Павел Астапенко - Вопросы о погоде

Масса земной атмосферы колоссальна: на 510,2 млн. км2 поверхности Земли оказывает давление 5,15 квадриллионов тонн воздуха (5,15 • 1015).

1.6. Одинаков ли состав воздуха на разных высотах в атмосфере?

Атмосфера по составу основных газов считается однородной только в нижнем 94-километровом слое, называющемся гомосферой; выше находится гетеросфера, в которой содержание легких газов возрастает, а тяжелых – уменьшается; газы там в значительной степени ионизированы или находятся в атомарном состоянии, то есть их молекулы диссоциированы.

1.7. На какие слои делится атмосфера и по каким признакам?

По основным физическим свойствам и составу воздуха атмосфера, как отмечалось выше, делится на гомосферу и гетеросферу. По характеру изменения температуры с высотой метеорологи выделяют пять основных слоев и четыре промежуточных. До высоты (в среднем) 11 км – тропосфера, от 11 до 51 км – стратосфера, от 51 до 86 км – мезосфера, от 86 до 800 км – термосфера и выше 800 км – экзосфера. Промежуточные слои – тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза. Характер изменения температуры с высотой в каждом основном слое и приблизительные характерные значения температуры показаны на рис. 1.

Радиофизики по уровню ионизации, электропроводности и способности отражать и поглощать радиоволны выделяют в атмосфере еще несколько слоев. Слой атмосферы, заключенный между высотами 100 и 1000 км, называют ионосферой. В ионосфере на высотах 60-100 км лежит слой D, от 10 до 150 км – слой E, выше 220 км – слои F1 и F2. Положение и интенсивность слоев ионосферы меняется ото дня к ночи и в зависимости от изменений солнечной активности.

В атмосфере выделяют еще один особый слой, называемый озоносферой. Он находится на высотах 10-60 км, то есть в стратосфере и нижней мезосфере. Здесь происходят фотохимические процессы образования озона, максимальное содержание которого отмечается между 20 и 25 км. Так как озон способен поглощать значительную часть ультрафиолетовой радиации, идущей от Солнца, то температура воздуха выше озоносферы, то есть в верхней стратосфере, достигает даже положительных значений.

1.8. Как и в каких единицах измеряют атмосферное давление?

Стандартным прибором для измерения атмосферного давления является ртутный барометр. Он представляет собой стеклянную трубку, запаянную с одной стороны и наполненную ртутью. Открытым концом трубка опущена в сосуд, частично заполненный ртутью. Когда давление воздуха повышается, столбик ртути в трубке растет, и наоборот. Высота столбика ртути в барометре на уровне моря при среднем, или «нормальном», давлении равна 760 мм. Колебания этой высоты также можно измерять в миллиметрах. Официальной единицей атмосферного давления является паскаль (Па). 100 Па составляют 1 гектопаскаль (гПа), или 1 миллибар (мбар). 1 гПа соответствует 3/4 мм ртутного столба. На практике используются все названные единицы для определения атмосферного давления: Па, гПа, мбар, мм рт. ст. В метеорологии долгое время наиболее употребительной была единица миллибар, в настоящее время – гектопаскаль; бортовые авиационные приборы у нас в стране тарированы в миллиметрах ртутного столба.

Там, где относительно громоздкие ртутные барометры неудобны, применяют барометры-анероиды (рис. 3). Основной частью анероида является упругая мембранная металлическая коробка, из которой выкачан воздух. Деформация стенок коробки, вызываемая изменением давления, системой рычагов передается на шкалу, градуированную по эталону – ртутному барометру – в соответствующих единицах атмосферного давления. Точность измерения давления барометрами-анероидами несколько меньшая, чем ртутными барометрами, но для ряда практических целей она достаточна.

1.9. Существует ли прямая связь между изменениями давления и изменениями погоды?

