Тема 3. Вода в атмосфере

Тема 3. Вода в атмосфере
3.1 Общая характеристика
влагооборота
3.2. Характеристики влагосодержания
3.3.Конденсация в атмосфере.
3.4. Облака
3.5.Световые явления в облаках
3.6. Туман, дымка, мгла
3.7. Осадки
3.8. Наземные гидрометеоры
3.1 Общая характеристика
влагооборота
• Влагооборот - обмен водой между
гидросферой, атмосферой, верхними
слоями литосферы и живыми
организмами.
• (испарение – конденсация - выпадение
осадков – сток).
• Поступление воды в атмосферу:
- физическое испарение - испарения с
поверхности океанов и других водоёмов,
влажной почвы
- транспирация воды растениями.
• Суммарное испарение - испарение +
транспирация.
• Перенос молекул воды в воздухе - в
результате молекулярной диффузии, общего
переноса и турбулентной диффузии.
• Насыщение- возвращение молекул
воды равно их отдаче с поверхности испарение прекращается (состояние
подвижного равновесия)
- водяной пар— насыщающим,
- воздух — насыщенным.
Испарение
Средние широтные значения
испарения с океанов в год
испарение
200
150
100
50
0
60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60
широта
• С суши испаряется 485 мм (стекает 315
мм)
• С океана испаряется 1400 мм
• Испаряемость - максимально возможное
испарение не ограниченное запасами
влаги.
• Величина испаряемости характеризует,
насколько погода и климат в данной
местности благоприятствуют процессу
испарения.
• Испаряемость не всегда совпадает с
фактическим испарением, в аридных и
семиаридных районах испаряемость всегда
больше, чем фактическое испарение.
Осадки
• Выпадает 577 тыс. км2 (1130 мм)
- суша – 21% (800мм)
- океан – 79% (1270мм)
• ½ - между 200с.ш. и 200 ю.ш.
• 4% - полярные зоны
• На всем земной шаре
испарение = осадкам
На суше – испарение меньше осадков
На океане испарение больше осадков
По широтам
Испарение меньше осадков
На экваторе
Севернее 350 с.ш. и южнее 450 ю.ш.
• Внутренний влагооборот для
данной территории - выпадение
осадков за счет влаги, испарившейся с
участка территории.
• Внешний влагооборот для данной
территории - выпадение осадков за
счет влаги, привнесенной извне
(адвективные осадки).
Адвективные осадки составляют для:
•
•
•
•
•
•
•
Европы – 70%
Азии – 55%
Африки – 70%
Северной Америки – 60%
Южной Америки – 59%
Австралии – 88%
Внутренний влагооборот незначительно
увеличивает количество осадков.
Мероприятия по увеличению испарения с
суши ненамного увеличат осадки.
3.2. Характеристики влагосодержания
• Абсолютная влажность.
масса водяного пара в 1 м3, выраженная
в граммах на кубический метр
называется
• a=217e/T г/м3
• а - абсолютная влажность,
• е - парциальное давление водяного пара, Т-температура
воздуха в абсолютной шкале.
• а= 0,8е/1+ t,
• где е - парциальное давление водяного
пара (гПа),
•  - объемный коэффициент теплового
расширения газов (равен 1/273,15 или
3,66х10 –3 (0С)-1
• t - температура воздуха по шкале
Цельсия (0С),
• Давление водяного пара (е, гПа)
(парциальное или фактическое
давление водяного пара)
пропорционально его плотности и его
абсолютной температуре.
Меняется от сотых долей (Антарктида) до
35 -40 гПа (экватор).
• Давление насыщения (Е, гПа)давление водяного пара в состоянии
насыщения - максимальное давление
водяного пара, возможное при данной
температуре. (при повышении
температуры на каждые 10 давление
насыщения возрастает почти вдвое).
• Относительная влажность (f) • отношение
давления
водяного
пара,
находящегося в воздухе к давлению
насыщения при той же температуре,
выраженное в процентах
• =e/E*100%
Дефицит насыщения (Д, гПа) –
разность между давлением насыщения Е
при данной температуре и фактическим
давлением е пара в воздухе
Д=Е - е
• Дефицит насыщения,
рассчитанный по температуре
испаряющей поверхности (d).
• d = Е1 –е
• Е1 давление насыщенного пара у
поверхности воды или суши
• е фактическое давление водяного пара
в воздухе на некотором удалении от
поверхности.
• Точка росы (τ,0С)• температура,
при
которой
содержащийся в воздухе водяной пар
мог
бы
насытить
воздух
при
неизменном давлении
Массовая доля водяного пара
(удельная влажность) (S)
показывает,
какую
часть
общего
давления
атмосферы
составляет
давление водяного пара.
S = 0,622 e/p,
е - парциальное давление водяного
пара,
р - атмосферное давление.
Вертикальный профиль парциального
давления водяного пара
• При линейном возрастании
коэффициента турбулентности
e1- e2/e2-e3 =ln(z2/z1) /ln(z3/z2)
e1 , e2 , e3 - парциальное давление
водяного пара на уровнях z1, z2, z3.
Условие испарения или конденсации
Е1 - е  0, то происходит перенос пара от
поверхности воды в воздух - испарение;
Е1- е  0, преобладает поступление пара
из воздуха (конденсация или
сублимация).
Е1 - е = 0 наблюдается динамическое
равновесие потоков к поверхности
водоема и от нее.
Равновесная относительная влажность
Под равновесной относительной влажностью
понимается влажность, при которой
устанавливается динамическое равновесие
систем пар-жидкость или пар-лед.
