюю интенсивность; моросящие – осадки малой интенсивности, выпадающие на большой площади.
|
|
|
По синоптическим условиям образующиеся осадки можно разделить на:
1) внутримассовые – возникают внутри однородной воздушной массы:
- ливневые (конвективные) – в холодном воздухе;
- моросящие – в теплом воздухе.
2) фронтальные – образуются на границе атмосферных фронтов:
- обложные – для теплого фронта;
- ливневые – для холодного фронта, с последующим переходом в
обложные.
3) орографические – наблюдаются в горах.
По интенсивности выпадения, т.е. количеству мм осадков в 1 мин., различают осадки слабые, умеренные и сильные (более 1 мм в мин. – ливень).
Атмосферные осадки образуются в облаках, особенно благоприятные условия для возникновения осадков имеются в облаках, неоднородных по своей структуре, и в облаках вертикального развития, где в нижней части – капли воды, а в верхней – кристаллы льда. Чтобы достичь размеров, достаточных для выпадения из облака, облачные элементы (частицы) должны укрупняться. Укрупнение облачных элементов может происходить при конденсации и при слиянии (в результате столкновений), т.е. коагуляции (под действием mg; хаотического теплового движения; турбулентного движения).
При температуре больше 0о выпадают жидкие осадки, при температуре меньше 0о – твердые. Град образуется в мощных «Св» при неоднократном поднятии и опускании частиц облака.
Максимум осадков над континентом приходится на послеполуденные часы, а минимум – на ночные. Над морями ночью осадков выпадает больше, чем днем.
Годовой ход осадков зависит от географической широты:
1) экваториальные широты – здесь осадки равномерны в течение всего года; наблюдаются два максимума – в конце марта и в конце сентября, и два минимума – в дни солнцестояний; в экваториальных широтах выпадает очень много осадков - до 3000 мм и более;
2) субэкваториальные широты – здесь есть два сезона: сухой и влажный; осадков выпадает 500-1500 мм, причем почти все - во влажный сезон;
3) тропические широты – осадков выпадает очень мало; максимум их приходится на лето, остальное время – сухо; годовая сумма менее 100 мм;
4) субтропические широты – здесь засушливое лето и влажная зима (в муссоновых областях наоборот);осадков выпадает в среднем 600-800 мм;
5) умеренные широты – над континентом большая часть осадков выпадает летом, над океаном – зимой; количество осадков изменяется от 1500 мм над океаном и вблизи океана до 200-300 мм во внутренних районах материков;
6) субполярные и полярные широты – осадков здесь выпадает мало, большая часть – летом, в среднем 100-300 мм.
На распределение осадков, кроме географической широты, влияют также циркуляция атмосферы, рельеф, океанические течения, характер подстилающей поверхности.
Максимальное среднегодовое количество осадков выпадает на западных склонах экваториальных Анд и на наветренных склонах Гавайских островов – более 12000 мм в год, минимальное – в тропических пустынях (на северо-западе Сахары менее 1 мм в год).
Круглый год в полярных широтах и зимой в умеренных широтах в результате выпадения твердых осадков образуется снежный покров. В умеренных широтах он может лежать от 1 до 8 месяцев. Снег может выпадать и в субтропических широтах, например, на севере Средиземноморья, юге Китая. В южном полушарии, кроме Антарктиды, снежный покров не образуется, хотя снег может быть на юге Южной Америки, в горах Австралии и даже на юге Африки.
Снежный покров имеет большое значение в географической оболочке. Он выхолаживает приземные слои, т.к. имеет большое альбедо, предохраняет почву от глубокого промерзания, аккумулирует влагу, влияет на ареалы распространения некоторых видов животных.
Для оценки условий увлажнения вводят коэффициент увлажнения:
r
k = ---, где r – годовая сумма осадков, Е – испаряемость за год.
Е
Если k<1, то увлажнение считается недостаточным, если k=1 – нормальным, если k>1 – избыточным.
Увлажнение характеризуется также радиационным индексом сухости:
R
K = ----- - отношение годового радиационного баланса к сумме тепла, не-
L • r
обходимой для испарения годового количества осадков. R – радиационный баланс, r – годовая сумма осадков, L – скрытая теплота парообразования.
