Структура, мета, завдання курсу

Луцьк 2008

УДК 551.5:504.38(07)

ББК 2623:26234.7я7

К 56

Метеорологія і кліматологія. КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ для студентів спеціальності 6.070800 “Екологія та охорона навколишнього середовища” заочної форми навчання / Ковальчук В.В., Пасичнюк І.Ф.- Луцьк: ЛНТУ, 2008. – 76 с.

Методичні вказівки містять теоретичні матеріали для вивчення дисципліни „МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ”, що читається студентам на третьому курсі. Конспект лекцій дає огляд як теоретичних питань курсу, так і виконання практичних завдань по вивченню основних метеорологічних показників і характеристик. Наводяться також контрольні екзаменаційні запитання з даної дисципліни, перелік бібліографічних джерел, що рекомендовані до вивчення курсу, статистичні матеріали, вибірки даних за метеорологічними щорічниками.

Укладачі:__________ к.г.н., доц. кафедри екології ЛНТУ Ковальчук В.В.

___________асистент кафедри екології ЛНТУ Пасичнюк І.Ф.

Рецензент:_________к. і. н., доц. кафедри екології ЛНТУ Іванців В.В.

Відповідальний за випуск: _______ завідувач кафедри екології ЛНТУ

к.г.н., доц. Картава О.Ф.

Затверджено науково-методичною радою ЛНТУ,
протокол № 3 від 25.11. 2008 р.

Затверджено до друку науково-методичною комісією технологічного факультету ЛНТУ, протокол № 3 від 11 листопада 2008 р.

Затверджено на засіданні кафедри екології ЛНТУ,

протокол № 4 від 9 листопада 2008 р.

ВСТУП. ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Структура, мета, завдання курсу

Робоча навчальна програма дисципліни “МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ” є складовою частиною нормативно-методичного забезпечення навчального процесу за напрямком 0708 “Екологія” і передбачена для підготовки бакалаврів за спеціальністю 6.070800 “Екологія та охорона навколишнього середовища”. Зміст програми передбачає лекції, практичні заняття, виконання лабораторних робіт, самостійну роботу студентів. За навчальним матеріалом передбачено екзамен як форму підсумкового семестрового контролю.

Мета вивчення студентами дисципліни – оволодіння майбутніми фахівцями основами знань про найсуттєвіші явища і процеси, що відбуваються у атмосфері Землі, ознайомлення з методами виміру основних метеорологічних параметрів і характеристик, проникнення у зміст загальнопланетарних закономірностей формування погоди і клімату та вплив їх на екологічну рівновагу природних оболонок Землі.

Завдання дисципліни - вивчення студентами структури, складу і будови атмосфери Землі, кліматоутворюючих процесів, що впливають на погоду і клімат в цілому, характеру змін основних метеорологічних величин і параметрів, практичних навиків по їх визначенню згідно з сучасними методиками.

На сучасному етапі метеорологія і кліматологія розглядаються не лише як галузі, що сформувалися на стику фізичної географії і фізики атмосфери, але і як складові у системі загальноекологічних знань стосовно закономірностей розвитку і формування єдиної екосистеми нашої планети. Процеси, що протікають у атмосфері Землі, відіграють вирішальну роль у міграції аерозольних і газових домішок, твердих частинок та радіонуклідів, усіх основних видів забруднювачів антропогенного і природного походження, що впливають на екологічну рівновагу окремих екосистем і всієї біосфери в цілому. Тому у системі підготовки спеціалістів - екологів відводиться важливе місце вивченню даної дисципліни, при цьому особлива увага звертається на оволодіння студентами знаннями щодо закономірностей загальної циркуляції атмосфери, основних баричних утворень та характеристик, характеристик метеорологічних полів температури, тиску, вітру, вологості і інших елементів повітряної оболонки землі, а також ознайомленню з приладами і апаратурою для вимірювання цих характеристик.

Об’єктом вивчення метеорології і кліматології є явища і процеси, що відбуваються в атмосфері - повітряній оболонці Землі, основні характеристики погоди і клімату у різних областях суші і океану, як у приземному шарі, так і на висотах.

Предмет вивчення даної дисципліни – це основні закономірності, що викликають загальноциркуляційні і місцеві, що збурюють атмосферні процеси, фізичні причини особливостей будови й еволюції атмосфери Землі та індикаційних явищ у ній.

Курс “Метеорологія і кліматологія” вивчають студенти-екологи паралельно з курсами “Загальної гідрології” та “Топографії з основами картографії”, що є методично важливим, оскільки студенти одночасно отримують знання про повітряну і водну оболонки землі та основи картографічного зображення земної поверхні за допомогою сучасних геодезичних методів. Таким чином, в цілому засвоюється система уявлення про сучасний стан наукового пізнання геосфер неживої природи Землі у взаємозв’язку і цілісності усіх її елементів.

Теоретичним і практичним фундаментом даної дисципліни є курси, які вивчались протягом 1-2 семестрів, а саме: хімія, фізика, вища математика, філософія, біологія, загальне землезнавство. Курс тематично пов’язаний з наступними дисциплінами: геологія з основами геоморфології, геохімія, біогеохімія, загальна гідрологія, урбоекологія, методи вимірювання параметрів навколишнього середовища, моделювання та прогнозування стану природного середовища.

