Нижней границей Атмосферы служит поверхность земли; если бы плотность атмосферного воздуха оставалась на всех ее высотах той нее, что у нижней границы, то верхняя граница лежала бы на высоте ок. 7.800 м (т. н. «высота однородной Атмосферы») и масса равнялась бы 5,2 триллиона кг или ок. 0,000001 массы земного шара. На самом же деле, плотность Атмосферы с высотой быстро уменьшается, и плавно переходит в межпланетное пространство, так что верхней границы Атмосферы не существует вообще.
Атмосферный океан
Из наблюдений над различного рода световыми явлениями, имеющими место в Атмосфере, можно установить, что они происходят не во всей толще, а ограничены некоторыми пределами, выше которых явления обычно уже не наблюдаются. Для явления сумерек (см.) этот предел равен 60—-70 км, для светящихся облаков (см.)—70—80 км: падающие звезды (см.) дают границу в 200—300 км, а высота северных сияний (см.) в среднем достигает 300 км, в отдельных нее случаях доходит до 750 км. Эти цифры показывают, что в приведенных пределах плотность воздуха еще достаточно велика, чтобы вызвать соответствующие явления (отражение света—в случае сумерек, электрический разряд—-в случае северного сияния и т. п.).
Воздушные массы Атмосферного океана — большие объемы воздуха тропосферы, обладающие однородными свойствами?
Свойства воздушных масс определяются территорией или акваторией, над которой они формируются. В связи с различиями по влажности выделяют два подтипа — континентальный (материковый) и океанический (морской). По температуре выделяют четыре главных (зональных) типа воздушных масс: экваториальный, тропический, умеренный, арктический (антарктический).
Составляющий Атмосферного океана:
- газ—воздух—является механической смесью нескольких газов. По данным Ганна, в каждой единице объема сухого и чистого воздуха находится:
- азота — 78,03 %,
- кислорода — 20.99%,
- аргона — 0.94%,
- углекислоты — 0,03%,
- неона—0,0012%,
- гелия—0,0004% и
- крайне незначительные количества криптона и ксенона.
- Вследствие того, что благодаря ветрам, а также нагреванию и охлаждению земли, воздух, примерно, до 10,5 км находится в состоянии постоянного перемешивания, состав его до этой высоты остается постоянным.
На больших высотах состав воздуха, как показывают вычисления и подтверждают некоторые наблюдения (северное сияние, падение метеоров и т. д.), совершенно иной. Там газы распределяются, сообразно своей плотности, слоями:
- более тяжелые в большем количестве—внизу, а
- более легкие—вверху.
Рис. 1
дает распределение газов до высоты 500 км. Из него видно, что, приблизительно, до 110 кm состоит преимущественно из азота, а с 250 км преобладающее значение переходит к водороду. В 1921 норвежским физиком Вегардом была выдвинута теория, согласно которой верхние слои состоят из твердого кристаллического азота (см. Северные сияния). Теория эта не может, однако, считаться прочно обоснованной.
Краткая характеристика слоёв атмосферы?
Количество водяных паров в воздухе представляет величину переменную и может колебаться почти от 0 до 4% общего объема Атмосферы. Кроме указанных выше газов, в воздухе, особенно в его нижних слоях, находится множество примесей, состоящих из мельчайших твердых частиц, плавающих в нем и носящих общее название—пыли. Как в таком количество пыли в окружающем нас воздухе, видно потому, напр., что в Ольдгеме, крупном англ. фабричном городе, в 1915—16 ежемесячно в среднем оседало из воздуха примесей ок. 31 m на 1 км2, и даже в маленьком провинциальном городе Мальверне примеси дают ок. 2 m на 1 км2 в месяц.
О числе и размерах пылинок можно судить из того, что Эйткен помощью своего пылемера (см.) находил при хорошей погоде ок. 250 т. частиц в 1 см3 воздуха, а юо курильщик при каждой затяжке выпускает в воздух 4 миллиарда мельчайших частиц. Эти примеси играют распределение значительную роль в arm в атмосфере (до вы 2 0 0 -0 10 20 30 40 60 СО 70 80 90 целом ряде атмосферных явлений.