Атмосферное давление и ветры
Атмосферное давление – это движение молекул воздуха и его собственная масса. Атмосферное давление огромно, но мы его не ощущаем, т.к. наш организм, как и другие живые организмы на Земле, приспособлен к нему.
До XVII в. о существовании атмосферного давления было неизвестно. Впервые атмосферное давление обнаружил итальянский физик Э.Торичелли.
Нормальным атмосферным давлением считается давление 760 мм ртутного столба (или 1013 гПа) при 0оС, на уровне моря, на широте 45о. 1 мм рт.ст. = 1,33 гПа = 1,33 мб; 1гПа = 1мб = 0,75 мм рт.ст.
Атмосферное давление убывает с высотой, т.к. с высотой становится меньше воздуха. Барометрическая ступень – расстояние по вертикали, на котором давление уменьшается на 1 мм. На каждые 10,5 м давление падает на 1 мм. На высоте 5 км атмосферное давление меньше в 2 раза, чем на уровне моря; на высоте 10 км – в 4 раза; на высоте 15 км – в 8 раз. Атмосферное давление на уровне моря может изменяться от 670 мм рт.ст. до 830 мм рт.ст. (На территории нашей области – от 710 до 780 мм рт.ст.).
Распределение давления в атмосфере наглядно можно показать с помощью изобарических поверхностей (все точки этих поверхностей имеют одинаковое давление) и изобар (изобары – это линии, все точки которых имеют одинаковое давление).
Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре называется барическим минимумом. Система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре называется барическим максимумом. Незамкнутая система изобар, соответствующая вытянутому языку пониженного давления, называется барической ложбиной. Незамкнутая система изобар, соответствующая вытянутому языку повышенного давления, называется барическим гребнем.
Изменение давления в горизонтальном направлении характеризуется барическим градиентом. Барический градиент – это изменение давления на единицу расстояния в сторону уменьшения давления. За единицу расстояния принимается 100 км.
Рассмотрим барические ситуации зимой и летом на Земле.
Вянваре. На экваторе – зона пониженного давления – экваториальная депрессия. В южном полушарии над океанами барический максимум: Южноиндийский, Южнотихоокеанский, Южноатлантический, над материками – области пониженного атмосферного давления (барический минимум): Южноамериканский, Южноафриканский, Австралийский. Над Антарктидой – барический максимум. В северном полушарии барический максимум над океанами: Азорский, Гавайский, – они объединяются с обширными максимумами над Азией (Азиатский максимум) и Северной Америкой (Канадский максимум). Над океанами в умеренных и субполярных широтах барический минимум: Исландский и Алеутский. Над Арктикой – барический максимум.
В июле . Экваториальная депрессия несколько смещается в северное полушарие. Азорский и Гавайский максимумы также смещаются к северу и усиливаются. Над материками северного полушария барический минимум: Южноазиатский и Мексиканский, которые объединяются с сильно ослабленными Алеутским и Исландским минимумами, образуя сплошную полосу низкого давления. В южном полушарии наблюдаются максимумы: Южно-Тихоокеанский, Южно-Индийский, Южно-Атлантический, Австралийский. Над Антарктидой – барический максимум.
Атмосферное давление на Земле непрерывно изменяется. Оно изменяется в результате перемещений воздуха: оттока его из одного места и притока в другое. Перемещения эти связаны с различиями в плотности воздуха, возникающими при неравномерном нагревании его от подстилающей поверхности. Неравномерное нагревание поверхности в конечном итоге приводит к движению воздуха, его циркуляции.
Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Ветер характеризуется скоростью, силой и направлением. Скорость (v) измеряется в м/с или км/ч, а также в баллах (по шкале Бофорта – от 0 до 12 баллов). Для определения скорости ветра применяют анемометр и другие приборы. Средняя скорость ветра у земной поверхности составляет 5-10 м/с.
Сила ветра (Р) измеряется в кг/м2. Она зависит от скорости ветра: Р=0,25v2, т.е. сила ветра – это давление движущегося воздуха на предметы.
Скорость ветра зависит от барического градиента: чем больше барический градиент, тем больше скорость ветра. Замедляет скорость ветра трение о земную поверхность и плотность воздуха, поэтому с высотой ветер усиливается.
Максимальная скорость ветра в приземном слое наблюдается в среднем через 1-2 часа после полудня, минимальная – ночью. В высоких слоях атмосферы – наоборот.
Наибольшая среднегодовая скорость ветра фиксируется на побережье Антарктиды – около 20 м/с. В тропических ураганах максимальное значение скорости ветра может быть 100 м/с.
Направление ветра определяется положением той точки горизонта, от которой дует ветер. Для обозначения направления ветра в практике горизонт делят на 8 румбов (румб – это направление к точке видимого горизонта относительно сторон света). Главные румбы: север, юг, запад и восток. Направление ветра выражают и азимутом – от 0о до 360о. Определяют направление ветра по флюгеру. Направление ветра зависит от направления барического градиента, Кориолисовой силы, трения, центробежной силы.
В барических минимумах (циклонах) воздух движется против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке - в южном, с отклонением к центру. В барических максимумах (антициклонах) этот процесс происходит наоборот, с отклонением к периферии. В 1-ом случае (циклоне) стекающий со всех сторон воздух сходится в центре (конвергенция) и поднимается. Во втором (антициклон) воздух растекается от центра (дивергенция) и опускается.
Зная закономерности возникновения ветра, можно по направлению его судить о расположении областей повышенного и пониженного давления. Для этого существует барический закон ветра (закон Бейс-Баллоте): если встать спиной к ветру, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, наиболее высокое – справа и несколько сзади (это справедливо для северного полушария, для южного – наоборот).
Наглядное представление о режиме ветра за несколько лет, за год, за сезон, за месяц дают диаграммы – розы ветров.
С зональным распределением давления связана зональность господствующих ветров.
Господствующим направлением в тропосфере является западный перенос. Он согласуется с вращательным осевым движением Земли. Западные ветры преобладают в умеренных широтах.
Ветры, которые дуют из полярных областей в умеренные и из тропических широт к экватору, имеют северо-восточное и юго-восточное направление (для каждого полушария соответственно).
Ветры, дующие от тропических широт к экватору, называются пассатами. В северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в южном – юго-восточное. Пассаты несут тропический воздух. Их скорость составляет около 5-8 м/с. Ветры пассаты сходятся у экватора. В области их сходимости возникают сильные восходящие токи воздуха, способствующие образованию мощных Си и Св облаков и выпадению обильных дождей.
В полярных широтах и приземных слоях тропосферы господствуют восточные ветры, над которыми в верхних слоях существует западный перенос.
С различиями в нагревании и охлаждении материков и океанов связано возникновение муссонов. Муссоны – это ветры, меняющие свое направление два раза в год на противоположное. Муссоны характерны для восточных окраин материков. Зимний муссон, когда дует с суши, совпадает с западным переносом. Летний муссон нарушает западный перенос. Муссоны распространены в умеренных, субтропических, тропических и субэкваториальных широтах.
Итак, господствующими ветрами на Земле являются пассаты, муссоны, западные ветры умеренных широт, ветры восточных направлений полярных широт. Существуют еще местные ветры:
1. Бризы – ветры, возникающие на берегах крупных водоемов (морей, озер, рек) и меняющие свое направление на противоположное в течение суток. Днем бриз дует с водоема на сушу, ночью наоборот. Скорость дневного бриза может быть до 7 м/с, а полоса распространения вглубь континента до 100 км (для океанического и морского побережья). В тропическом поясе бризы наблюдаются весь год, в умеренных и полярных широтах – только летом и в ясную погоду.
2. Горно-долинные – ветры, возникающие в горной местности и меняющие свое направление на противоположное в течение суток. Ночью воздух движется вниз по склону к долине, а днем наоборот.
3. Фен – теплый, сухой и порывистый ветер с гор. Фен широко распространен в горных районах. В Средней Азии его называют «афганец», в Северной Америке – «чинук», на о.Суматра – «бахарок», на юге Средиземноморья – сирокко и т.д. Его скорость от 0 до 20 м/с.
4. Бора – холодный, сильный ветер с гор, дующий в сторону моря. Бора часто наблюдается на побережье Черного моря, Новой Земле, на Байкале, на побережье Антарктиды и в других местах. Скорость этого ветра до 40 м/с.
5. Стоковые (ледниковые) – холодные ветры, дующие с поверхности ледника (в Антарктиде и др.).
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 738; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!