У процесі вивчення цієї дисципліни особлива увага приділяється оволодінню студентами – майбутніми фахівцями – екологами вміннями та навичками роботи з основними метеорологічними приладами і апаратурою. Це пояснюється тим, що в основі більшості екологічних методів визначення параметрів стану атмосферного повітря також покладено інструментальні дослідження температури, вологості, атмосферного тиску, сили і напрямку вітру, кількості та висоти шару опадів, їх видів та хімічного складу. Тому навички роботи з приладами й апаратурою є надзвичайно важливими з точки зору професійної підготовки інженерів - екологів.

1.2. Вимоги до зань і умінь студентів

У процесі вивчення дисципліни “Метеорологія і кліматологія” студенти повинні оволодіти основами знань про:

- будову і загальні особливості атмосфери Землі, основні фізичні процеси, що у ній протікають;

- фізичні процеси і географічні фактори, що формують клімат Землі як у цілому, так і в конкретних ландшафтних природних умовах;

- зв’язки між характером атмосферних явищ та природних процесів, що протікають на поверхні землі;

- методи дослідження атмосфери, моніторингу процесів і явищ у повітряній оболонці планети;

- причини формування погодних умов і прогнозування погоди;

- причини утворення і розвитку парникового ефекту, озонових дір і інших явищ;

- тісні зв’язки між атмосферними, гідрологічними, екзогенними геологічними і біологічними процесами.

На завершення оволодіння дисципліною студенти другого курсу повинні також вміти:

- застосовувати при оцінці міграцій забруднень дані про розвиток атмосферних процесів і явищ;

- проводити обробку й аналіз кліматологічних спостережень;

- проводити оцінку кліматичних ресурсів і пов’язувати їх з іншими ресурсами екосистеми Землі.

Дисципліна „МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ” читається для студентів ЛДТУ (спеціальність 6.070800 «Екологія та охорона навколишнього середовища») на третьому курсі у 5 семестрі (денна форма навчання та заочна форма навчання). Курс входить до циклу нормативних професійно-орієнтованих дисциплін.

Обсяг даної дисципліни складає:

1. Денна форма навчання: лекції - 36 год, практичні заняття – 18 год, лабораторні роботи – 18 год, самостійна робота студентів – 36 год.

2. Заочна форма навчання: лекцій – 8 год, практичні заняття – 4 год, лабораторні роботи – 2 год, самостійна робота студентів – 94 год.

У МЕТОДИЧНИХ ВКАЗІВКАХ даються деякі узагальнені положення щодо вивчення теоретичного матеріалу даного курсу, а також запитання та завдання для підготовки до екзамену.

1.3. ТЕМАТИКА КУРСУ "МЕТЕОРОЛОГІЯ І КЛІМАТОЛОГІЯ"

Тема 1. Предмет, структура, завдання і методи сучасної науки про атмосферу.

Місце кліматології та метеорології у системі сучасних природничих наук. Структура науки про атмосферу, основні розділи, їх прикладне та загальнотеоретичне значення. Предмет і об’єкт вивчення метеорології і кліматології. Завдання, мета, методи досліджень у системі наук про атмосферу.

Тема 2. Історія розвитку знань про атмосферу.Формування сучасної метеорологічної науки.

Основні етапи розвитку знань людини про атмосферу Землі. Явища, процеси, закономірності, що досліджувалися окремими авторами. Історія розвитку метеорологічної науки в Україні. Внесок вітчизняних дослідників у становлення науки про атмосферу. Сучасні напрямки досліджень окремих галузей метеорології та кліматології.

Тема 3. Гідрометеорологічна служба України.

Основні етапи становлення гідрометеорологічної служби України. Структура служби на сучасному етапі. Основні завдання, мета і напрямки діяльності окремих підрозділів. Роль метеорологічних станцій у системі екомоніторингу.

Тема 4. Атмосфера - повітряна оболонка Землі. Її будова, склад, значення.

Хімічний склад та фізичні характеристики атмосферного повітря. Вертикальна будова атмосфери Землі, принципи виділення окремих шарів та їх характеристика. Аналіз географічних змін окремих властивостей атмосфери, їх значення для практики екологічних досліджень.

Тема 5. Основні фактори формування клімату і погоди.

Основні кліматоутворюючі фактори, їх роль та значення. Сонячна радіація як основа енергетичних процесів у атмосфері Землі. Основні складові потоку сонячної радіації, їх характеристика та методи визначення. Атмосферна циркуляція та підстилаючи поверхня як фактори трансформації радіаційного потоку. Радіаційний баланс, його складові, взаємозв’язки між ними.

Тема 6. Тепловий режим атмосфери, його зміни та значення для біосфери Землі.

Температура повітря і основні фактори, що впливають на її зміни. Вертикальна і горизонтальна температурна стратифікація атмосфери. Тепловий баланс, причини його зміни, рівняння теплового балансу. Добовий і річний хід температури повітря, його географічні зміни. Адіабатичні процеси в атмосфері. Температурні інверсії, їх екологічне значення. Методи передбачення температури повітря. Температурні максимуми і мінімуми. Заморозки, агроекологічні методи боротьби з ними.

Тема 7. Вода в атмосфері.

Вологоадіабатичні процеси в атмосфері Землі. Умови конденсації водяної пари. Класифікація продуктів конденсації водяної пари. Основні характеристики вологості повітря.Гідрометеори. Тумани. Хмари. Умови утворення, класифікація, методи передбачення. Екологічна роль кругообігу вологи в довкіллі та участь атмосферної вологи у ньому.

Тема 8. Баричний режим атмосфери.

Атмосферний тиск. Баричні процеси в атмосфері. Поняття геопотенціалу. Карти баричної топографії та їх роль у прогнозі атмосферних процесів. Загальні принципи та особливості розподілу атмосферного тиску на земній кулі.

Тема 9. Атмосферна циркуляція та її значення у кліматичних процесах.

Атмосферна циркуляція та фактори, що на неї впливають. Загальна циркуляція атмосфери Землі, історія її дослідження, основні складові. Системи місцевих вітрів, їх основні типи та умови утворення. Геострофічний і градієнтний вітер. Струмінні течії, їх синоптичне значення.

Тема 10. Циклони, антициклони, фронтальні системи.

Основні баричні системи, умови їх утворення та особливості атмосферної циркуляції в них.Циклони і антициклони. Будова, особливості розподілу повітряних течій. Погодні умови в системах циклонів та антициклонів. Фронтальні системи, їх типи та особливості будови. Теплі, холодні фронти, фронти оклюзії.

Тема 11. Основи кліматології. Класифікація кліматів Землі.

Кліматологія та методи її досліджень. Основні завдання, проблематика, зв’язок з іншими дисциплінами. Історичні етапи становлення кліматології. Найвідоміші класифікації кліматів Землі. Генетико-циркуляційна класифікація кліматів Б.Алісова, її особливості, роль та значення. Характеристика основних кліматичних поясів та зон.

Тема 12. Клімат України.

Основні кліматичні особливості території України. Історія досліджень. Районування, географічні особливості зміни. Характеристика окремих поясів, областей, зон та провінцій. Закономірності зміни основних метеорологічних величин та характеристик по сезонах в окремих природних зонах України.

Тема 13. Кліматичні особливості території Волині.

Клімат Волині: географічне районування, області, провінції. Характеристика основних закономірностей сезонних змін метеорологічних величин і характеристик на території області. Вплив кліматичних умов на формування і особливості господарчого комплексу Волині, їх взаємозв’язок з рядом загальноекологічних проблем регіону.

Тема 14. Основи агрометеорології, взаємозв’язок агрометеорологічних та екологічних досліджень.

Агрометеорологія, предмет її досліджень, методи та завдання. Роль та значення агрометеорологічної науки в Україні. Мікрометеорологічні дослідження, їх вплив на формування бази агроекологічного моніторингу в Україні. Статистичні методи в агрометеорологічних дослідженнях.

Тема 15. Екологічні проблеми атмосфери та шляхи їх розв’язання.

Глобальні екологічні проблеми, їх сутність та першопричини. Забруднення атмосфери, глобальні кліматичні процеси, пов’язані з антропогенним фактором. Можливості впливу людини на клімат і погоду, направлений і ненаправлений вплив, його наслідки. Використання даних щодо основних метеорологічних закономірностей при розв’язанні екологічних завдань.

2. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ КУРСУ

2.1. ПОВІТРЯ ТА АТМОСФЕРА

Атмосфера (від грец. "атмос" - пара і "сфера" - оболонка) - це газоподібна оболонка Землі, що бере участь у її добовому та річному обертанні. Вона є об'єктом вивчення метеорології. На дні цього атмосферного океану в основному і проходить наше життя.

Повітря, на відміну від води, стискається. Тому з висотою щільність його зменшується, і атмосфера поступово, без різкого переходу, зникає.

Половина всієї маси атмосфери зосереджена в нижніх 5 км, три чверті - в нижніх 10 км, дев'ять десятих - в нижніх 20 км.

Але присутність повітря - чим вище, тим більш розрідженого - реєструється на дуже великих відстанях від Землі.

Полярні сяйва вказують на наявність атмосфери на висотах до 1000 км і більше.

Польоти супутників на висотах у декілька тисяч кілометрів також відбуваються в атмосфері, хоча й дуже розрідженій. Із спостережень за допомогою ракет можна зробити висновок, що атмосфера простягається, при поступовому зменшенні щільності, до середньої відстані більш як 20 000 км (від 18 000 км над полюсами до 42 000 км над екватором).

Атмосфера, як і Земля, характеризується сплюснутістю біля полюсів та збільшеною потужністю біля екватора, що пов'язано з обертальним рухом Землі навколо своєї осі та дією відцентрових сил.

2.2. ПОГОДА І КЛІМАТ

Погода - це фізичний стан атмосфери, що безперервно змінюється. Погода у даний момент у даному місці характеризується сукупністю значень метеорологічних елементів (величин). Це температура повітря, хмарність, атмосферні опади, вітер та ін. За деякий відтинок часу вона визначається послідовними змінами цих елементів або їх середніми значеннями за цей же час.

Зміни погоди біля земної поверхні мають велике значення для сільського господарства та багатьох інших галузей господарської діяльності людини. Погода у більш високих шарах атмосфери впливає на польоти авіації. При цьому треба мати на увазі, що атмосферні процеси на різних висотах пов'язані між собою. Тому для повноцінного вивчення погоди у земної поверхні необхідно вивчати і більш високі шари атмосфери.

Клімат - це статистичний режим атмосферних умов (умов погоди), характерний для кожного даного місця на Землі в силу його географічного розташування. Цей режим дещо змінюється від одного багаторічного відтинку часу до іншого, причому такі зміни за історичний час носять характер коливань. Але ці коливання клімату достатньо малі і не заважають йому бути сталою географічною характеристикою даної місцевості.