Присутствие их в 500 км :
- Ar—аргон,
- О—кислород,
- N—азот,
- Не— гелий,
- H—водород.
Образует ту дымку или мглу, к-рая часто наблюдается в хорошую погоду и в большой степени является причиной сумерек и тех красивых оттенков, которыми мы любуемся при восходе и заходе солнца. Голубой цвет неба, по крайней мере отчасти, обязан своим происхождением пылинкам; они же служат ядрышками, около которых собираются и оседают водяные пары, способствуя образованию туманов и осадков.
Структура Атмосферы? Циркуляция атмосферы — система воздушных течений на земном шаре.
Из того обстоятельства, что Атмосфера до некоторой высоты, как упомянуто выше, находится в процессе постоянного перемешивания, казалось бы, следовало ожидать, что не только процентное соотношение газов, но и температура воздуха будут повсюду одинаковыми, аналогично тому, как это имеет место при перемешивании, скажем, воды в стакане. Однако, аналогия со стаканом воды не может быть перенесена целиком на Атмосферу, т. к. температура здесь обусловливается не только внешними факторами, как нагревание солнцем, но также рядом внутренних—выделением скрытой теплоты при образовании осадков, понижением давления и т. д., и потому перемешивание приводит к выравниванию не обыкновенной, а т. н. потенциальной температуры.
Обработка данных, полученных помощью шаров-зондов (см.), показывает, что температура воздуха при поднятии вначале довольно правильно понижается на5°—7° на каждый км, а затем, начиная с некоторой высоты, падение резко прекращается, и температура остается постоянной а иногда даже несколько повышается. Т. о., проходящая на этой высоте поверхность делит земную Атмосферу на два слоя:
- тропосферу, внутри которой температура по мере возрастания высоты убывает, и
- стратосферу, где убывание температуры при поднятии на большую высоту прекращается, а иногда переходит в повышение.
Граница этой поверхности ие остается постоянной и над экватором лежит выше (ок. 17 км), чем над полюсами (ок. 8 км), над континентами—ниже, чем над океанами (по крайней мере в средних широтах). В средних широтах указанная граница находится на высоте ок. 10,5 км. Кроме того, она несколько изменяется как от сезона к сезону (летом лежит выше, зимой—ниже), так и от одного дня к другому. Температура воздуха в стратосфере над экватором значительно ниже, чем над полюсами; т. о., в очень высоких слоях распределение температуры, по-видимому, обратно тому, которое наблюдается в нижних слоях.
На границе между тропосферой и стратосферой развиваются колебательные движения, которые можно наблюдать как температурные волны. Этот переходный слой носит название субстратосферы или тропопаузы.
Общая циркуляция атмосферы — система воздушных течений на земном шаре, которая способствует переносу тепла и влаги из одних районов в другие.
Вследствие, гл. обр., неравномерного нагревания земной поверхности у полюсов и на экваторе в Атмосфере происходит непрерывное перемещение или круговорот воздушных масс, известный под именем общей циркуляции. Подробности этого круговорота, за недостатком наблюдений, особенно относящихся к верхним слоям, еще не вполне ясны. Изучение круговорота начато было давно и имело большое значение в деле развития морских путей и вообще культурного развития человечества.
Основные черты общей циркуляции сводятся к следующему. Вдоль термического экватора (см.) и в узкой полосе около него перемещения воздуха в горизонтальном направлении почти не наблюдается, —имеет место т. н. экваториальная зона штилей. По обе же стороны от нее, примерно до 30°—35° сев. и юж. широты, движение воздуха имеет в течение всего года постоянное направление, в сев. полушарии от В. (вблизи зоны штилей) до С.-В., а в южном—от В. до Ю.-В. Это движение носит название пассатов: сев.-восточного в нашем полушарии и юго-вост. в южном. Граница пассатов и штилевой зоны в течение года несколько перемещается, летом в сторону полюсов, зимой—по направлению к экватору, как видно из таблицы, указывающей размеры каждой зоны.