• fp = E1/E x 100 %
• Е1 - давление насыщенного водяного пара в тонком слое
над поверхностью воды (льда), определяемое по
температуре испаряющей поверхности с учетом ее
фазового состояния,
• Е - давление насыщенного водяного пара над плоской
поверхностью чистой воды, определяемое по
температуре воздуха. При отрицательных температурах
Е берется по отношению к воде.
• если f  fp
• осуществляется конденсация,
• если f  fp –
• осуществляется испарение,
• если f = fp• динамическое равновесие.
Географическое распределение
характеристик влажности воздуха.
зависит:
• от испарения в каждом данном районе,
• от переноса влаги воздушными
течениями из одних мест Земли в
другие,
• от распределения температуры воздуха
на поверхности.
• Наибольшее влагосодержание
наблюдается у экватора (многолетнее
среднее месячное значение е выше 20
гПа, экстремальные значения – до 35
гПа -. испарение + транспирация).
• Наименьшее влагосодержание внутренне холодные районами
Центральной и Восточной Азии (е меньше 0,1 гПа), внутренние районы
Антарктиды.
• Влажность убывает с широтой.
Наиболее отчетливо связь
влагосодержания с температурой
проявляется зимой.
• е ниже над материками, выше над
океанами. Над океанами зональность
характеристик влагосодержания
отчетливо проявляется во все сезоны
года.
• Абсолютная влажность воздуха
соответствует ходу температуры
• На экваторе - 19 г/м3
• Приполярные районы (70-600) - 3 г/м3.
• В среднем годовом для всей Земли - 11
г/м3 (около 1% от общей плотности
воздуха у земной поверхности)
• Зимние значения во всех широтах
меньше летних.
•
•
•
•
Максимальная относительная
влажность –
экватор (в среднем годовом не менее
85%)
акватория Северного Ледовитого
океана, севера Атлантического и Тихого
океанов.
зимой в Сибири и над Европой (до 75 80%).
летом - Индия, (океанический югозападный муссон).
Очень низкая относительная
влажность (50% и ниже):
• круглый год в субтропических пустынях:
Сахаре, Аравии, в пустынях Южной
Америки, Австралии
• зимой внутренняя Индия и Тибетское
нагорье,
• летом – внетропические пустыни
Колорадо, Средней Азии и Ирана.
Испаряемость
• Зональное распределение (повторяет
распределение температуры)
• Минимальна в приполярных широтах,
(на Шпицбергене - 80 мм)
• Средние значения – умеренные широты
(Средняя Европа — 450 мм)
увеличиваясь в субтропиках (Средняя
Азия до 1800 мм).
• В тропиках на побережьях невелика,
возрастает внутри материков (на
Атлантическом побережье Сахары 600-700 мм, береговые пустыни Перу,
Чили и Южной Африки 600-800 мм,
Аравия и пустыня Колорадо выше 3000
мм).
• Относительно невелика у экватора
(700-1000 мм).
3.3.Конденсация в атмосфере.
Конденсация - это переход воды из
газообразного в жидкое состояние
• В результате - образования
мельчайших капелек диаметром
порядка нескольких микронов.
• Более крупные капельки - путем
слияния мелких или при таянии
ледяных кристаллов.
Условия конденсации в атмосфере
• Подъем воздушной массы
• Охлаждение до точки росы (состояние насыщения)
• Дальнейшее понижении температуры - избыток
водяного пара сверх насыщения переходит в жидкое
состояние.
• Возникают зародыши облачных капелек
• Начальные комплексы молекул воды растут до
величины обычных облачных капель.
Механизмы подъема различны:
 в процессе турбулентности в виде неупорядочных
вихрей,
 в сильных восходящих токах конвекции.
 на атмосферных фронтах или в гребнях
атмосферных волн.
 в зависимости от механизма подъема возникают и
различные виды облаков.
Охлаждение воздуха адиабатическое
Ядра конденсации
• Ядра конденсации - аэрозольные примеси (десятые и сотые
доли микрона) природного или антропогенного
происхождения :
 частички растворимых гигроскопических солей – жидкие
аэрозоли (морская соль)
 частички пыли с поверхности почвы (SiO2, Al2O3, Fe2O3 0,7-2 до
20мкм)
 продукты извержения вулканов (менее 1мкм)
 продукты сгорания при лесных и торфяных пожарах
 частички органического происхождения (пыльца, споры 20-60
мкм), бактерии (1-15 мкм)
 частички дыма, сажи, золы антропогенного происхождения
 выбросы промышленных предприятий (SO2, CO, CO2, NOn H2S
NH3, радиоактивные отходы атомных станций)
Газовое загрязнение
Выбросы промышленных предприятий
(SO2, CO, CO2, NOn H2S NH3,
радиоактивные отходы атомных
станций)
Газовые выбросы вулканов
В результате соединения газов с
кислородом
и
фотохимических
процессов образуются твердые и
жидкие аэрозоли
• Поступление твердых аэрозолей:
Природных - 1300 млн.т/год
Антропогенных - 50 млн.т/год
Поступление аэрозолей из газов:
Природных - 900 млн.т/год
Антропогенных – 300 млн.т/год
• В сумме – 2,3 млн.т./год (с разбросом в
1,5 млн.т./год
• Около 1 млн.т/год – результат
превращений газов в атмосфере
(основная доля антропогенные газы)
Количество ядер конденсации
• У земной поверхности – от нескольких
тысяч до десятков тысяч в 1 см3
• На высоте 3-4 км - несколько сотен на 1
см3.
• 5-10 км – десятки на 1 см3
Свойства ядер конденсации
• Малые размеры - не оседают и переносятся
воздушными течениями на большие
расстояния.
• Гигроскопичны - плавают в атмосфере в виде
мельчайших капелек насыщенного соляного
раствора.
