Севастопольская морская академия

Севастопольская морская академия
Кафедра «Судовождения и безопасности мореплавания»
Методические указания
к самостоятельной работе №8
по разделу: Метеорология
Особенности туманов и облаков.
по дисциплине «Гидрометеорологическое обеспечение
судовождения»
для студентов очной формы обучения
направления/специальности 26.05.05 «Судовождение»
Севастополь-2014 г.
Методические
указания
разработаны
на
основе
ФГОС
по
специальности 26.05.05 «Судовождение».
Методические указания к самостоятельной работе №8 «Особенности
туманов и облаков» по учебной дисциплине « Гидрометеорологическое
обеспечение судовождения» составил профессор, доктор географических
наук, профессор кафедры «Судовождения и безопасности мореплавания»
Холопцев Александр Вадимович. В них изложены методические
рекомендации и краткие сведения по изучаемой теме, а также список
литературы, позволяющие получить достаточный объем знаний студентам
очной и заочной формы обучения по специальности «Судовождение».
Севастополь, Севастопольская морская академия,2014г., 20 страниц.
Методические указания к самостоятельной работе рассмотрены и
утверждены на заседании кафедры «Судовождения и безопасности
мореплавания» «14» июля 2014 г., протокол № 1 .
Заведующий кафедрой «Судовождения и безопасности мореплавания»
доктор технических наук, профессор, Кулагин В. В.
Рекомендовано к использованию в учебном процессе. Протокол
заседания учебно - методического совета № __________ от
«___»___________ 2014 года
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
3.
4.
Методические рекомендации.
Краткие сведения об особенностях туманов и облаков
Рекомендованная литература.
Вопросы для самопроверки усвоения материала.
3
4
19
19
1. Методические рекомендации.
Цель самостоятельной работы №1 развитие представлений о туманах и
облаках.
Количество часов самостоятельной работы, отводимых на ее
выполнение – 4 часа
В результате выполнения работы студент должен:
Знать: классификации, основные характеристики различных видов туманов
и облаков; механизмы их образования, их непосредственное влияние на
безопасность судна в рейсе, а также связь с другими природными процессами
влияющими на безопасность судоходства.
Уметь: применять и истолковывать гидрометеорологическую информацию о
состоянии облачности и характеристиках туманов при управлении
движением судна в рейсе, а также прогнозировании перемен погоды;
визуально оценивать их характеристики.
Владеть: навыками использования гидрометеорологической информации о
туманах и облачности в районе плавания при управлении судном в процессе
осуществления рейса; способами выбора оптимального маршрута судна с
учетом предполагаемой метеорологической обстаноки.
Место дисциплины
программы.
в
структуре
профессиональной
образовательной
Дисциплина «Гидрометеорологическое обеспечение судовождения» является
базовой естественнонаучной дисциплиной для подготовки специалистасудоводителя по курсам «Навигация и лоция», а также «Безопасность
судоходства».
Дисциплина «Гидрометеорологическое обеспечение судовождения»
относится к математическому и естественнонаучному циклу и является
нормативной.
Для освоения материала дисциплины «Гидрометеорологическое
обеспечение судовождения» обучающийся должен освоить, знать, понимать
и уметь применять дисциплины «География водных путей» и «Физика», а
также разделы физической географии в объеме, изучаемом в средней школе.
Для освоения дисциплины обучающийся также должен быть способен
самостоятельно пользоваться с компьютером и интернетом как источниками
географической информации.
2. Краткие сведения об особенностях туманов и облаков.
Особенности техногенных туманов
К данному классу принято относить туманы, возникающие при
существенном воздействии на воздушную среду техногенных факторов.
К техногенным туманам, как уже отмечалось выше, относятся туманы
городские, морозные и искусственные. Городские туманы образуются
потому, что в городах режим всех метеорологических элементов изменен, к
тому же здесь гораздо выше запыленность (в воздухе имеется много
атмосферных ядер конденсации). В городах благодаря влиянию застройки
ветер ослаблен, а температура и влажность воздуха повышены.
Городские туманы могут иметь большую интенсивность и
продолжительность. Во многих случаях они возникают и тогда, когда при тех
же метеоусловиях за пределами городов никаких туманов нет.