Поскольку в областях высокого атмосферного давления – антициклонах XE "антициклон" – погода чаще всего бывает лучше, чем в областях низкого давления – циклонах, то в принципе рост атмосферного давления (о котором свидетельствует увеличение высоты столбика ртути в барометре) с некоторой вероятностью может служить признаком улучшения погоды, а понижение давления (уменьшение высоты столбика ртути) – предвестником ее ухудшения. Таким образом, более существенна тенденция изменения давления, а не абсолютное его значение. Однако условия погоды определяются далеко не одним атмосферным давлением, поэтому полагаться только на этот признак нельзя, можно ошибиться, что и случается нередко при пользовании старинными приборами-анероидами, снабженными помимо шкалы давления надписями типа: «сухо», «переменно», «к осадкам» и т. п.

1.10. Что такое относительная влажность воздуха?

Воздух может быть сухим или влажным. При одной и той же температуре воздуха содержание водяного пара в нем может колебаться в широких пределах: от максимально возможного (полное насыщение) до нуля (абсолютно сухой воздух). Относительная влажность и характеризует степень насыщения воздуха водяным паром. Она представляет собой отношение фактически имеющегося в воздухе количества водяного пара к максимально возможному его количеству при данной температуре. Выражается относительная влажность в процентах, например: 100% – полное насыщение, 50% – насыщение наполовину и т. д. Относительная влажность, таким образом, не характеризует абсолютное содержание в воздухе водяного пара, которое в зависимости от температуры воздуха может быть значительным и при небольшой относительной влажности (например, в жару) и очень малым – при высокой относительной влажности (например, в сильные морозы).

1.11. Что такое стандартная атмосфера?

Фактические характеристики состояния атмосферы все время меняются в зависимости от развития атмосферных процессов, времени года, суток и т. д. В практической деятельности оказалось необходимым и удобным средние значения этих характеристик принимать за постоянные.

Условные постоянные значения основных характеристик состояния атмосферы на разных высотах – атмосферного давления, температуры, плотности воздуха, вязкости, теплопроводности и других, – неизменные независимо от времени года или суток, сведены в таблицы стандартной атмосферы (СА).

Существуют национальные и международные таблицы, есть таблицы СА для отдельных географических районов (например, тропическая СА) и сезонов (летняя арктическая СА, зимняя арктическая СА). На территории Советского Союза действует обязательный для всех ГОСТ СА. Последнее издание таблиц СА носит сокращенное название ГОСТ СА 4401-81. Таблицы содержат официальные данные для высот от 2000 до 1 200 000 м.

1.12. Для чего нужна стандартная атмосфера?

Стандартная атмосфера предназначена для использования при расчетах и проектировании самолетов, вертолетов, двигателей и оборудования, а также при решении других научно-технических задач.

Исходя из СА можно сопоставлять результаты инструментальных измерений, произведенных в атмосферном воздухе в разное время, можно объективно оценить качества различных летательных аппаратов, например их способность развивать максимальную скорость или подниматься на предельно достижимую высоту. Для этого надо данные, полученные любым летательным аппаратом в любое время, привести к стандартным условиям СА.

1.13. Каковы характеристики стандартной атмосферы?

Во всех таблицах СА, за исключением таблиц для тропической и арктической зон, на уровне моря приняты следующие значения основных параметров атмосферы:

атмосферное давление Р = 760 мм рт. ст. = 1013,25 гПа;

температура воздуха Т = 288,15 К, 15,0° C;

относительная влажность воздуха f = 0%;

плотность воздуха ρ = 1,225 кг/м3;

ускорение свободного падения g = 9,8066 м/с2.

1.14. Что такое календари погоды?

Возникновение календарей погоды связано с первыми попытками людей систематизировать результаты своих наблюдений за погодой и ее изменениями. Еще в V веке до н. э. греческий астроном Метон ввел обычай выставлять на городских площадях мраморные таблицы, на которых отмечались наиболее важные явления погоды и даты их наблюдения (правда, без указания года). Эти таблицы назывались парапегмами, и ими пользовались как прогнозами будущей погоды.

Позже в разных странах наряду с календарями самого различного назначения (астрономическими, религиозными, астрологическими) стали составляться и календари погоды. В них давались сведения о погоде в разные дни года, сезона, месяца и недели.