Павел Астапенко - Вопросы о погоде

Аэрономия – наука о верхней атмосфере, о ее строении и происходящих в ней микропроцессах. Она занимается изучением распределения с высотой плотности и температуры, а также давления газов на высотах 100 км и более. Кроме того, аэрономия изучает концентрацию заряженных частиц – ионов, образующих ионосферу (как обычно называют радиофизики верхнюю атмосферу, известную в метеорологии под названием гетеросферы). При изучении микропроцессов в верхней атмосфере аэрономия уделяет основное внимание ионизации и диссоциации частиц атмосферного газа, химическим превращениям одних частиц в другие. Таким образом, аэрономия – родственная метеорологии научная дисциплина, но занимается она несколько иными проблемами. Если метеорологов в верхней атмосфере интересуют прежде всего крупномасштабные процессы – формирование воздушных течений, возникновение волновых возмущений, колебания состояния основных физических характеристик главным образом нижних слоев атмосферы (тропосферы и стратосферы), то для аэрономии интерес представляют более высокие слои, начиная с мезосферы, а в еще большей степени – термосфера и экзосфера.

Состояние атмосферы на больших высотах подвержено очень значительным колебаниям в зависимости от времени суток, солнечной активности, сезона и широты места. Практически приходится говорить не столько об устойчивости, сколько о неустойчивости верхней атмосферы: так, на высоте 300 км плотность воздуха ото дня к ночи может изменяться в три-четыре раза, а на высоте 600 км – даже в 10 раз! На высотах более 150 км, в термосфере, температура воздуха днем может достигать 1500-2000 К, а ночью она может быть в два раза ниже, «всего» 700- 1000 К.

Турбопаузой называют область перехода от гомосферы к гетеросфере, то есть из слоя активной турбулентной диффузии и неизменного состава воздуха в слой молекулярной диффузии, в котором с высотой относительное содержание легких газов увеличивается, а тяжелых – уменьшается, и, таким образом исчезает однородность состава воздуха. Высота турбопаузы – около 100 км, она может колебаться от 95 до 110 км.

Это суточная сумма тепла, получаемая на земной поверхности с учетом угла наклона ее к солнечным лучам и в условиях отсутствия воздуха, то есть атмосферы. Поскольку любая точка земной поверхности за сутки описывает полную окружность, то величина суточной инсоляции не зависит от долготы места, а только от широты. На экваторе она от сезона к сезону изменяется сравнительно мало – от 3729 до 3311 Дж/сут, а на полосах – очень сильно: от 4502 Дж/сут в момент летнего солнцестояния до 0 в период полярной ночи.

Годовые суммы инсоляции обоих полушарий приблизительно одинаковые, но сезонные различия существенны: летом северного полушария Земля находится у афелия своей орбиты, на наибольшем расстоянии от Солнца, и северное полушарие летом получает меньше солнечного тепла, чем южное, находящееся в свой летний сезон в лучших условиях облучения, так как Земля в это время находится у перигелия орбиты, то есть на наименьшем расстоянии от Солнца. Зато зимой инсоляция северного полушария больше, чем инсоляция южного полушария.

Это количество тепла, заключенное во влажном воздухе, то есть суммарное теплосодержание сухой части воздуха и смешанного с ним водяного пара. В биометеорологии в отличие от физики, где энтальпия – тепловая функция воздуха, или просто теплосодержание, это понятие служит для оценки физиологического комфорта живых существ. Она выражается в калориях в секунду, то есть в тех же физических единицах, что и скорость обмена веществ теплокровных животных.

Полярные льды называют маятником земного климата – его раскачивание дестабилизирует климат Земли, делает его неустойчивым в силу большой отражательной способности льдов и сильной зависимости теплового баланса земной поверхности от размеров площади, занятой льдами… Поэтому вопрос об устойчивости полярных льдов – решающий при оценке устойчивости земного климата. Однако мнения ученых об устойчивости полярных льдов расходятся. Определить масштабы потепления атмосферы, необходимого для исчезновения полярных льдов, очень трудно, особенно когда речь идет о льдах Арктики. По одним оценкам, для того чтобы растаяли полярные льды, достаточно устойчивого повышения температуры воздуха на несколько градусов. По другим оценкам, для этого понадобится повышение температуры воздуха не менее чем на 5°C, а для арктических льдов – и того больше (в районе Северного полюса даже на 20°C).

Хотя благодаря постоянному притоку пресной речной воды в арктические воды поверхность последних способна быстро охлаждаться и формирование морских льдов в Арктике происходит иначе, чем в Антарктике, все же трудно себе представить возможность сохранения арктических льдов при летних температурах воздуха, близких к 20°C, а зимних – около -10°C!

В метеорологии помимо измеренных значений состояния воздуха широко используются и так называемые расчетные характеристики, которые вычисляются, а не измеряются. Некоторые из них являются чисто теоретическими величинами. Например, помимо обычного ветра существует понятие эквивалентного ветра (рис. 89), который непосредственно не может быть измерен, его можно только вычислить. Это расчетный ветер, всегда направленный вдоль маршрута полета и оказывающий такое же влияние на путевую скорость самолета, как и фактический ветер. Известно несколько расчетных температур воздуха: эквивалентная, потенциальная, виртуальная, молярная и др. Эквивалентная температура соответствует той температуре воздуха, которую он имел бы после конденсации всего содержащегося в нем водяного пара при неизменном атмосферном давлении. Потенциальная температура – это температура, приведенная по сухоадиабатическому закону (без притока тепла извне) к давлению, равному 1000 гПа. Виртуальная температура – это температура сухого воздуха при данном давлении, если бы его плотность была такая же, как и плотность данного влажного воздуха, и т. д. Есть расчетные значения влажности (абсолютной, удельной, относительной), температуры туманообразования, упругости водяного пара, точки росы и т. п. Известны также расчетные средние климатологические характеристики (суточные, декадные, месячные, сезонные, годовые, экстремальные и др.)