Існують три основних цикли атмосферних процесів, що визначають клімат. Це так звані кліматоутворюючі фактори - теплообіг, вологообіг та атмосферна циркуляція. Вони, в свою чергу, складаються з атмосферних процесів, що утворюють кругообіг води в природі.

2.3. ІСТОРІЯ ФОРМУВАННЯ ЗНАНЬ ПРО АТМОСФЕРУ. МЕТЕОСПОСТЕРЕЖЕННЯ СЬОГОДНІ

Атмосферні процеси не знають державних кордонів, а метеорологічні спостереження ведуться в усіх країнах. Тому існує нагальна необхідність уніфікації методики спостережень та їх обробки, обміні інформацією, в уніфікації форм оперативного обслуговування метеорологічною інформацією та прогнозами, в узгодженні роботи метеорологічних служб всього світу. Це є основною задачею Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО).

Міжнародне співробітництво в області метеорології почалось у другій половині XIX століття. Перший Міжнародний метеорологічний конгрес відбувся 23 березня 1873 р. Він заклав перші підвалини Міжнародної метеорологічної організації з регулярними конференціями директорів метеорологічних служб. День 23 березня став днем ВМО. Після Другої світової війни ця організація була відновлена на новій основі, вже як Всесвітня метеорологічна організація при Організації Об'єднаних Націй. Кожні чотири роки скликаються всесвітні конгреси ВМО, на яких вибирають Виконавчий комітет і президента організації. Регулярно працює ряд технічних комісій та робочих груп. Секретаріат ВМО знаходиться в Женеві.

Державні мережі метеорологічних станцій виникли в 19 ст. після винайдення телеграфу. У 20 ст. ця мережа значно виросла після впровадження радіо. З'явились радіофіковані метеопости, кораблі погоди, транспортні судна, літаки, автоматичні станції. Мережа аерологічних станцій.

Метеорологічна мережа повинна мати однотипні прилади, працювати за однаковою для всіх методикою в один і той же час, тобто всі станції повинні складати єдине ціле. Станції повинні бути репрезентативні, тобто їхні дані повинні бути об'єктивними.

Метеостанції спеціального призначення, виходячи з виробничих потреб. Вони спостерігають як основні стандартні метеорологічні показники погоди, так і додаткові, відповідно до специфіки та потреб певної галузі народного господарства чи навіть окремого підприємства.

Держкомгідромет України – керівний орган державної мережі станцій і наукових та навчальних закладів, обсерваторій та органів служби погоди.

Спостереження та експеримент в метеорології за об'ємами не пропорційні. Людина безупинно спостерігає і реєструє ті грандіозні експерименти, які проводить без її участі (експериментує) природа.

Метеорологічні спостереження - це вимірювання та якісні оцінки метеорологічних величин, тобто таких, як температура та вологість повітря, атмосферний тиск, швидкість і напрямок вітру, кількість і висота хмар, кількість опадів, потоків тепла тощо.

Метеорологічні спостереження над станом атмосфери поза приземним шаром, до висот близько 40 км, носять назву аерологічних спостережень. В обмежених випадках у метеорології застосовується й експеримент. Це вплив на хмари з метою їх осідання, вплив на хмари з градом, вплив на туман; висаджування лісів, створення водосховищ, зрошування та осушення території тощо.

Високі шари атмосфери вище 40 км вивчаються аерологією.

Спостереження за станом атмосфери ведуться в метеорологічних та аерологічних обсерваторіях, а також ще приблизно в 4000 метеорологічних та 800 аерологічних станцій в світі.

Тривалість та безперервність спостережень - це найважливіша умова метеорологічних спостережень, окрім синхронності. Програма спостережень на метеорологічних станціях уніфікована. На всіх наземних метеорологічних станціях в усьому світі проводяться одночасні (синхронні) спостереження через кожні 3 години за єдиним для всіх - гринвіцьким - часом (нульовий меридіан). Результати передаються в органи служби погоди.

На метеостанціях загального типу реєструється:

- t° С повітря на висоті 2 м над земною поверхнею,
-атмосферний тиск,
- вологість повітря,
- вітер на висоті 10 - 12 м,
- хмарність,
- опади,
- горизонтальна видимість,
- тривалість сонячного сяяння,
- t° С ґрунту,
- стан поверхні ґрунту,
- висота і щільність снігового покриву,
- випаровування з водної поверхні.

2.4. ОСНОВНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ, ЩО ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ В МЕТЕОРОЛОГІЇ

Методи аерологічних спостережень (досліджень верхніх шарів атмосфери):

1. Вітрове зондування за допомогою повітряних куль-пілотів. Теодоліт, радіопеленгація та радіолокація (радіовітрове зондування) при хмарній погоді.

2. Температурне зондування 2 рази на добу випуском повітряних куль-зондів з автоматичними приладами для вимірювання температури, тиску та вологості. Після 1930 р. поширився метод радіозондування П.А. Молчанова до висоти 55 км.

3. Запуски метеорологічних (М-100Б) та геофізичних (МР-4) ракет зі станцій меридіонального перетину атмосфери. Метеорологічні супутники.

Методи моделювання.

Модель - це штучна система, що віддзеркалює основі властивості об'єкта вивчення - оригіналу. Вона зображує в зручній формі багаточисельну інформацію про об'єкт вивчення, знаходиться з ним в певній відповідності, дозволяючи замінити його при дослідженні. Залежно від об'єкта дослідження, мети та задач, що вирішуються при цьому, використовуються різноманітні види моделей - макетні (натуральні), фізичні, математичні, функціональні.