• При повышении относительной влажности
начинают расти, а при значениях влажности в
100% превращаются в видимые капельки
облаков и туманов
• Если точка росы лежит ниже нуля, то
первоначально возникают ледяные
зародыши (ледяные ядра, ядра
льдообразования), на которых
намерзают переохлажденные капельки
(кристаллизация)
• Менее вероятна сублимация т.е
переход водяного пара в твердое
состояние.
Кристаллизация воды
• При кристаллизации воды неупорядоченное
расположение ее молекул сменяется
упорядоченным.
• В твердое состояние сначала переходят небольшие
группы молекул воды толщиной в элементарную
ячейку пространственной решетки кристалла
(ледяные ядра).
• Кристаллизация начинается не во всей ее массе, а
лишь в тех местах, где условия уже "готовы" к
возникновению кристаллов.
• При низких температурах критические размеры
зародыша льда, обеспечивающие его дальнейший
рост, уменьшаются, — поэтому кристаллизация воды
становится более вероятной и происходит быстрее.
• Если в воздухе нет ядер льдообразования, жидкая
вода может долго находиться в переохлажденном
состоянии.
• Опытным
путем,
при
отсутствии
ядер
кристаллизации, можно охладить воду до
-50°С, и ниже.
• В природе капельки воды в переохлажденном
состоянии находятся в облаках при температуре
от -12°С, до -30°С и ниже.
• Если при таких условиях появляются ядра
льдобразования, начинается бурное образование
льда.
Слой Юнге
• Стратосферные аэрозоли
•
•
•
•
•
•
мах концентрации:
18-25 км (тропики), 14-20 км полярные районы
Размеры -0,1-1 мкм
Концентрация 1-10 частиц /см3
90% - субмикронные
75% - серная кислота
Рассеивают солнечную радиацию, увеличивают
альбедо Земли.
3.4. Облака.
Облака - скопления продуктов конденсации
— капелек и кристаллов
Капельки и кристаллы это облачные элементы
(ОЭ)
Удельный вес ОЭ уравновешивается силой
трения, а турбулентное движение воздуха
поддерживает их взвешенными в воздухе,
перемещая то вниз, то вверх.
.
• Облака:
- переносятся воздушными течениями.
- при уменьшении относительной влажности воздуха
испаряются.
- при определённых условиях часть ОЭ укрупняется и
выпадает из облаков (осадки)
- отдельное облако существуют очень короткое время
- В облаках постоянно идет образование и
исчезновение отдельных ОЭ.
- длительно существует процесс облакообразования
• Размеры ОЭ:
• от долей микрона до сотен микронов. при
замерзании капелек - полные кристаллы —
ледяные шестиугольные пластинки или
призмы диаметром 10-20мк.
• При дальнейшей сублимации превращаются
в шестилучевые звёзды или кристаллы более
сложной структуры и размером до нескольких
миллиметров в диаметре.
• Количество ОЭ в единице объёма несколько сотен на кубический
сантиметр в нижней части тропосферы.
• Водность облаков (содержание воды в
жидком или твёрдом виде) - от 0.2 до 5 г
на кубический метр облачного воздуха,
(водность облаков меньше, чем
абсолютная влажность воздуха).
Классификация облаков
•
•
•
•
Международная классификация
По составу ОЭ
По высоте образования
По происхождению
• По составу ОЭ
водяные (капельные) облака;
смешанные (смесь переохлаждённых
капелек и ледяных кристаллов при
умеренных отрицательных
температурах;
ледяные (кристаллические) облака при
достаточно низких температурах
Чисто капельное строение облака могут
сохранять до температур -10С.
Международная классификация
1. Перистые
2. Перисто-кучевые
3. Перисто-слоистые
4. Высоко-кучевые
5. Высоко-слоистые
6. Слоисто-дождевые
7. Слоисто-кучевые
8. Слоистые
9. Кучевые
10. Кучево-дождевые
— Cirrus (Ci)
— Cirrocumulus (Cc)
— Cirrostratus (Cs)
— Altocumulus (Ac)
— Altostratus (As)
— Nimbostratus (Ns)
— Stratocumulus (Sc)
— Stratus (St)
— Cumulus (Cu)
— Cumulonimbus (Cb)
По высоте образования
Верхний ярус
• в полярных широтах от 3 до 8 км,
• в умеренных широтах — от 5 до 13 км,
• в тропических — от 6 до 18 км.
Средний ярус
• в полярных широтах — от 2 до 4 км,
• в умеренных — от 2 до 7 км,
• в тропических — от 2 до 8 км.
Нижний ярус
— во всех широтах — от земной поверхности
до 2 км.
Перистые, перисто-кучевые и перистослоистые — облака верхнего яруса
Высоко-слоистые, располагаясь в среднем
ярусе могут проникать в верхний
Высоко-кучевые — среднего яруса
Слоисто-дождевые — в нижнем ярусе, но
проникают в средний.
Слоисто-кучевые и слоистые — нижнего
яруса
Кучевые и кучево-дождевые – снования в
нижнем ярусе, вершины часто проникают в
средний и верхний ярус.
Генетические типы облаков
• внутримассовые - в результате
процессов внутри воздушных масс
• Фронтальные – процессы между
отдельными воздушными массами.
Внутримассовые облака
• Облака конвекции - в результате
адиабатического охлаждения воздуха в
восходящих токах в неустойчивых
воздушных массах.
• Скорость восходящих токов - 3-6 м/сек,
(выше 20 м/сек).
• Формируются кучевые облака,
• При последующем развитии - кучеводождевые.
Процессы в кучево-дождевых (Cb) облаках
• Появляются ледяные кристаллы в верхних
частях облаков (оледенение вершин облаков)
и волокнистые структуры.
