Дэннис Пегин - Понять небо

Это заметно в Англии и Франции, а также на территориях в высоких широтах, таких как штат Нью-Йорк, Онтарио, Британская Колумбия, где растут фруктовые сады и виноградники. Но следующее свойство воды еще важнее для нашего климата. Вода имеет уникальное свойство — замерзая, расширяться, что делает лед более легким, чем жидкость. Лед плавает. Как результат, только относительно тонкие ледяные поля покрывают открытые водоемы. Эти поля могут легко таять с поглощением тепла из окружающей среды. Если бы лед не плавал, он мог бы постепенно собираться на дне водоемов до полного их оледенения. Они медленно таяли бы в течении лета и понизили бы температуру по всему миру, во всяком случае, в районах с умеренным климатом точно.

Следующее свойство воды — это ее относительная легкость в газообразном состоянии. Вес водяных паров составляет только около 5/8 от веса сухого воздуха (два атома кислорода и один кислорода сравнимы с двумя азота или с двумя кислорода). В результате влажный воздух поднимается над сухим. Это свойство важно для прогрессирования термической и грозовой деятельности.

СКРЫТОЕ ТЕПЛО

Последнее свойство воды мы будем называть "скрытым теплом". Это тепло "прячется" в пары воды во время процесса испарения и проявляется позднее, при конденсации.

Процессы выделения тепла при конденсации и абсорбирование тепла в процессе парообразования очень важны для формирования облаков и термической активности. Источником скрытого тепла обычно является воздух, в котором содержатся водяные пары. Воздух более насыщенный парами имеет тенденцию быть более холодным и более стабильным, например, над водоемами.

ИТОГИ

В этой главе мы расширили свои знания по составу и свойствам атмосферы. Мы выделили каждый аспект, но реально все это действует совместно и неотделимо друг от друга. Состояние воздуха: его температура, давление, влажность и все другие составляющие, а также изменение солнечной активности и силы гравитации Земли определяют погоду во всех регионах планеты.

Теперь попробуем вместе нарисовать общую картину происходящего в атмосфере, чтобы научиться предсказывать погоду и прогнозировать ситуацию, с которой мы можем встретиться в воздухе.

Любой, живущий на земле, знает, что атмосфера не просто большое воздушное одеяло, укрывающее нас, как хорошая квочка. высиживающая своих цыплят. Это динамично меняющаяся масса, постоянно находящаяся в большем или меньшем движении. Воздух перемещается во всех направлениях, в том числе вверх и вниз, вне зависимости от наших желаний и настроения.

В этой главе мы рассмотрим некоторые черты характера атмосферы. Наиболее важные это: устойчивость (стабильность), дисбаланс давления и эффект Кориолиса. Эти три фактора являются основными причинами движения воздушных масс и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях.

ГРАДИЕНТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Стабильность и нестабильность воздуха — это состояния атмосферы, которые мы должны изучить очень глубоко, чтобы понять, как возникают восходящие термические потоки. Но, во-первых, мы должны нарисовать профиль или градиент температуры воздуха. Как упоминалось ранее, 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. Посмотрите на рисунок 11. Кривая на графике А показывает идеальный профиль температуры или градиент "нормальной" атмосферы.

Атмосфера исключительно редко бывает нормальной, но это градиент, усредненный по всей поверхности земного шара. Это среднее значение градиента называется стандартным градиентом (СГ) и предполагает уменьшение температуры на 2 °C на каждые 300 м увеличения высоты.

Теперь посмотрите на график В. Это более реальная ситуация в ночное время. Здесь мы видим, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи.

Рис. 11. Градиент температуры

Приземная инверсия может распространяться вверх до высот 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 на графике стандартной атмосферы. Воздух в инверсионном слое стабилен. С увеличением высоты, как показано на графике, температура уменьшается и, примерно, на 1500 м второй слой инверсии.

Дневная ситуация очень похожа на изображенную на графике С. Здесь мы видим, что у земли воздух более теплый, чем на стандартном распределении. Это связано с тем, что в течение дня земная поверхность прогревается и отдает свое тепло воздуху, который, поднимаясь, согревает верхние слои. Прерывистая линия на графиках В и С показывает уменьшение температуры по времени в течение ночи и увеличение ее в течение дня. Таким образом градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.

СТАБИЛЬНОСТЬ И НЕСТАБИЛЬНОСТЬ

Стабильный воздух — это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как изображено на рисунке 12.

Рис. 12. Смысл стабильности

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 °C через каждые 100 м. Такое же охлаждение имеет место у гелиевых или тепловых воздушных шаров, когда они поднимаются вверх, если их не греют.

Норма охлаждения поднимающегося воздуха — 1 °C/100 м — называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому что эти пары не конденсируются. Адиабатический, потому что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальной жизни некоторый обмен тепла присутствует, но обычно ограничен и незначителен.

Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный даже при том же давлении. Это связано с большей энергией частиц теплого воздуха. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево всплывает в воде, а камень тонет.

Если наш счастливый пузырек воздуха поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1 °C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку 12. Фактически пузырек воздуха достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего, поднимаясь вверх, он быстрее остывает и, следовательно, подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности.