Фрэнк Форрестер - Тысяча и один вопрос о погоде

Высота нижней границы экзосферы недостаточно точно определена. Ученые отводят ей место между 800 и 1200 км от Земли. Как высоко проходит ее верхняя граница, т. е. граница атмосферы, можно лишь предполагать.

58. Что такое ионосфера? Выше 100 км над поверхностью Земли, как мы уже отмечали, давление крайне низкое: здесь содержится гораздо меньшее количество молекул и атомов атмосферных газов, чем в ниже лежащих слоях. Электроны атомов различных газов более подвержены здесь бомбардировке частиц солнечных коротковолновых излучений, т. е. могут более легко ускользать со своих орбит, по которым они движутся вокруг ядра атома. Потеря электронов вызывает нарушение равновесия в различных атомах и молекулах. Когда происходит потеря достаточно большого числа электронов и, следовательно, возрастает число свободных ионов, газ становится ионизированным. Поэтому атмосферу на этих высотах (100—1000 км) часто называют ионосферой. Процесс ионизации, которому ионосфера обязана своим названием, вызывает в верхней атмосфере множество специфических явлении.

59. Как ионосфера влияет на радиосвязь? Когда идет процесс ионизации, происходит увеличение электропроводимости. Несколько ионизированных слоев, расположенных на различных уровнях ионосферы, отражают радиоволны. Эти отражающие слои по степени отражения, поглощения и времени прохождения радиоволн делятся на четыре слоя: слои D, Е, F 1 и F 2. Более низкие из них ионизируются слабо и в основном отражают длинные волны. Выше лежащие, более сильно ионизированные слои воздействуют на короткие волны.

Слой D располагается на высоте 60—100 км. Слой Е лежит на высоте от 100 до 150 км. Слой F 1 в ночное время сливается со слоем F 2, находящимся в среднем в 300 км от поверхности Земли. Положение и интенсивность этих слоев существенно меняются ото дня к ночи. Во время солнечных возмущений они становятся очень неустойчивыми и резко меняют свое положение и интенсивность за какие-то секунды. В таких случаях радиосвязь часто нарушается.

60. Что такое озоносфера? Это озоносодержащий слой атмосферы, расположенный на высоте 10–60 км, т. е. главным образом в стратосфере и нижней части мезосферы. В озоносфере происходят фотохимические процессы образования озона, благодаря чему его содержание здесь велико. Максимум содержания озона приходится на высоты 20–25 км. Озон способен поглощать значительную долю ультрафиолетовой радиации, идущей от Солнца, поэтому температура воздуха в верхней части озоносферы поднимается до 0 °C.

61. В чем заключается различие между теплом и температурой? Тепло часто путают с температурой. Тепло есть общая сумма энергии всех движущихся молекул данного тела. Температура же — это мера нагретости тела, или мера средней скорости движения молекул тела в данный момент. Тело может обладать высоким содержанием тепла (большая масса — много молекул), но низкой температурой (средняя энергия отдельно взятой молекулы невелика). Примером этого является айсберг или большой аквариум, наполненный водой. Или, наоборот, тело может обладать низким содержанием тепла, но высокой температурой: например, горящая спичка или чашка горячего кофе.

62. В каких единицах измеряется тепло? Тепло измеряется действием, которое оно вызывает. Единицы, в которых выражается тепло, непосредственно связаны с температурой. Основной единицей, употребляемой в метеорологии, является грамм-калория. Это количество тепла, необходимое для того, чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C.

63. Что такое удельная теплоемкость? Одни вещества нагреваются быстрее, чем другие. Легче всего это заметить в жаркий день на берегу моря. Песок сильно нагревается за день и быстро остывает за ночь. В сравнении с ним морская вода труднее поддается нагреванию. Для того чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C, нужно затратить 1 кал., тогда как для нагревания 1 г алюминия потребуется всего лишь 0,2 кал. Таким образом, удельная теплоемкость вещества есть число грамм-калорий, требующихся для того, чтобы повысить температуру 1 г воды на 1 °C. Следовательно, удельная теплоемкость воды записывается как 1,00. Для того чтобы нагреть 1 г золота на 1 °C, нужно затратить всего 0,03 кал. Отсюда удельная теплоемкость золота составляет 0,03. Вот удельная теплоемкость некоторых веществ: воды — 1,00, резины — 0,44, алюминия — 0,21, этилового спирта — 0,56, водорода — 3,389, меди — 0,09, ртути — 0,0331.

64. Что такое перенос тепла? Под переносом тепла подразумеваются различные способы, которыми тепло и энергия переносятся от одного места к другому. Тепло играет жизненно важную роль почти во всех процессах погоды. Знание того, каким образом тепло переносится через воздух, — это главное условие для понимания сущности погоды. Основными способами переноса тепла являются теплопроводность, радиация и конвекция.

65. Что такое теплопроводность? Это способность вещества проводить тепло. Различают теплопроводность молекулярную и турбулентную. Тепло от ручки горячего чайника передается к руке посредством молекулярной теплопроводности. Молекулы нагревающегося вещества движутся со все возрастающей скоростью и толкают соседние молекулы; так теплота сообщается всему веществу. Различные вещества имеют различную теплопроводность. Чем плотнее вещество, тем лучше его теплопроводность. Металлы являются хорошими проводниками. Стекло и пластмасса — не столь хорошие проводники. Жидкость плохо проводит тепло, а самые плохие проводники тепла — газы. Воздух — плохой проводник тепла, поэтому он является хорошим изолятором. Вакуум — лучший из всех изоляторов, и на этом его свойстве основано устройство обычного термоса. Почти полный вакуум, созданный между его оболочками, не дает теплу улетучиваться из заключенной в термосе жидкости.

В метеорологии турбулентная теплопроводность является важнейшим фактором переноса тепла. Турбулентная теплопроводность в отличие от молекулярной связана с переносом тепла вместе с крупными элементами вещества при неупорядоченном турбулентном движении, свойственном газам и жидкостям.

66. Что такое радиация? Радиация — это быстрый, почти мгновенный перенос тепла путем его излучения. Этот процесс происходит так быстро потому, что энергия излучения распространяется со скоростью света. Радиация есть процесс, в ходе которого энергия переносится через пространство, не встречая на своем пути материальной среды. Именно посредством радиации Земля получает энергию от Солнца, поглощая ее, а затем возвращая в виде земного излучения.

67. Что такое конвекция? Конвекция — это процесс переноса энергии путем упорядоченных вертикальных перемешиваний в воздухе или жидкости. Некоторая часть воздуха нагревается в результате контакта с теплой земной поверхностью. При этом воздух расширяется, а плотность его уменьшается. Будучи относительно легким по сравнению с окружающим холодным воздухом, этот воздух приобретает подъемную силу, которая заставляет его подниматься через окружающий холодный воздух примерно таким же образом, как кусочек пробки поднимается к поверхности воды. Этот восходящий воздушный поток называется тепловым, а сам процесс носит название тепловой конвекции. Иногда воздух вынужден подниматься, натыкаясь на своем пути на какие-либо объекты, например холмы или горы. Это так называемая механическая конвекция. Огромные количества тепла переносятся через тропосферу воздушными потоками, поднимающимися конвективно.