• Этот процесс приводит к выпадению осадков
из кучево-дождевых облаков
• Кучево-дождевые облака достигают уровня
13 км, (тропики и выше 14 км). Поперечники
кучево-дождевых облаков 15-20 км, облака
состоят из отдельных ячеек, которые
существуют в течении 20-30 минут.
Условия развития облаков конвекции
• воздушная масса обладает неустойчивой
стратификацией
• вертикальные градиенты температуры до
уровня конденсации больше
сухоадиабатического градиента,
• выше уровня конденсации – больше
влажноадиабатического градиента.
•
•
•
•
Высота конденсации :
• Z =122 (t0-0),
где Z – уровень конденсации в метрах,
t0- температура воздуха у земли (0С),
0 – точка росы для этого воздуха,
размерность коэффициента – 122
м/град.
Температуры на уровне оледенения
составляют -8 -120С.
Высота облаков зависит от положения:
 уровня конденсации
нулевой изотермы
уровня замерзания
уровня конвекции
Уровни:
•
•
1 – конденсации
2 –конвекции
3 –нулевой изотермы
4 - кристаллизации
Облака конвекции динамические:
при натекании воздуха на горный хребет
1 – уровень конденсации
2 – уровень нулевой изотермы
Внутримассовые облака на суше летом имеют
суточный ход:
• появляются после восхода Солнца
• наибольшее развитие в полуденные часы
• исчезают с заходом
В тропиках над океаном обратный суточный ход:
• появляются перед заходом
• наибольшее развитие ночью
• исчезают с восходом
Внутримассовые волнообразные
• Устойчивые воздушные массы (в
основном тёплые)  турбулентный
перенос водяного пара вместе с
воздухом от земной поверхности вверх
до слоя инверсии  накопление
водяного пара  адиабатическое или
радиационное охлаждение 
формирование слоистых (St) и
слоисто-кучевых (Sc) облаков нижнего
яруса.
• Облака растянуты в горизонтальном
направлении и имеют волнистую
структуру (волновой процесс в слое
инверсии).
• В слое инверсии воздушные волны
длиной порядка 50-2000 м.
• В гребнях волн воздух поднимается
вверх, между гребнями опускается
вниз.
• Образуются ночью и в холодный сезон.
• Облачный слой разделяется на отдельные валы
(слоисто-кучевые облака Sc).
• Слой инверсии в средней тропосфере высококучевые облака (Ac).
Фронтальные облака
облака упорядоченного восходящего
скольжения.
• огромные облачные системы, вытянутые в
длину вдоль линии раздела воздушных масс
(вдоль фронта) на тысячи километров и в
ширину сотни километров.
Облачность теплого фронта
• Медленное вползание тёплого воздуха по
холодному клину  адиабатическое
охлаждение теплого воздуха  конденсация
водяного пара  облачная система в тёплом
воздухе над холодным.
• Вблизи линии фронта - слоисто-дождевые
(Ns) облака мощностью в несколько
километров между уровнями 1-2 и 6-8 км.
• Далее менее мощные высокослоистые (As) перисто-слоистые (Cs)
• На расстоянии до 700 км перистые (Ci)
облака.
• Осадки из высокослоистых (As) облаков не
достигают земной поверхности,
• Из слоисто-дождевых (Ns) облаков
выпадают обложные осадки полосой 200-300
км.
• Вместе с перемещением фронта
перемещаются облака и осадки.
• Признаками тёплого фронта с последующей
мощной облачностью и осадками являются
вытянутые полосы перистых (Ci) облаков на
западном или южном горизонте
Облачность холодного фронта
• Перемещение холодной массы на
место тёплой
• Холодные фронты бывают двух типов:
1-го и 2-го родов
Холодный фронт 1 рода
• Упорядоченное поднятие теплого воздуха над
вторгающимся клином холодного.
• Облачная система - сплошной массив высокослоистых (As) и слоисто-дождевых (Ns) облаков
• Слоисто-дождевые облака появляются вначале и
почти внезапно, а затем, за фронтом, переходят в
высоко-слоистые.
• Облачность, свойственная теплому фронту, но
абсолютно в обратном порядке.
• Осадки начинаются на линии фронта и выпадают за
фронтом в холодном воздухе.
• Ширина зоны осадков меньше, чем у теплого
фронта.
Холодный фронт 2-го рода
• Быстродвижущийся или ускоряющийся
фронт.
• Перед фронтом - мощные кучево-дождевые
облака (Cb), возникающие со шквалами,
ливневыми осадками и грозами.
• Местным признаком приближения грозового
холодного фронта высоко-кучевые облака
(Ac).
• За линией фронта давление повышается и
быстро наступает прояснение.
• Внетропические широты –
преобладание фронтальной
облачности, летом - облака конвекции
• Тропики - более характерны облака
конвекции и волнообразные
Кучевые облака
Внешний облик:
• плотные, с резко очерченными контурами,
• белые и ярко белые в виде холмов, куполов,
башен
• с куполообразными вершинами и плоскими
основаниями
Состав:
• Водяные (при отрицательных температурах
переохлажденные капли)
Осадки
• не дают
Кучевые облака
Кучево-дождевые
Внешний облик:
• мощные кучевообразные облачные массы,
• очень сильно развитые по вертикали в виде гор и башен, часто
от нижнего и до верхнего яруса, верхние части имеют
волокнистую структуру (наковальня с кристаллической
структурой)
• закрывают солнце и сильно уменьшают освещенность
Состав:
• в верхних частях ледяные кристаллы, а в нижних — кристаллы
и капельки различной величины, вплоть до самых крупных
Осадки:
• осадки ливневого характера: это интенсивные дожди, иногда с
градом, зимою сильный густой снег, крупа.
