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 -10С. 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 0С.. • 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