Ветры иногда выносят городской туман за территорию населенных
пунктов.
Морозные (поселковые, печные или аэродромные) туманы возникают
при сильных морозах, если имеется интенсивный точечный источник тепла и
водяного пара. Таким источником может быть дымовая труба предприятия,
печная труба, выхлопная труба двигателя, работающий авиационный мотор и
др.
Морозные туманы, как правило, возникают при слабом ветре и
инверсионном распределении температуры воздуха, на небольших
расстояниях от такого источника. Они имеют вид "клубящегося пара".
Как правило, это капельножидкие туманы, но при низких температурах
воздуха они могут быть как ледяными, так и смешанными.
Количество водяного пара, поступающего в атмосферу -w, зависит от
вида и количества сжигаемого топлива. Больше всего водяного пара
выделяется при сжигании природного газа (w = 2160 мг/кг) и бензина (w =
1305 мг/кг).
Существенно меньше водяного пара выделяется при сжигании
твердого топлива. При сжигании торфа w = 637 мг/кг, дров w = 632 мг/кг,
бурого угля w = 458 мг/кг. Меньше всего водяного пара выделяется при
сжигании кокса (w = 60мг/кг).
Искусственные туманы создаются для защиты садов и огородов от
заморозков. Для их образования в атмосферу вносят дополнительные ядра
конденсации (в виде дыма) Устойчивость искусственных туманов тем выше,
чем слабее ветер у земной поверхности, больше относительная влажность
воздуха и устойчивее его стратификация. Если инверсного распределения
температуры не наблюдается, искусственный туман создать невозможно (при
этом образуется облако).
Смог Лондонского типа (зимний смог) формируется в условиях теплой
устойчивой воздушной массы при условии высокой загазованности,
запыленности и задымленности нижнего слоя атмосферы, содержащего
влажный воздух.
Смог Лос-Анжелесского типа (летний смог) образуется в результате
воздействия интенсивной солнечной радиации на атмосферную аэрозоль в
приземном слое воздуха, при его высокой загазованности выхлопными
газами автомобилей, а также задымленности. Подробней особенности
летнего и зимнего смога рассмотрим в разделе 6.
Особенности фронтальных туманов
Фронтальные туманы возникают в зоне атмосферных фронтовповерхностей соприкосновения воздушных масс, обладающих различным
влагосодержанием и температурой. Если теплый воздух в зоне фронта
наступает, (атмосферный фронт движется в сторону более холодного
воздуха) такой фронт называется теплым. В противном случае – холодным.
Теплые фронты движутся медленнее, чем холодные. Если холодный
фронт догоняет теплый – возникает явление окклюзии. Теплый воздух
отрывается от земли и на смену одному холодному воздуху приходит другой,
более или менее холодный. Такие атмосферные фронты называют фронтами
окклюзии. Если при прохождении фронта окклюзии становится холоднее, то
его называют фронтом холодного типа. Если при прохождении фронта
окклюзии становится теплее, такой фронт называют фронтом теплого типа.
Туманы возникают не на любых атмосферных фронтах. Для
образования фронтального тумана необходимо, чтобы скорость движения
фронта не превышала нескольких метров в секунду. Обычно это теплый
фронт или медленный холодный фронт, называемый анафронтом. Чаще всего
туманы образуются в холодном воздухе непосредственно перед теплым
фронтом. Их появлению, как правило, предшествуют постепенно
усиливающиеся осадки. Дождь, состоящий из крупных капель, или снег
редко сопутствуют такому туману; напротив, они способствуют его
рассеянию. Чаще фронтальные туманы сопровождаются выпадением мелкого
дождя или мороси.
Так как теплый фронт движется медленно, такой туман может быть
очень продолжительным (существовать единицы – десятки часов) и занимать
обширные территории.
Фронтальный туман образуется также на анафронтах. Здесь он
накатывает как вал прибоя; осадки начинаются лишь спустя некоторое время,
после того, как этот вал Вас настиг. Продолжительность тумана, в данном
случае, и занимаемая им площадь меньше, чем в зоне теплого фронта (так
как движется он быстрее).
На фронтах окклюзии туманы, как правило, не встречаются. Они
возможны, если скорость фронта не велика – единицы м/с, а
теплофизические характеристики холодных воздушных масс различаются
сильно. Их интенсивность тем меньше, чем меньше перепад температуры
между холодным и более холодным воздухом и чем выше скорость фронта.
Осадки при этом имеют моросящий характер.
Предфронтальный туман теплого фронта образуется, если испарение
капель дождя из слоисто-дождевых облаков, предшествующих линии
фронта, в достаточной мере увлажняет и охлаждает приземный слой воздуха.
В образовании этого вида фронтального тумана большую роль играет
увлажнение приземного слоя воздуха выпадающими осадками, испарение с
увлажненной почвы, а также процессы вертикального перемешивания и
адвективного охлаждения воздушной массы. При сильно развитой
турбулентности,
поднимающийся
влажный
воздух
испытывает
дополнительное адиабатическое охлаждение, что способствует образованию
вторичного уровня конденсации на высоте несколько десятков или сотен
метров. На этом уровне образуются слоисто- дождевые облака нижнего
яруса.
Зафронтальный туман может возникать непосредственно за теплым
фронтом. Это возможно, если до подхода этого фронта на сильно
охлажденную поверхность земли выпадал дождь, увлажнивший почву. В
данном случае образованию тумана способствует охлаждение и увлажнение
нижнего слоя атмосферы.
Туман смешения образуется в тех редких случаях, когда разность
температур на атмосферном фронте смешиваемых воздушных масс очень
велика (более 10 градусов), а водяной пар в обеих воздушных массах не
насыщен, но близок к насыщению (значения относительной влажности
воздуха в них превышают 95%).
Эффект смешения состоит в том, что удельная влажность смеси таких
компонентов оказывается больше, что удельная влажность каждого из них.
Он обусловлен нелинейностью зависимости удельной влажности насыщения
от температуры воздуха.
Туманы смешения образуются редко и в немногих местах (только
летом, на берегах морей, на границах ледников и т.п.). Однако как
сопутствующий процесс, эффект смешения способствует образованию
туманов любого другого типа.
География туманов
В регионах нашей планеты с наибольшей повторяемостью туманов они
наблюдаются более чем 80 суток в год.
Так часто туманы наблюдаются в западном секторе Арктики, куда
проникают теплые воды Северо-Атлантического течения, называемые здесь
Норвежским течением. Столь же часты туманы и у ледовых берегов
Антарктиды. Здесь часты случаи выхода теплых воздушных масс с открытой
водной поверхности на холодную поверхность льда, а также перемещения
холодных масс со льда или холодной суши на открытую воду.
В умеренных широтах северного полушария почти такая же высокая
повторяемость туманов характерна для района Ньюфаунленда. Здесь
встречаются теплые воды западной ветви Гольфстрима и холодное
Лабрадорское течение.
Поскольку суточный ход температуры воздуха над океанами и морями
мал, интенсивность морских туманов практически не имеют суточного хода.
В годовом ходе интенсивности и повторяемости туманов умеренных
широт имеются два максимума - осенью и весной. Над континентами туманы
чаще образуются осенью, а над морями – весной.
Над континентами в умеренных шпротах туманы могут иметь
суточный ход изменения своей интенсивности. Наиболее значителен он у
радиационных туманов. Параметры адвективных туманов - напротив,
практически не зависят от времени суток.
В субтропических широтах южного полушария до 80 дней в году
туманы наблюдаются на юго-западных побережьях Африки и Южной
Америки (Перу), в одних из величайших пустынь нашей планеты – Калахари
и Атакама. Столь высокая повторяемость туманов здесь обусловлена
присутствием на малых расстояниях от берега весьма холодных
океанических течений.
Орографические туманы весьма часты практически во всех горных
районах мира. Здесь они очень мощны, а их суточная изменчивость в
основном проявляется в их перемещении вверх (днем) и вниз (ночью) по
склону горы. Очень часты они и зимой период в горах Крыма, при южных и
юго-западных ветрах, несущих теплый и влажный воздух с моря.
Поднимаясь по склонам гор, стоящих у него на пути, этот воздух
охлаждается ниже точки росы уже на высоте 300-350 м над уровнем моря.
При этом на скалах начинается конденсация влаги, делающая их весьма
скользкими. Возможно также их обледенение, делающее их практически
непреодолимыми для скалолазов.
Орографические туманы на склонах гор могут возникать даже при
безоблачном небе. Видимость в них снижается до нескольких метров, что
существенно осложняет ориентировку на маршрутах. Появление
орографического тумана на склонах гор всегда предшествует потеплению.
Повышена повторяемость туманов на северо-западных берегах Европы,
Калифорнии, а также на Атлантическом побережье Южной Америки и на
Мадагаскаре (более 20 дней в году). Здесь туманы вызваны термическими
особенностями
подстилающей
поверхности
и
закономерностями
атмосферной циркуляции, обеспечивающей приток к ним влажного воздуха.
Редки туманы во внутренних областях материков, особенно в пустынях
тропиков (Сахара, Каракумы, Невада, Большая Австралийская пустыня). В
подобных районах влаги в воздухе очень мало, а температуры воздуха
высоки.
Мало дней в году с туманами в Восточной Сибири и Канаде. Летом и
зимой здесь слишком сухо; воздух, как правило, далек от насыщения.
Наблюдающиеся здесь туманы являются преимущественно техногенными.
Они возникают благодаря наличию обширных незамерзающих полыньей за
плотинами гидроэлектростанций. Зимой над этими полыньями воздух
влажный и имеет температуру близкую к 0оС, а за их пределами сухой и
имеющий температуру далеко за –30оС. Взаимодействие воздушных потоков
в зоне таких техногенных термических аномалий вызывает сильные ветер,
направленный в сторону полыньи, а также интенсивный туман. Подобная
атмосферная ситуация типична зимой для Комсомольска-на-Амуре, Братска,
района Саяно -Шушенской ГЭС и т.п.).
Роль туманов как факторов риска.
1. В туманах существенно снижается дальность видимости, что
осложняет ориентирование и может привести к столкновению судов, либо
столкновению судна и рифов. Особо опасны туманы в районах апвеллинга,
где рыболовство осуществляется с маломерных судов, не оборудованных
радиолокационной аппаратурой и плохо заметных на фоне тумана.
Дальность видимости в облаке или тумане (L) зависит от диаметра
образующих его взвешенных частиц (капель или ледяных кристаллов) -г и
«водности» (б), либо "ледности" тумана. Она определяется соотношением:
L= 2ЗОООг/б.
2. Свойство туманов уменьшать дальность видимости используют для
маскировки военных судов (дымовая завеса).
3.Туманы не только уменьшают поток достигающей земной
поверхности солнечной радиации, но и изменяют ее спектр. Наиболее
существенно ими поглощается радиация инфракрасного диапазона.
Несколько слабее - видимого диапазона. Ультрафиолетовое излучение
ослабляется слабее всего. Так как органы зрения большинства живых
существ, в том числе и человека, адаптируются к суммарному световому
потоку, при попадании в туман их реакции становятся неадекватными, что
способно вызвать ожоги и даже потерю зрения.
4. Туманы уменьшают прозрачность нижних слоев атмосферы для
теплового излучения земной поверхности, усиливая парниковый
эффект. Поэтому в период заморозков искусственно создаваемые туманы
используют в сельском хозяйстве для защиты растений от холодов.
5.
Туманы сорбируют содержащиеся в атмосфере газообразные
вещества, а их капли "работают как химические реакторы", вырабатывая
кислоты. Силы межмолекулярного притяжения в водных каплях
гораздо больше, чем в воздушной среде.
Поэтому захваченные
каплями молекулы газообразных веществ, практически не способны вновь
вырваться за их пределы. В результате этого концентрации газообразных
веществ в каплях воды многократно превышают их концентрации в
атмосфере, что существенно интенсифицирует химические
реакции
между
ними. Еще более их интенсивность возрастает при воздействии
солнечной радиации.
Реакции в каплях туманов завершаются образованием жидких и
твердых веществ, ранее отсутствовавших в воздушной среде. Именно так в
них могут возникать серная, сернистая и азотная кислоты, формироваться
кислотные осадки, снижающие плодородие почв.
6. Туманы способствуют очищению атмосферы от мельчайших
пылинок. Пылинки в сухом воздухе осаждаются по закону Стокса. Их
скорость приблизительно пропорциональна квадрату радиуса (смотри
таблицу 4).