Статистичний та фізико-математичний аналізи.

Результати спостережень підлягають аналізу з метою виявлення тих закономірностей, що існують в атмосферних процесах. Першочергове значення у метеорології має статистичний аналіз великого масиву спостережень, особливо використання усереднень, які відсіюють випадкові деталі явищ і ясно вказують на їхні суттєві особливості.

Статистика - це шлях до прогнозу. Особливо велика роль цього методу для кліматології. Кліматологія бере в якості початкового матеріалу результати метеорологічних спостережень. Ці результати співставляються, порівнюються в часі та просторі. Для повної уяви про клімат недостатньо спостережень одночасних або на протязі коротких відтинків часу. Атмосферні процеси настільки швидко змінюються в просторі і часі, що для вивчення сучасного клімату в усіх його особливостях їх треба спостерігати на протязі тривалого, багаторічного періоду.

Оскільки в метеорології розглядаються фізичні явища, їх пояснення може бути дано тільки на основі законів фізики. Найбільш прийнятний для цього шлях - фізико-математичний аналіз. На основі загальних законів фізики складаються математичні рівняння, що описують атмосферні процеси. Підставляючи у ці рівняння початкові дані, отримані із спостережень, можна знаходити кількісні закономірності атмосферних процесів і прогнозувати їх подальший рух. В одних розділах метеорології цей метод вживається достатньо широко, в інших - ще недостатньо.

Сутність картографічного методу полягає у використанні макетного моделювання, основним інструментом якого є карта, для дослідження та конструювання різного роду територіальних фізичних систем, а також явищ та процесів, що в них відбуваються. Особливо продуктивне використання картографічного методу при вивченні закономірностей просторового розміщення природних об'єктів, а також при аналізі процесів, що в них відбуваються.

Карта дає можливість зрозуміти масштабність процесу та розподіл метеорологічних величин у просторі. Карта з фактичними результатами спостережень, що зроблені в один і той же час, називається синоптичною (синоптикус по грец. - оглядаю), тобто карта з оглядом погоди.

Карта з результатами статистичної обробки багаторічних спостережень називається кліматологічною. Наприклад, карти середнього розподілу опадів, температур, характеристик снігового покриву, повторюваності гроз тощо. Картографічний метод є практично спеціальним методом географічної науки, в якій карта виступає носієм і зберігачем геопросторової інформації, одержаної в результаті проведених досліджень. Поряд із цим, вона може слугувати початковою основою для багатьох наступних досліджень.

Використовуються також картоподібні зображення: картосхеми, картограми, карти ліній зв'язку, картодіаграми тощо. Для підкреслення подібності окремих об'єктів або ділянок території можна скористуватись допомогою ізоліній, що відображають умовний рельєф того чи іншого явища: ізоатм - ліній, що сполучають точки з однаковою величиною випаровування; ізобар - ліній що сполучають точки з однаковою величиною атмосферного тиску; ізогіпс - ліній, що сполучають точки однакових висот. Такі карти ще називають картами статистичної поверхні.

2.5. СКЛАД АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ

Атмосфера складається з суміші газів, що називається повітрям, у якому знаходяться в завислому стані рідкі і тверді частинки. Загальна маса останніх незначна порівняно з усією масою атмосфери.

Атмосферне повітря біля земної поверхні, як правило, є вологим. Це значить, що до його складу, разом з іншими газами, входить водяна пара, тобто вода в газоподібному стані (Н2О). Вміст водяної пари в повітрі змінюється в значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: біля земної поверхні він коливається між сотими частками відсотка і декількома відсотками. Це пояснюється тим, що при існуючих в атмосфері умовах водяна пара може переходити в рідкий і твердий стан і, навпаки, може надходити в атмосферу внаслідок випаровування з земної поверхні.

Повітря без водяної пари називають сухим повітрям. Біля земної поверхні сухе повітря на 99% складається з азоту (78% по об'єму, або 76% по масі) і кисню (21% по об'єму, або 23% по масі). Обидва ці гази входять до складу повітря біля земної поверхні у вигляді двохатомних молекул (N2 і О2). 1%, що залишився, припадає майже цілком на аргон (Аг). Усього 0,03% залишається на вуглекислий газ (СО2). Численні інші гази входять до складу повітря в тисячних, мільйонних і ще менших частках відсотка. Це криптон (Кг), ксенон (Хе), неон (Nе), гелій (Не), водень (Н2), озон (Оз), йод (I), радон (Rn), метан (СН4), аміак (NH3), перекис водню (Н2О2), закис азоту (N2О) і ін.

Всі перераховані вище гази завжди зберігають газоподібний стан при температурах, що спостерігаються в атмосфері, і тиску не тільки біля земної поверхні, але й у високих шарах.

Відсотковий склад сухого повітря біля земної поверхні дуже постійний і практично однаковий усюди. Істотно змінюватися може тільки вміст вуглекислого газу. У результаті процесів дихання і горіння його об'ємний вміст у повітрі закритих, що погано вентилюються, помешкань, а також промислових центрів може зростати в декілька разів - до 0,1-0,2%. У зв'язку з цим, звичайно, зменшується, але дуже незначно, відсотковий вміст азоту і кисню. Цілком незначно змінюється відсотковий вміст азоту і кисню під впливом місцевих і тимчасових змін утримання в повітрі аміаку, йоду, радону й інших газів, що потрапляють в атмосферу з поверхні ґрунту або води.