Средняя скорость перемещения возлуха в центр, части пассатов равна 6—8 м/сек., при чем зимой скорость повсюду больше, чем летом. Пассаты были открыты почти одновременно астрономом Гадлеем (1686) и знаменитым мореплавателем Дампьером (1705).—На полярных границах пассатов существуют вторые зоны затишья, т. н. вне тропические зоны штилей, известные также под именем «конских широт» ; за ними лежат области с явным преобладанием движения западных направлений: в сев. полушарии с преобладанием юго-зап. и зап.-юго-зап., в южном—сев.-зап. и зап.-сев.-зап. Ветры этих областей, впрочем, далеко не отличаются таким постоянством, как пассаты..
Т. о., в общих чертах, в каждом полушарии имеются три различных области или системы ве тров: в тропическом поясе ветры направлены от В. и к экватору; в внетропическом—от 3 . и к полюсу; в полярном—опять от В. и к экватору. Схематически это распределение систем ветра представлено на рис. 2. Указанные системы ветров наиболее правильно и резко выражены на океанах; на материках и вблизи их они испытывают ряд изменений, особенно заметных во внетропической полосе сев. полушария, где ветры периодически, в зависимости от времени года, изменяют свое направление на прямо противоположное.
Такие ветры, дующие с большим постоянством и правильностью в противоположных направлениях в различные времена года, носят название муссонов или сезонных ветров. Ближайшей причиной вышеприведенного распределения систем ветров является то обстоятельство, что области конских широт совпадают с областями высокого атмосферного давления (см.), вследствие чего градиент давления (см.) направлен в сторону экватора. Правда, в силу этого в сев. полушарии следовало бы ожидать перемещения воздуха в направлении с С., а в южном—с Ю., но в силу вращения земли ветер на своем пути все больше отклоняется вправо, становясь постепенно сев.-вост., вост, сев.-вост. и даже восточным.
В юж. полушарии градиент в тропиках направлен с К), на С., но в силу отклонения влево, мы имеем не чисто южные, а юго-вост., вост.-юговост. и вост. ветры. Между тропиками и полярным кругом градиент направлен в сев. иолуш. с Ю. на С., а в южном, наоборот, с С. на 10., но ветры отклоняются к 3.; за полярным кругом, где давление растет,— ветер опять имеет направление от полюса с отклонением к В. — Не трудно видеть, что там, где области высокого и низкого давления в течение года не изменяют своего взаимного расположения, ветры все время имеют устойчивый характер (пассаты); напротив, там, где эти области являются обратимыми, т.-е. в течение года как бы меняются местами, ветер также изменяется на прямо противоположный, т.-е. приобретает характер муссонов.
Так, напр., муссоны, —юго-зап. летом и сев.-вост. зимой,— у берегов Индии и Китая объясняются тем, что летом во всей Центр. Азии находится область низкого, а в Южно-Индийском океане—высокого давления; зимой, наоборот, область высокого давления охватывает всю Азию, а низкое давление находится на океане. Точно так же муссонный характер имеет в СССР распределение ветров на берегах Японского и Каспийского морей и на Мурмане, где зимой они дуют с суши к морю, а летом с моря на сушу.
Сравнительно малая, в среднем, устойчивость ветра в зоне между тропиками и полярным кругом объясняется частым прохождением в этой зоне областей высокого и низкого давления, вследствие чего здесь нет устойчивого распределения названных областей. Если бы воздух, притекающий к экватору, оставался у поверхности земли, то непрерывно прибывающие массы воздуха, в силу увеличения общей плотности, стали бы повышать давление; оно сделалось бы выше, чем в соседних районах, и, следовательно, начался бы отток воздуха от экватора. Т. к. последнего обстоятельства не происходит, то излишки воздуха, очевидно, поднимаются кверху.
Не следует, однако, думать, что это поднятие происходит в виде непрерывного вертикального потока, в роде того, как в печных трубах или над пламенем свечи. Наоборот, оно происходит, вероятно, очень беспорядочно, как при помощи турбулентных двиоюений (см.), так и вообще вихревых движений (см.), которые забирают воздух из одного слоя и перебрасывают его в другой. В одних местах при этом происходит поднятие воздуха, в других опускание, в среднем же поднятие воздуха над экватором значительно больше опускания.