• грозовые явления,
• на их фоне нередко наблюдается радуга.
Кучево-дождевые
Перистые облака Ci
• Отдельные белые волокнистые.
Прозрачные (толщина от сотен м до
нескольких км)
• Просвечивающие
• Осадков не дают
• Ледяные
Перисто-кучевые Cc
• Белые тонкие в виде мелкой ряби,
волн, без серых оттенков
• Ледяные
• Просвечивают
• Осадков не дают
Перисто-слоистые Cs
• Беловатая или голубоватая пелена
слегка волокнистого строения
• Просвечивают. Могут закрывать весь
небосвод
• Ледяные
• Вокруг светил образуют гало
• В Арктике могут давать мелкий снег
• Перисто-кучевые (Cc)
• Перисто-слоистые (Сs)
• Перистые (Ci)
Высоко-слоистые (As)
•
•
•
•
•
•
Внешний облик:
светлый, молочно-серый до серого облачный покров
слегка волокнистое строение
слабопросвечивающие или плотные
постепенно закрывают все небо
сквозь них можно видеть диски солнца и луны в виде
размытых пятен, как сквозь матовое стекло
Состав:
Переохлажденные капли и ледяные кристаллы
Осадки:
• слабые осадки (редкие капли или снежинки), в
теплое время года испаряются по пути к земной
поверхности. Зимой выпадает мелкий снег.
Высоко-кучевые (Ac)
•
•
•
•
•
•
•
Внешний облик:
Белые, иногда сероватые в виде облачных пластов
или гряд, состоящих из отдельных пластин, дисков
или хлопьев, иногда сливаются в сплошной покров
затеняют солнце
Состав:
переохлажденные капли
Осадки:
не дают
Характерны:
венцы (окрашенные круги небольшого радиуса
вокруг дисков светил).
иризация (края облаков, находящихся перед
солнцем, получают радужную окраску).
• Высоко-кучевые (Ac)
• Высоко-слоистые (As)
Слоисто-кучевые Sc
•
•
•
•
Внешний облик:
серые или беловатые, всегда имеют более
темные части
состоят из отдельных гряд, волн, пластин,
расположенных регулярно, иногда сливаются
в покров
Состав:
преимущественно водяные (зимой
смешанные)
Осадки
не дают (зимой может быть слабая морось
или очень слабый снег).
Слоисто-дождевые Ns
•
•
•
•
•
Внешний облик:
темно-серый облачный покров с синеватым оттенком
закрывают все небо без просвета
непросвечивающие, сильно уменьшают солнечную
радиацию
Состав:
смешанные
Осадки:
обложные (дождь и снег)
Имеют общее происхождение с высоко-слоистыми.
Слоистые St
•
•
•
•
Внешний облик:
однородные, серые (сходные с туманом)
закрывают все небо
солнечный диск, если просвечивает, имеет четкие очертания
Сильно уменьшают солнечную радиацию
Состав:
• Водяные (при очень низких температурах – ледяные)
Осадки:
• морось (при низких температурах - ледяные иглы, мелкий снег,
снежные зерна).
Нижняя часть иногда представлена в виде разорванных клочьев
(тогда их называют разорванно-слоистыми).
• Слоисто-дождевые (Ns)
• Слоистые (St)
• Слоисто-кучевые (Sc)
Облачность. Суточный и годовой ход
• Облачность - степень покрытия
небесного свода облаками
• Выражается в десятых долях покрытия
неба (0-10 баллов).
• Оценивают общую облачность и
количество нижних облаков
Суточный ход облачности
• Внутримассовые слоистые и слоистокучевые - максимум ночью и утром.
• Облака конвекции имеют отчетливо
выраженный суточный ход.
• Над сушей в умеренных широтах
Летом: два максимума облаков — утром и
после полудня.
Зимой: преобладает утренний максимум.
• В тропиках
• весь год послеполуденный максимум,
(конвекция).
• Над морем облака конвекции и облака
восходящего скольжения не имеют ясного
суточного хода.
Годовой ход
• Различен в разных климатических зонах.
Высокие и умеренные широты
• умеренно континентальный климат максимум
приходится на зиму (циклоническая деятельность),
минимум – на весну и лето(облака конвекции).
• морской климат различий в годовом ходе
облачности между сезонами не наблюдается.
• резко континентальный климат минимальная
облачность зимой, максимальная летом.
•
•
•
•
•
Субтропики
летом минимум (господствуют
антициклоны)
зима –максимум.
Тропики
в пассатной зоне – максимум лето,
минимум зима
Антарктида -8,9 балла
Сахара – 0,5 балла
• Над морем облачность больше, чем
над сушей.
• Северное полушарие над морем — 5.6,
над сушей — 4.8,
• Южное полушарие — над морем 6.0,
над сушей — 4.9 .
• Для всего Земного шара в целом
облачность составляет 5.4
•
•
•
•
•
Продолжительность солнечного
сияния
Время, в течение которого прямые
солнечные лучи освещают земную
поверхность.
зависит от длины дня (широта
местности и время года),
облачности.
Определяется гелиографами
Выражают либо в часах, либо в
процентах от наиболее возможной
продолжительности.
• Возрастает от полярных широт к
тропикам.
• В Арктике 25% и ниже,
• в Северной Европе — около 40%,
• в Италии — 50%.
• Максимум в субтропических пустынях
(например, в Аризоне — 88%, а в
летнее время до 97% от возможной).
• Близ экватора — 35%.
Суточный ход
• Умеренные широты - самые солнечные
часы суток летом от 10 до 11 часов,
зимой от 13 до 14 часов.