2.6. ВОДЯНА ПАРА В ПОВІТРІ

Відсотковий вміст водяної пари у вологому повітрі біля земної поверхні складає в середньому від 0,2% у полярних широтах до 2,5% в екватора, а в окремих випадках коливається майже від нуля до 4%. У зв'язку з цим стає перемінним і відсоткове співвідношення інших газів у вологому повітрі. Чим більше в повітрі водяної пари, тим менша частина її об'єму доводиться на постійні гази при тих же тиску і температурі.

Водяна пара безупинно надходить в атмосферу шляхом випари з водних поверхонь і вологого ґрунту, а також у результаті транспірації рослинами, при цьому в різних місцях і в різний час він надходить у різних кількостях. Від земної поверхні водяна пара поширюється нагору, а повітряними плинами переноситься з одних місць Землі в інші.

В атмосфері може виникати стан насичення. У такому стані водяна пара міститься в повітрі в кількості, гранично можливій при даній температурі. Водяну пара при цьому називають як ту, що насичує, а повітря, що містить його, насиченим. Стан насичення звичайно досягається при зниженні температури повітря. Коли цей стан досягнутий, те при подальшому зниженні температури частина водяної пари стає надлишковою і конденсується, переходить у рідкий або твердий стан.

У повітрі виникають водяні краплі і крижані кристали хмар і туманів. Хмари можуть знову випаровуватися; в інших випадках краплі і кристали хмар, збільшуючись, можуть випадати на земну поверхню у виді опадів. Внаслідок усього цього утримання водяної пари в кожній ділянці атмосфери безупинно змінюється.

З водяною парою в повітрі і з її переходами з газоподібного стану в рідкий та твердий пов'язані найважливіші процеси погоди й особливості клімату. Наявність водяної пари в атмосфері істотно позначається на теплових умовах атмосфери і земної поверхні.

Водяна пара сильно поглинає довгохвильову інфрачервону радіацію, що випромінює земна поверхня. У свою чергу і сама вона випромінює інфрачервону радіацію, велика частина якої йде до земної поверхні. Це зменшує нічне охолодження земної поверхні і тим самим також нижніх шарів повітря.

На випаровування води з земної поверхні витрачаються великі кількості тепла, а при конденсації водяної пари в атмосфері це тепло передається в повітря. Хмари, що виникають у результаті конденсації, відбивають і поглинають сонячну радіацію на її шляху до земної поверхні. Опади, що випадають із хмар, є найважливішим елементом погоди і клімату.

Нарешті, наявність водяної пари в атмосфері має важливе значення для фізіологічних процесів, які відбуваються як у живій природі взагалі, так і в окремо взятій живій істоті чи рослині.

Тиск водяної пари і відносна вологість.

Вміст водяної пари в повітрі називають вологістю повітря. Основні характеристики вологості - це парціальний тиск водяної пари (тиск водяної пари, е, гПа) і відносна вологість (f, %). Водяна пара, як усякий газ, має пружність (тиск). Тиск водяної пари є пропорційним її щільності (масі в одиниці об'єму) і її абсолютній температурі. Він виражається в тих же одиницях, що й тиск повітря і всіх його складових частин, тобто в гектопаскалях (мілібарах). В даний час у науковій літературі обов'язковим є вживання Міжнародної системи одиниць (СІ - система інтернаціональна), у якій основною одиницею тиску служить паскаль (1 Па = 1 Н/м2; 1 гПа=102 Па). 1 Па = 100 гПа (гектопаскалі)

Тиск водяної пари в стані насичення називають тиском насиченої водяної пари (Е_). Це максимальний тиск водяної пари, можливий при даній температурі. Наприклад, при температурі 0°С тиск насиченої пари дорівнює 6,1 гПа. Якщо повітря містить водяної пари менше, ніж потрібно для насичення його при даній температурі, можна визначити, наскільки повітря близьке до стану насичення. Для цього обчислюють відносну вологість. Так називають відношення фактичного тиску е водяної пари, що знаходиться в повітрі, до тиску насиченої пари Е при температурі повітря, виражене у відсотках:

f= (е/Е)100, %

Наприклад, при температурі 20 °С тиск насиченої пари дорівнює 23,4 гПа. Якщо при цьому фактичний тиск водяної пари в повітрі буде 11,7 гПа, то відносна вологість повітря дорівнює (11,7:23,4) х100=50%.

Тиск водяної пари в земної поверхні змінюється від сотих часток гектопаскаля (при дуже низьких температурах взимку в Антарктиді і Якутії) до 35 гПа і більш (поблизу екватора). Чим тепліше повітря, тим більше водяної пари він може містити в стані насичення і, відповідно, тим більше може бути в ньому тиск водяної пари.

Відносна вологість повітря може набувати всіх значень, від нуля, у випадку сухого повітря (е=0), до 100% для стану насичення (е = Е).

2.7. ЗМІНА ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ПОВІТРЯ З ВИСОТОЮ

Відсотковий вміст складових частин сухого повітря в нижніх ста кілометрах із висотою майже не змінюється. Повітря, що знаходиться в постійному русі, добре перемішується по вертикалі, і атмосферні гази не розшаровуються по щільності, як це було б в умовах спокійної атмосфери (де частка більш легких газів повинна була б зростати з висотою).

Приблизно до висоти 100-200 км основним газом атмосфери все-таки залишається азот. Однак вище 100 км таке розшарування газів по щільності починається і поступово збільшується з висотою.