Ветер характеризуется скоростью (км/час) и направлением (его направление определяется стороной горизонта, откуда он дует, т. е. северный ветер дует с севера на юг).
Наблюдения над движением облаков, шаров-зондов, небольших, выпускаемых без приборов, шаров-пилотов, наконец, над выпадением пепла после извержения вулканов дают возможность получить общее представление о характере воздушных течений в более высоких слоях А. Эти наблюдения прежде всего обнаруживают, что системы ветров, близких к земной поверхности, имеют сравнительно небольшое вертикальное распространение и что А. как бы разделена на ряд лежащих друг над другом пластов с особым в каждом из них направлением воздушных течений.
Оказывается, что над экваториальной зоной штилей почти до границ тропосферы, т.-е. до высоты, примерно, в 16 км, в течение всего года наблюдается устойчивое, со скоростью ок. 40 м/сек. перемещение воздушных масс в направлении с В. на 3. По мере удаления от экватора это верхнее течение, отклоняясь постепенно,—в нашем полушарии вправо (Ю.-В., Ю., Ю.-З), в южном влево (С.-В., С., С.-З.),—становится над внетропическими зонами штилей чисто западным, а над областями пассатов имеет направление прямо противоположное дующему внизу ветру, вследствие чего оно и носит в этих местах название возвратных пассатов или антипассатов.
По исследованиям Свердрупа между этими противоположно-направленными течениями существует переходная зона штилей или слабых переменных ветров, толщиной в среднем в 300—600 м. Отличительной особенностью переходной зоны является существование внутри нее двух слоев с температурной инверсией (см.). Один из них совпадает с верхней границей зоны и связан с изменением направления воздушного течения и переходом к антипассатам, а второй лежит несколько выше нижней поверхности зоны и, совпадая с верхней границей облаков, отмечает предел, выше которого поднимающиеся с земной поверхности частицы воздуха проникнуть, вообще говоря, не могут.
Иногда оба слоя инверсии сливаются, и в таком случае толща инверсионного слоя может достигать значительных величин (100 м и больше). Обе пограничные поверхности переходной зоны не лежат на вполне определенной высоте, а подвержены значительным колебаниям по вертикали в зависимости от времени года и места наблюдения. У границ пассатов со стороны полюсов, т.-е. около 35° широты, высота, на которой начинается антипассат, обращается в нуль; поэтому выше, в средних широтах, преобладающее направление ветра у поверхности совпадает с направлением антипассата.
Более детальное исследование области пассатов сев. части Атлантического океана показало, что в среднем здесь толща пассата колеблется между 1 и 4 км, промежуточная зона имеет в высоту ок. 2 км, а наибольшего развития антипассат достигает на уровне 5—7 км.—За полярными границами пассатов верхнее течение не имеет той устойчивости и правильности, как в тропиках, но в общем сохраняет направление движения с 3. на В., так что здесь во всей исследованной пока толще Атмосферы наблюдается перемещение воздушных масс с 3., с тем лишь различием, что у поверхности земли ветер направлен в сторону полюсов, а в более верхних слоях имеется составляющая от полюсов к экватору.
Незначительное число наблюдений в широтах, лежащих ближе к полюсам, не позволяет говорить с определенностью о характере воздушных течений в этом районе, но, по-видимому, и здесь над ветрами с вост. составляющей имеется течение с преобладанием зап. направлений и, аналогично области тропиков, между верхним и нижним течением существует поверхность (вернее зона) раздела. Связанная с инверсией температуры и скачком силы ветра эта поверхность, несколько наклоненная в сторону более высоких широт и опускающаяся в виде занавеси до самой земли, образует в результате пересечения с земной поверхностью неправильную волнообразную линию, носящую название «линии полярного фронта», к-рая, по-видимому, опоясывает земной шар, как в сев., так и в юж. полушарии и играет большую роль в погоде средних широт, ров в среднем слое атмо схематическое сферы (з.ооо—ю.ооо м). изображение верхних течений на высоте между 3 и 10 км представляет
Давление атмосферы — это давление, оказываемое воздухом на земную поверхность и все находящиеся на ней предметы.
