Страница 18 из 43
Нельзя однозначно сказать, что более холодный воздух имеет меньшую плотность, а более теплый - большую. Однако однозначно, что при расширении или сжатии температура воздуха изменяется. Процесс, когда изменяется температура без отдачи или поглощения тепла называется адиабатическим.
Вода постоянно и сильно влияет на погоду, так как она занимает большие площади и присутствует в воздухе в качестве паров и как облака. Полное количество водяных паров, находящихся в атмосфере, более чем в 6 раз превышает количество воды во всех реках земного шара! Водяные пары образуются из открытых водоемов, и туда же возвращаются.
Водяные пары - это газообразная фаза воды, а облака состоят из мельчайших капелек воды, которые конденсируются из пара. Условие образование облаков из пара называется точкой росы. Точка росы для данной порции воздуха дается как температура, и зависит от его влажности.
Абсолютная влажность измеряется как количество паров воды в данном объеме воздуха (г/м3). Она изменяется от 1/10000 до 1/40 в зависимости от испарений и температуры. Относительная влажность измеряется в процентах как отношение фактического содержания водяных паров в воздухе к максимально возможному при данной температуре. В теплом воздухе может содержаться больше водяных паров, чем в холодном. Поэтому, при одной и той же абсолютной влажности, у теплого будет меньшая относительная. Следовательно, относительную влажность воздуха можно увеличить путем его охлаждения. Если воздух остыл достаточно и его относительная влажность приближается к 100%, то начинают формироваться облака. Температура, до которой остыл этот воздух, называется точкой росы.
Зимой холодный воздух всегда более близок к насыщению, чем летом, потому, что он может растворить меньшее количество паров. Поэтому зимой, в основном, большее количество облаков, более быстрое выпадение осадков и более низкая база облаков.
Свойства водяных паров подниматься и расширяться, обмениваясь теплом с атмосферой очень важны для погодных процессов. Каждая тонна воды в процессе конденсации выделяет почти 600 000 Ккал. Эта энергия является главной движущей силой грозовых фронтов, ураганов, штормов и других процессов, связанных с сильными ветрами.
Влажный воздух легче сухого, как это ни парадоксально звучит. Вес водяных паров составляет около 5/8 от веса сухого воздуха (два атома водорода и один атом кислорода сравнимы по массе с двумя атомами азота или двумя атомами кислорода). В результате влажный воздух поднимается над сухим. Это свойство важно для прогрессирования термической и грозовой активности.
Солнечное тепло
Солнечное тепло - одна из двух причин движения воздуха в атмосфере (вторая - гравитация). Солнечная радиация не нагревает воздух сама по себе, она нагревает землю, которая передает тепло нижним слоям атмосферы. Большая ее часть проходит сквозь воздух. То, что останавливается в воздухе, нагревает его только на 0.2 - 0.5 градуса
Цельсия за день в зависимости от количества водяных паров и загрязнения атмосферы. Много лучей поглощается или отражается назад от облаков. Земли достигает около 43%. Их судьба зависит от того, куда они попадут. Склоны, ориентированные на юг поглощают больше тепла, чем горизонтальная поверхность (в северном полушарии), а особенно, чем северные склоны. Вогнутые поверхности поглощают больше тепла, чем плоские или выпуклые. Деревья и трава отражают зеленый свет, в то время как песок - около 20% достигающей его радиации. Снег и лед отражают от 40 до 90%, а темные поверхности, такие, как вспаханные поля или асфальтовые площадки - только 10-15%.
Вся радиация, которая достигает земли, включается в процесс нагрева. Некоторое количество тепла распространяется вглубь земли, остальное работает на нагрев атмосферы, когда тепло распространяется в ней путем конвекции. Часть тепла идет на нагрев воды, которая позже отдает его в атмосферу, как водяные пары, конденсирующиеся в облака.
Поверхность земли влияет на то, как тепло поглощается и отдается в воздух. Например, теплый песок легко отдает тепло, в то время, как вода прогревается глубоко и не отдает тепло, пока температура не поднимется до определенной величины. В основном воздух нагревается от наиболее прогретой поверхности земли.
Атмосфера
Как уже упоминалось, воздух нагревается от земли. С высотой уменьшается плотность атмосферы. Комбинация этих двух факторов создает нормальную ситуацию с более теплым воздухом у поверхности и постепенно охлаждающимся с увеличением высоты. Эта ситуация называется градиентом температуры. Стандартный градиент (СГ) (или градиент "нормальной" атмосферы) предполагает уменьшение температуры на 2 градуса Цельсия каждые 300 метров увеличения высоты. Теперь посмотрим на более реальные ситуации в ночное и дневное время. Ночью видно, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи. Приземная инверсия может распространяться вверх до 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как при СГ. Воздух в инверсионном слое стабилен. (Об этом понятии немного ниже).
Дневная ситуация выглядит по-другому. Здесь воздух у земли более теплый, чем на СГ. Это связанно с солнечным прогревом воздуха. Градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.
Стабильный воздух - это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как показано на рисунке.
С подъемом он расширяется, и давление в нем уменьшается. Это давление изменяется примерно линейно до высоты 3000 м. И приводит к охлаждению воздушного пузыря примерно на 1 градус Цельсия каждые 100 метров подъема.
Норма охлаждения поднимающегося воздуха 1°С/100 м называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому, что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому, что они не конденсируются. Адиабатический, потому, что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальности некоторый теплообмен имеет место, но он обычно ограничен и незначителен.