Вище починає переважати кисень, причому кисень в атомарному стані: під дією ультрафіолетової радіації Сонця його двохатомні молекули розпадаються на заряджені атоми.

З висоти 1000 км атмосфера складається, головним чином, із гелію і водню, причому гелій - також в атомарному стані, тобто у вигляді заряджених атомів, - переважає. Починаючи з 2400 км, в атмосфері трапляється, в основному, водень, що полишає атмосферу Землі і дисипує в космічний простір з причини настільки малої питомої ваги, що земне тяжіння не здатне його втримати в атмосфері.

Відсотковий вміст водяної пари в повітрі також змінюється з висотою. Водяна пара постійно надходить в атмосферу знизу, а розповсюджуючись нагору, конденсується, вміст її зростає. Тому тиск і щільність водяної пари зменшуються із висотою швидше, ніж тиск і щільність інших газів повітря. Загальна щільність повітря стає вдвічі менше, ніж у земної поверхні, на висоті 5-6 км, а щільність водяної пари в середньому зменшується удвічі вже на висоті 1,5-2 км. На висоті 5-6 км тиск водяної пари і, отже, його вміст в повітрі в 10 разів менший, ніж у земної поверхні, а на висоті 10-12 км в сто разів менше. Таким чином, вище 10-15 км вміст водяної пари в повітрі мізерно малий і хмари, від яких можна чекати опадів, тут не утворюються.

2.7.1. РОЗПОДІЛ ОЗОНУ В АТМОСФЕРІ

Зміна з висотою вмісту озону в повітрі особливо цікава. Поблизу земної поверхні озон міститься в незначних кількостях. З висотою вміст його зростає, причому не тільки у відсотковому відношенні, але і по абсолютних значеннях. Максимальний вміст озону спостерігається на висотах 25-30 км; вище він зменшується і на висотах біля 70 км фактично сходить нанівець. Процес утворення озону з кисню відбувається в шарах від 70 до 15 км при поглинанні киснем ультрафіолетової сонячної радіації. Частина двохатомних молекул кисню розкладається на атоми, а атоми приєднуються до збережених молекул, створюючи трьохатомні молекули озону. Одночасно відбувається зворотний процес перетворення озону в кисень. У шари нижче 15 км озон заноситься із шарів, що лежать вище, при перемішуванні повітря.

Зростання утримання озону з висотою практично не позначається на частці азоту і кисню, тому що в порівнянні з ними озону й у верхніх шарах дуже мало. Якби можна було зосередити весь атмосферний озон під нормальним тиском, він утворив би шар тільки біля 3 мм товщиною (приведена товщина озону). Але й у такій незначній кількості озон важливий тому, що, сильно поглинаючи сонячну радіацію, він підвищує температуру тих шарів атмосфери, у яких він знаходиться. Ультрафіолетову радіацію Сонця з довжинами хвиль від 0,15 до 0,29 мкм (один мікрометр - мільйонна частка метра) він поглинає повністю. Ця радіація робить фізіологічно шкідливу дію, і озон, поглинаючи її, охороняє від неї живі організми на земній поверхні.

2.8. АЕРОЗОЛІ В АТМОСФЕРІ

Крім перерахованих вище атмосферних газів, у повітря місцями можуть проникати інші гази, особливо з'єднання, що виникають при згорянні палива (окисли сірки, вуглецю, фосфору й ін.). Найбільша кількість таких домішок надходить у повітря великих міст і промислових районів.

До складу атмосфери входять також тверді і рідкі частки, завислі в атмосферному повітрі (атмосферні аерозолі): водяні краплі і кристали, що виникають в атмосфері при конденсації водяної пари, пил ґрунтового й органічного походження, тверді частки диму, сажа, попіл і краплі кислот, що потрапляють у повітря при лісових пожежах, спалюванні палива і вулканічних виверженнях, частки морської солі, що потрапляють у повітря при розбризкуванні морської води під час хвилювання (звичайно в силу своєї гігроскопічності це не тверді частки, а дрібні краплі насиченого розчину солі у воді), мікроорганізми (бактерії), пилок, спори, нарешті, космічний пил, що потрапляє в атмосферу (біля 1 млн. т у рік) із міжпланетного простору, а також виникає при згорянні метеорів в атмосфері.

Особливе місце серед атмосферних домішок займають продукти штучного радіоактивного розпаду, що заражають повітря при іспитових вибухах атомних і термоядерних бомб. Невелику частину перерахованих домішок складають великі частки пилу, радіусом більш 5 мкм. Майже 95% часток має радіуси менше 5 мкм. Внаслідок такої малості вони можуть тривалий час утримуватися в атмосфері в завислому стані. Видаляться з атмосфери вони головним чином при випаданні опадів, приєднуючись до крапель і сніжинок. Є ряд методів і приладів для визначення їхнього вмісту в повітрі.

Всі ці домішки, або аерозолі, у найбільшій кількості містяться в самих нижніх шарах атмосфери: адже основне їхнє джерело - земна поверхня. Особливо забруднений ними повітря великих міст. Не кажучи про шкідливі газові домішки (SO2, СО і ін.), на кожний кубічний сантиметр повітря тут приходиться десятки тисяч аерозольних часток, а за рік на кожний квадратний кілометр випадають з атмосфери сотні тонн аерозолів. У сільських місцевостях кількість часток аерозольних домішок у приземному повітрі обчислюється тільки тисячами в кубічному сантиметрі, а над океанами - тільки сотнями. З висотою число завислих часток швидко зменшується; на висотах 5-10 км їх усього десятки на кубічний сантиметр. Загалом в атмосферному стовпі над кожним квадратним сантиметром земної поверхні міститься 108-109 аерозольних часток. Загальна їхня маса в атмосфері не менше 108 т. Це величезна маса, але вона мала порівняно з усією масою атмосфери, що, як ми побачимо далі, визначається в 5 х10 ¹⁵ т.