Нормальное атмосферное давление на уровне океана — 760 мм рт. ст., с высотой значение нормального давления уменьшается. Давление тёплого воздуха меньше, чем холодного, так как при нагревании воздух расширяется, а при охлаждении — сжимается. Общее распределение давления на Земле имеет зональный характер, нагревание и охлаждение воздуха от поверхности Земли сопровождается его перераспределением и изменением давления. Исходя из него, можно заключить, что на этой высоте распределение давления воздуха имеет иной характер, чем у поверхности земли, а именно, что низкое давление над экватором заменяется высоким, и градиент направлен к полюсам,— что вполне согласуется с вычисленными Тейсеран де-Бором.
За последнее время в некоторых, правда немногих, случаях удавалось проследить движение шаров-зондов и шаров-пилотов до высоты 30 с небольшим км. М. пр., такие наблюдения производились в Батавии. Они показывают, что в тропиках на довольно большой высоте над антипассатом появляется вновь течение с составляющей, направленной к экватору, т. н. верхний пассат, над которым расположен пласт сильных зап. ветров, в свою очередь уступающих место вост. ветрам. Т. к. эти ветры, повидимому, тождественны с тем течением, к-рое после извержения в 1883 вулкана Кракатау разносило пепел с В. на 3. вокруг всего земного шара, то они получили название ветров Кракатау.
Если ограничиться тропосферой, то из сказанного следует, что системы ветров одного полушария являются зеркальным отражением другого и что общая циркуляция А. каждого полушария состоит из трех частей: тропической, внетропической и полярной. В первой из них циркуляция имеет довольно устойчивый характер и происходит вблизи земли из районов, вообще говоря, с более низкой температурой по направлению к экватору, где, после поднятия кверху, начинается растекание воздуха в сторону полюса и частичное опускание его у полярных границ пассатов.
Этот круговорот можно сравнить с широким кольцевым вихрем, вращающимся вокруг горизонтальной оси в направлении с В. на 3.; нижнюю его часть образуют пассаты, верхнюю—антипассаты, в области экваториальных штилей происходит поднятие, а у границ пассатов—опускание воздушных масс.—В умеренных широтах перемещение воздушных масс не имеет той правильности и простоты, как в экваториальной области. Правда, в среднем и здесь обнаруживается определенное движение с 3. на В., в сторону полюса у поверхности земли (т. н. «экваториальный ток») и от полюсов в верхних слоях, вследствие чего и здесь можно говорить о вихре с горизонтальной осью, хотя и менее резко выраженном.
В действительности же аналогично тому, как в большой реке водяные частицы, подхватываемые то тем, то другим водоворотом, совершают крайне сложный и запутанный путь и не имеют правильного общего переноса, так и здесь, под влиянием прохождения многочисленных циклонов и антициклонов, воздух из нижних широт в более высокие и обратно попадает лишь обходными беспорядочными путями.—В полярной части циркуляция слагается, по-видимому, из движения воздуха вблизи земли от полюса (т. н. «полярный ток») к линии полярного фронта, где происходит его поднятие по наклонной плоскости фронта с растеканием в верхних слоях в сторону полюса и с последующим опусканием на землю, т.-е. циркуляция опять имеет вид кольцевого вихря.
Ни один из этих вихрей, по-видимому, не представляет собой замкнутой самостоятельной системы, а все они тесно связаны между собой, как бы образуя совокупность зубчатых колес, соединенных общим назначением—переносить воздушные массы от экватора к полюсам и обратно, обеспечивая, т. о., более равномерное распределение тепла по земной поверхности.—В первом столбце помещаемой ниже таблицы приведены (для различных широт) средние годовые температуры, которые наблюдались бы у поверхности земли при полном отсутствии воздушных течений, во втором и третьем столбцах—выведенные из наблюдений нормальные температуры широт сев. и юж. полушарий, и в четвертом и пятом— разности между фактическими и вычисленными температурами в каждом полушарии.