.• Тропики самые солнечные часы суток
8-9 часов
В годовом ходе
• Умеренные широты - максимум июльавгуст
• Субтропики (пустыни) — июнь и
сентябрь.
• Тропики — максимум сухой период,
минимум —влажный (особенно в
муссонных районах).
• Горы беднее, чем прилегающие
равнины (но зимой наоборот). Это
является важным преимуществом
горных курортов.
• На горных вершинах максимум
приходится на два часа раньше, чем на
равнине
• В больших городах загрязнение воздуха
снижает на 20% и более по сравнению
с сельской местностью.
Число ясных и пасмурных дней
Ясные дни:
Ифрена (Ливия) — 293,
Термез (Узбекистан) — 260,
Имандра (Кольский п-ов) — 9,
Пасмурные дни:
Бен-Невис в Шотландии — 247
Тайвань — 233.
3.5. Световые (оптические)
явления
• отражение, преломление и дифракция
света в капельках и кристалликах
облаков
Гало
Светлые круги радиусом 22 или 46
угловых градусов с центром в центре
солнечного или лунного диска
• Слабо окрашены в радужные цвета
(красный внутри).
• Образуются в ледяных облаках
верхнего яруса (перисто-слоистых)
Ложные солнца (разновидность гало)
• слегка окрашенные светлые пятна на одном
уровне с солнцем и на том же угловом
расстоянии от него (22 или 46°).
• к основным кругам присоединяются иногда
различные касательные к ним дуги.
• неокрашенный горизонтальный круг на одном
уровне с солнцем
• неокрашенные вертикальные столбы,
проходящие через солнечный диск
(продолжающие его вверх и вниз)
• Окрашенные гало: преломление света
в шестигранных призматических
кристаллах ледяных облаков,
• Неокрашенные (бесцветные) гало:
отражение света от граней
кристаллов.
• Разнообразие форм гало зависит от:
• высоты солнца
• типов кристаллов,
• движения и ориентации осей
кристаллов в пространстве.
Гало в 22°
Преломление света боковыми гранями кристаллов
при беспорядочно ориентированных во всех
направлениях главных осях кристаллов :
• лучи света входят в одну из боковых граней и
выходят из другой, образующей с первой угол 60°.
Минимальное отклонение лучей от первоначального
направления при этом будет около 22° (для красных
лучей немного меньше, для фиолетовых немного
больше).
• наименее отклоненные лучи будут обладать
максимальной интенсивностью.
• вокруг диска светила возникает светлый круг
радиусом около 22° с некоторым спектральным
расчленением окраски.
При преимущественной
ориентировке главных осей по
вертикали:
• возникают два светлых пятна —
ложные солнца — по обе стороны от
солнечного диска, также на расстоянии
22°.
При преимущественной
ориентировке главных осей по
горизонтали:
• возникает солнечный столб
Гало в 46° (и ложные солнца в 46°)
• Преломление света боковыми гранями
с преломляющим углом 90°.
• Угол минимального отклонения будет
при этом около 46°.
Венцы
• В тонких водяных облаках перед
диском светила, состоящих из мелких
однородных капелек (обычно это
высоко-кучевые облака)
• Венцы наблюдаются также в тумане
около искусственных источников света.
Внешний вид:
• голубоватый, по внешнему краю красноватый
светлый круг небольшого радиуса, окружающий диск
светила (или искусственный источник света).
• радиус ореола - 1—5° (обратно пропорционален
диаметрам капелек в облаке по нему можно
определять размеры капелек в облаках).
• может быть окружен несколькими дополнительными
кольцами такой же окраски, не примыкающими к
нему и друг к другу вплотную.
Механизм образования:
• Дифракция света на мельчайших капельках облаков,
которые образуют дифракционную решетку.
• Вокруг каждой точки диска светила образуется
дифракционный спектр или несколько спектров,
имеющих кольцевую форму.
• Спектры налагаются друг на друга, их цвета
сливаются и дают голубоватый оттенок.
• Спектры, образованные точками по краю диска
светила, создают кайму красноватого цвета вокруг
внешней периферии каждого кольца.
• Венцы вокруг искусственных источников света малых
размеров (по сравнению с дисками светил) имеют
более богатые радужные цвета.
Глория
• Подобна венцу
• Возникает вокруг точки, прямо противоположной
диску светила.
• Наблюдается на облаках, расположенных прямо
перед наблюдателем или ниже его, т. е. в горах или с
самолета.
• На те же облака падает тень наблюдателя, и глория
представляется наблюдателю расположенной вокруг
тени его головы.
• Объясняется дифракцией света, до этого уже
отраженного в капельках облаков так, что он
возвращается от облака в том же направлении, по
которому падал.
•
•
•
•
Радуга
Светлая дуга радиусом 42°, от красного
(внешний край) до фиолетового (внутренний
край) цвета.
Дуга радуги  часть окружности, центр
которой лежит на прямой, соединяющей
центр солнечного диска с глазом
наблюдателя
Наблюдается при высоте солнца не более
42° (с самолета удавалось видеть радугу в
виде почти полного круга).
Бывают более слабые дополнительные дуги
радиусом около 50° с фиолетовым цветом по
наружному краю,
• Интенсивность света, ширина и окраска
радуги зависят от размеров капель.
• Наблюдается на фоне освещенных
солнцем кучево-дождевых облаков, из
которых выпадает дождь
• Радуга объясняется преломлением
солнечных лучей при входе и выходе из
капель, их отражением внутри капель и
явлениями дифракции на каплях.
3.6.Туман, дымка, мгла.
• Дымк - небольшое ухудшение прозрачности
атмосферы у земной поверхности («помутнение»),
приводящее к уменьшению дальности видимости
(ДВ). Помутнение вызывают зачаточные продукты
конденсации и пыль.
• Дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает
ДВ от 1 до 10 км.
• При размерах помутняющих частичек меньших, чем
длины световых волн дымка окрашивает отдалённые
предметы в синий цвет; белые или светящиеся
предметы – в желтоватую  опалесцирующее
помутнение.
• При более крупных размерах помутняющих частиц
дымка принимает белесоватый или сероватый
оттенок.
• Туман – значительное ухудшение прозрачности
атмосферы (ДВ меньше километра) из-за
концентрации большого количества крупных
продуктов конденсации
• Слово “туман” обозначает как само скопление
помутняющих продуктов (капель, кристаллов) у
земной поверхности, так и связанное с ним сильное
помутнение воздуха.
• При низких температурах туман состоит не только из
жидких капелек, но и из кристалликов.
• Мгла- сильное помутнение атмосферы,
вызванное содержанием в воздухе большого
количества твёрдых коллоидных частиц.
• Мгла наблюдается при пыльных бурях,
лесных пожарах и над промышленными
городами.
• При мгле относительная влажность невелика,
что отличает мглу от тумана.
• ДВ при сильной мгле может уменьшаться так
же, как при тумане.
Смог
• Смог - уменьшение прозрачности воздуха, связанное
с концентрацией в атмосфере большого количества
антропогенных примесей.
• Возникает в промышленных городах..
• Уменьшает количество солнечной радиации в
городах на 30-40%, почти полностью препятствует
проникновению ультрафиолетовой радиации.
• Вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы,
аллергические реакции, раздражение глаз,
повреждения растений, зданий.
• Сильные смоги могут приводить к серьёзным
заболеваниям дыхательных путей и сердечнососудистой системы, иногда даже к смертельным
случаям
Синоптические условия возникновения
смогов:
отсутствие осадков,
безветренная погода,
температурная инверсия,
сохраняющиеся в течение нескольких
дней.
В зависимости от географических
условий выделяют 3 типа смога
• Ледяной
• Лондонский
• Фотохимический
Ледяной смог
•
•
•
•
.
Специфические географоклиматические условия возникновения:
В полярном климате, зимой
Солнце поднимается не более чем на
4-5 часов
Низкие не меняющиеся температуры
(t>-35),
Отсутствует суточный ход температуры
Механизм образования: водяные пары
искусственного происхождения 
примешивается двуокись серы 
образование серной кислоты  в
атмосфере преобразуются в
мельчайшие ледяные кристаллики (5-10
мкм в диаметре)  уменьшение ДВ до
10 м.
Впервые такой вид смога был отмечен в
США в поселке Фербенкс на Аляске
Смог лондонского типа
Специфические географоклиматические условия возникновения:
• в условиях умеренного влажного
климата в переходные сезоны,
• сильный туман
• температура воздуха близкой к 0С..
• Основные загрязнители — продукты
сгорания нефти и угля.
• При образовании этого типа смога
снижается видимость, быстро
нарастает концентрация вредных
веществ, воздух приобретает
неприятный запах.
• В 1952 году в Лондоне при таком смоге
погибло 4 тысячи жителей.
Фотохимический (Лос-Анджелеский) смог
• Специфические географоклиматические условия возникновения:
• субтропики с жарким летом
• высокие значения солнечной радиации
(свыше 2.0 Кдж/см2мин).
Фотохимический смог имеет белый
цвет. В стабильных синоптических
условиях дымовая шапка такого смога
может сохраняться над городом до 270
дней.
•
•
•
•
Основные загрязнители:
выхлопные газы.
Механизм образования:
Под воздействием солнечной радиации и,
прежде всего ультрафиолетовой ее части,
происходят фотохимические преобразования
выхлопных газов.
Катализатор - озон.
Фотохимические преобразования угарного
газа СО, соединений азота NOх, азотной
кислоты НNО3 органические перекиси
(фотооксидантов), по своей токсичности
превосходят исходные загрязнители.
3.7.Осадки. Формы осадков
По форме выпадения:
• дождь, морось, снег, крупа, снежные
зёрна, ледяные иглы, ледяной дождь,
град.
По интенсивности:
• обложные, ливневые
• Дождь - капели диаметром 5 мм-0,5
мм. При ливневом дожде – размер
максимальный
• Морось - капли диаметром 0.5-0.05 мм
(малая скорость падения, легко
переносятся ветром в горизонтальном
направлении).
• Снег - сложные ледяные кристаллы
(снежинки).
• Основная форма — шестилучевая
звезда.
• Размеры - нескольких миллиметров.
• При выпадении часто слипаются в
хлопья.
• Снежная крупа - непрозрачные крупинки
белого цвета диаметром от 2 до 5 мм.
• Выпадает при температуре воздуха около
0 °C
• Образуется, когда снежинки из верхней части
облака попадают в нижележащий облачный
слой, состоящий из мельчайших
переохлаждённых капель.
• Частички снежной крупы отличаются от
снежинок отсутствием различимой
кристаллической основы.
• Выпадает из слоисто-дождевых и кучеводождевых облаков
Ледяная крупа
• крупинки прозрачные у поверхности и
имеющие небольшое белое ядро
• образуется при столкновении снежной
крупы с более крупными
переохлаждёнными каплями в слое
облака, расположенном ниже.
• выпадает весной при неустойчивой
погоде.
Ледяной дождь
Твердые осадки, выпадающие при
отрицательной температуре воздуха
(0...-10°, иногда до -15°)
• твёрдые прозрачные шарики льда
диаметром 1-3 мм.
• Внутри шариков находится
незамёрзшая вода - падая на
предметы, шарики разбиваются на
скорлупки.