Бактерії в центральних частинах океанів трапляються в кількості декількох одиниць на кубічний метр повітря; у великих містах їх уже тисяча і десятки тисяч у тому ж об'ємі.

Від кількості і роду аерозольних домішок залежать явища поглинання і розсіювання радіації в атмосфері, тобто її більша або менша прозорість для радіації. Наявність завислих часток створює в атмосфері також ряд оптичних явищ, властивих колоїдним розчинам. Найбільші великі аерозольні частки, що мають гігроскопічні властивості, виконують в атмосфері роль ядер конденсації, тобто центрів, до яких приєднуються молекули водяної пари, створюючи водяні краплі.

Аерозольні домішки можуть легко переноситися повітряними течіями на великі відстані. Піщаний пил, що потрапляє в повітря над пустелями Африки і Передньої Азії, неодноразово випадав у великих кількостях на території Південної і Середньої Європи. Дим лісових пожеж у Канаді переносився сильними повітряними течіями на висотах 8-13 км через Атлантику до берегів Європи, ще зберігаючи достатню концентрацію. Дим і попіл великих вулканічних вивержень неодноразово поширювалися у високих шарах атмосфери на величезні відстані, закутуючи всю земну кулю. Помутніння повітря й аномально червоний колір зорі спостерігалися протягом багатьох місяців після виверження. Після падіння Тунгуського метеорита в 1908 р. також спостерігалося помутніння повітря на великих відстанях. Радіоактивні продукти, що потрапляють в атмосферу при термоядерних вибухах, поширюються у високих шарах атмосфери над величезними просторами земної кулі.

2.9. ПРОДУКТИ КОНДЕНСАЦІЇ ВОДЯНОЇ ПАРИ В АТМОСФЕРІ

Краплі і кристали, на відміну від пилу та аерозолів, виникають у самій атмосфері при конденсації водяної пари і можуть зникати, не випадаючи, унаслідок випаровування. Якщо вони дуже розріджені й дрібні, то виявляються по деякому помутнінню повітря синюватого або сіруватого кольору - серпанку. Більш щільні їхні скупчення - хмари і тумани. Краплі хмар звичайно дуже дрібні - діаметром від одиниць до десятків мікрометрів (тобто від тисячних до сотих часток міліметра). У кожному кубічному сантиметрі хмарного повітря міститься декілька десятків або сотень крапель. Це значить, що на один кубічний метр хмарного повітря доводиться усього декілька грамів або навіть часток грама рідкої води. Кристали в хмарах також у більшості дуже дрібні. Тому хмари можуть довгостроково утримуватися в атмосфері в завислому стані внаслідок опору повітря і його висхідних рухів. Але в хмарах може відбуватися й укрупнення хмарних елементів; досягнувши визначених розмірів, вони починають випадати з хмар у вигляді опадів - крапель дощу, кристалів снігу й ін. Хмари спостерігаються на різних висотах у межах нижніх 10-15 км, причому з висотою водність хмар (тобто вміст у них рідкої води на одиницю об'єму) у середньому зменшується. Зрідка спостерігаються особливі, дуже легкі хмари на висотах біля 22-27 км (перламутрові) і біля 82-85 км (сріблясті, або мезосферні). Нерідко хмароподібні скупчення крапель і кристалів починаються від самої земної поверхні; у цих випадках вони називаються туманами.

2.10. ІОНИ В АТМОСФЕРІ

Частина молекул атмосферних газів і часток атмосферного аерозолю - крапель, порошин, кристалів - несе електричні заряди. Ці заряджені частинки називаються іонами. Молекули повітря заряджаються унаслідок втрати електрона або приєднання вільного електрона. До зарядженої молекули приєднуються інші молекули, у яких відбувається шляхом індукції поділ зарядів. Так виникає електрично заряджений комплекс молекул, називаний легким іоном. Заряджені молекули можуть також приєднуватися до ядер конденсації або порошин, завислих у повітрі, унаслідок чого виникають дуже великі важкі іони з масами, в тисячу разом більшими, ніж у легких іонів. Утримання легких іонів біля земної поверхні - декілька сотень на один кубічний сантиметр, важких - від декількох сотень до десятків тисяч на один кубічний метр.

Краплі і кристали хмар і опадів, виникаючи на іонах як на ядрах конденсації, приєднуючи їх надалі, а також одержуючи електричні заряди іншими способами, також можуть стати носіями електричних зарядів. У більшості випадків вони і є такими. Заряди крапель і кристалів набагато більше, ніж заряди іонів: вони можуть досягати багатьох мільйонів елементарних зарядів (зарядів електрона).

З висотою вміст іонів збільшується, особливо в шарах вище 80-100 км. Іони є тут в основному зарядженими атомами кисню, гелію і водню. Крім того, значна частина іонів у високих шарах являє собою вільні електрони. Утримання іонів тут вимірюється сотнями і мільйонами на один кубічний сантиметр повітря. Так само як і незаряджені частки, іони в атмосфері постійно переміщаються. Саме завдяки цьому атмосфера має електропровідність, у нижніх шарах малу, у високих - значну.