Недостаток данных не позволяет в наст, время получить подобные разности температуры для столба воздуха, хотя бы в 20 км, но все же таблица ясно обнаруживает рать циркуляции А., к-рая не позволяет, чтобы все живущее в более высоких широтах замерзло от холода. Наглядную схему общей циркуляции дает рис. 4 (для сев. полушария), заимствованный из работ Бьеркнеса. Здесь на внутреннем полукруге изображено направление ветра вблизи земной поверхности, а внешняя часть фигуры представляет сильно схематизированный меридиональный разрез тропосферы с изображением вертикального сечения тех вихрей, о к-рых говорилось выше.
Пунктирные линии отмечают положение поверхности раздела с между пассатами и антипассатами внутри экваториального вихря и поверхность полярного фронта. Стрелки, изображенные двойной линией, указывают, что вихрь образуется теплыми течениями, берущими свое начало в тропиках, сплошные же отв сев. полушарии. носятся к холодному приполярному вихрю.
На чертеже ясно виден вблизи полюса резервуар холода, образующего т. н. полярную шапку , состоящую из сильно охлажденных масс воздуха, заключенных между поверхностью полярного фронта и поверхностью земли. В зависимости от увеличения или уменьшения воздушных масс в этом резервуаре линия полярного фронта то перемещается в сторону экватора, то отступает к полюсу, непрерывно находясь в состоянии движения.
Вторичная Циркуляция Атмосферы и Энергия циркуляции?
Кроме перемещения воздушных масс, совершаемого Атмосферой, как целым, в ней наблюдаются еще перемещения воздушных масс под влиянием областей высокого и низкого давления. Эти последние перемещения известны под именем вторичной циркуляции А. Особенно характерную черту средних широт составляют области низкого давления, т. н. циклоны {си.). Роль этих областей в общем режиме погоды громадна, и можно сказать,что ими, гл. обр., определяется распределение метеорологических элементов на этих широтах (см. Барические системы).
Атмосфера, рассматриваемая как целое, представляет своего рода гигантскую паровую машину или, вернее, совокупность нескольких таких машин. Роль котла в них играют части поверхности (гл. обр., экваториальные) суши и моря, температура которых выше температуры окружающего воздуха, или части Атмосферы, нагретые непосредственно солнечной радиацией. Холодильником ж е может служить всякая часть поверхности суши и моря (гл. обр., вблизи сев. и юж. полюсов) более холодная, чем воздух над ней, или часть, достаточно охладившаяся вследствие излучения.
Роль маховика хорошо выполняет общая циркуляция А. Шоу подсчитал, что кинетическая энергия общей циркуляции является величиной порядка 3 х 1Ö27 эргов, т.-е. равна, примерно, энергии, развиваемой при движении со скоростью 10л»/сек. массы в 6.000 биллионов т .
Аналитическое исследование общей циркуляции.
Решение проблемы циркуляции путем математического анализа представляет очень большие трудности. Попытки применения математического анализа к проблеме циркуляции Атмосферы были сделаны различными исследователями, во все полученные результаты незначительны. В основании аналитического изучения лежат 5 уравнений гидродинамики, а именно 3 уравнения движения, уравнение неразрывности и уравнение притока энергии. Они содержат 5 неизвестных: три составляющих скорости, давление и температуру (или удельный объем).
Но величина притока энергии не может быть определена в наст, время на основании наблюдений. Чтобы обойти это затруднение, обычно отбрасывали 5-е уравнение и ограничивались первыми четырьмя, при чем предполагали заданным распределение температуры. Но задание температуры исключает возможность установления определенного распределения скоростей, и т. о. задача оказывается неопределенной. Необходимо пользоваться при этом разными дополнительными предположениями.
Другое большое затруднение состоит в том, что сами уравнения гидродинамики в обычном виде, по-видимому, неприменимы; необходимо принять во внимание наличие атмосферной турбулентности, но система уравнений турбулентного движения сжимаемой жидкости до сих пор не установлена. Старые исследования совершенно не принимали этого во внимание и даже ограничивались просто случаем несжимаемой жидкости. Правильная постановка проблемы циркуляции станет возможной только тогда, когда будет изучено распределение притока энергии и установлена система уравнений турбулентного движения для земной Атмосферы.
При этом должна быть принята во внимание идеализированная схема распределения моря и суши. Это даст возможность получить решение, заключающее объяснение происхождения центров действия и местных особенностей циркуляции.
Загрузка ...