• свидетельствует о наличии инверсии
температуры.
Снежные зерна
• Твердые осадки в виде мелких
непрозрачных белых частиц (палочек,
крупинок, зёрен) диаметром менее 2
мм, выпадающие при отрицательной
температуре воздуха.
• Ледяные иглы
Твёрдые осадки в виде мельчайших ледяных
кристаллов (шестиугольных призмы),
• образуются в морозную погоду (температура
воздуха ниже -10...-15°).
• Днём сверкают в свете лучей солнца, ночью в лучах луны или при свете фонарей.
• Нередко образуют в ночное время красивые
светящиеся "столбы", идущие от фонарей
вверх в небо.
• Наблюдаются чаще всего при ясном или
малооблачном небе, иногда выпадают из
перисто-слоистых или перистых облаков.
3.8.Наземные гидрометеоры
• Жидкие: роса, жидкий налет
• Твердые: иней, твердый налет,
изморось
• Роса
Капельки воды на поверхности земли, растениях,
предметах, крышах зданий и автомобилей
Возникают:
• в результате конденсации содержащегося в воздухе
водяного пара
• при положительной температуре воздуха и почвы,
• малооблачном небе
• слабом ветре.
• Чаще всего наблюдается в ночные и ранние
утренние часы, может сопровождаться дымкой или
туманом.
• Обильная роса может вызвать измеримое
количество осадков (до 0.5 мм за ночь), стекание на
землю воды с крыш.
Жидкий налет:
• Пленка воды, возникающая на
холодных вертикальных поверхностях в
пасмурную и ветренную погоду
• Причина – адвекция теплого и влажного
воздуха
Твердый налет –мелкие кристаллы
или тонкий слой прозрачного льда
• На вертикальных поверхностях с
наветренной стороны при таких же
условиях, что и жидкий налет, но при
температурах ниже нуля
• Иней
Белый кристаллический осадок на поверхности
земли, траве, предметах, крышах зданий и
автомобилей, снежном покрове
Образование: сублимация содержащегося в воздухе
водяного пара при
• отрицательной температуре почвы,
• малооблачном небе
• слабом ветре.
Наблюдается в вечерние, ночные и утренние часы,
может сопровождаться дымкой или туманом.
На ветках деревьев, проводах иней отлагается слабо (в
отличие от изморози) - на проводе гололёдного
станка (диаметр 5 мм) толщина отложения инея не
превышает 3 мм.
• Изморозь
Белый рыхлый снеговидный осадок на ветвях
деревьев и проводах на наветренной стороне
• Образование: в результате оседания мелких
капелек переохлаждённого тумана в
облачную туманную погоду (в любое время
суток) при температуре воздуха от нуля до 10° и умеренном или сильном ветре.
• Нарастание изморози продолжается столько,
сколько длится туман и ветер (обычно
несколько часов, а иногда и несколько суток).
Сохранение отложившейся изморози может
продолжаться несколько суток.
• Гололёд
Слой плотного стекловидного льда (прозрачного или матового),
образующийся на растениях, проводах, предметах, поверхности
земли
• Образование: в результате намерзания частиц осадков
(переохлаждённой мороси, переохлаждённого дождя, ледяного
дождя, ледяной крупы, иногда дождя со снегом) при
соприкосновении с поверхностью, имеющей отрицательную
температуру.
• Наблюдается при температуре воздуха от нуля до -10° (иногда
до -15°),
• Сильно затрудняет передвижение людей, животных,
транспорта,
• приводит к обрывам проводов и обламыванию ветвей деревьев
(а иногда и к массовому падению деревьев и мачт линий
электропередач).
• Сохранение отложившегося гололёда может продолжаться
несколько суток.
Экологическое значение осадков. Их
химизм
• Поглощение осадками газовых и
аэрозольных примесей – важнейший
механизм очищения атмосферного
воздуха.
• Снег в 3-4 раза эффективнее вымывает
аэрозоли
• Снег в в 10 раз менее эффективен при
очищении от растворенных в воде
газов.
• dq= -q*dt/f
• q – концентрация частиц в начальный
момент
• dq- изменение концентрации частиц за
единицу времени dt
• f- «время жизни» частицы
• После интегрирования
q  q0е
t / f
• q0 -концентрация примеси до выпадения
• Время жизни –временной интервал,
за который концентрация примеси
уменьшается в е раз
Время жизни примесей минимально при
выпадении мелких капель
• .Вид осадков
f (час)
морось
слабый дождь
0,6
0,8
умеренный дождь
0,9
сильный дождь
1,5
Вымывание примесей
осадками,q мкг/м3
Концентрация
примесей
аэрозоли
NH4+
газы
NO SO42 NO3
3
-
NO2
SO2 Cl2
-
Перед дождем
6,7
6,0
16,7 21,6
11,9
328
14,3
После дождя
4,7
1,6
9,7
11,0
9,1
212
5,3
Осталось после 70
дождя, %
27
58
76
76
65
37
• На сети станций глобального и
регионального мониторинга
определяют:
Кислотность
Электропроводность
Катионы (Na, K, Mg, Ca)
Анионы (SO4, Cl, NO3, HCO3)
Показатель
рН
станции
Мауна-Лоа
230с.ш.
Пятигорск,
440с.ш.
Туруханск,
650 с.ш.
Велен (Швеция)
660с.ш.
5,1
6,2
5,4
3,8
• Все осадки ( от полярных до
тропических) имеют кислую реакцию.
• Минимальные значения рН имеют
осадки промышленных районов
• Для дождевой воды рН меняется от 4, 5
до 6,5 даже на фоновых станциях)
вследствие присутствия кислот НСL,
H2SO4, HNO3, поступающих в
результате глобального воздухообмена