Поэтому в сухой атмосфере мелкодисперсная пыль
удерживается очень долго.
7. Во влажном воздухе каждая такая пылинка формирует вокруг себя
водяную оболочку (каплю). Размеры такой капли могут в тысячи раз
превышать размеры пылинок. Поэтому они осаждаются гораздо быстрее.
Таблица 4. Зависимость скорости оседания капли в воздухе от ее диаметра
при нормальном атмосферном давлении и температуре -+20о С.
Диаметр капли, мм
Скорость осаждения м/с
0.001
0.00003
0.01
0.003
0.1
0.27
1
4.03
5
9.07
10
9.17
8. Туман уменьшают дальность видимости, затрудняя охоту и облегчая
маскировку. Людям, животным и птицам туманы затрудняют oриентацию в
пространстве. В условиях продолжительного тумана популяции хищников
лишаются пищи, что увеличивает в них смертность. Наиболее слабые и
больные особи гибнут. Популяции жертв в тумане напротив
увеличивают свою численность, поскольку при ограниченной видимости
даже слабым и больным особям легче спрятаться от хищников и выжить.
Атмосферные фронты и облачные системы
Облачные системы - это значительные по своим пространственным
масштабам группы различных облаков, образующиеся в ходе тех или иных
синоптических процессов.
Основными типами синоптических процессов, формирующих те или
иные системы облаков, являются атмосферные фронты и вихри (циклоны и
антициклоны).
Как уже отмечалось выше, атмосферными фронтами (фронтальными
разделами) называют переходные зоны, разграничивающие воздушные
массы, обладающие различными происхождением и свойствами.
С атмосферными фронтами связаны не только фронтальные туманы, но
и специфические облачные системы, особенности которых могут
использоваться для прогнозирования погоды.
Как известно, атмосферные фронты принято делить на:
- теплые;
- холодные 1-го рода (или анафронты):
- холодные 2-го рода (или катафронты);
- окклюзии теплого (холодного) типа;
Характер облачности в зоне теплого атмосферного фронта
определяется массовым восхождением теплого и влажного воздуха по клину
холодного. Это сопровождается его охлаждением и изменением всех
гигрометрических характеристик. В результате образуется облачность,
практически полностью располагающаяся перед линией фронта.
Основными составляющими этой облачной системы являются облака:
-Ci- Cs . расположенные на высотах 8-10 км и на расстояниях от линии
фронта 100-700км;
-As -Ns, расположенные на высотах до 6 км и на расстояниях от линии
фронта .как правило , до 60км,
При приближении теплого фронта первыми появляются облака -Ci- Cs.
Из этих облаков атмосферные осадки не выпадают.
Спустя некоторое время появляются высоко - слоистые облака (As), из
которых возникают моросящие осадки постепенно (с приходом облаков Ns)
переходящие в осадки обложные.
Холодные фронты 1-го рода (или анафронты) движутся со скоростями
сотни м/ч- единицы км/ч. В итоге теплый воздух перед ними успевает
отступить. При этом теплый воздух по клину холодного поднимается вверх и
образует такую же облачную систему, как и облачная система, возникающая
в зоне теплого атмосферного фронта.
В отличие от нее в данном случае облака следуют над наблюдателем в
обратном порядке. Непосредственно перед линией фронта расположен вал
облаков Ns„ из которых внезапно начинают выпадать обложные осадки.
Спустя некоторое время эти осадки ослабевают, переходя в моросящие,
выпадающие из облаков As. Затем осадки прекращаются, а облака
поднимаются еще выше, превращаясь в уходящие за горизонт перистые -CiCs.
Основные отличия погоды в зоне анафронта от погоды в зоне теплого
атмосферного фронта не сводятся к одной лишь обратной
последовательности смены облаков и осадков. Отличаются также туманы и
ветер в теплом воздухе.
Туман в зоне теплого атмосферного фронта состоит из полос
предфронтального, фронтального и зафронтального тумана. В зоне
анафронта он содержит лишь одну более узкую полосу фронтального тумана.
Ветер в теплом воздухе перед теплым фронтом гораздо более порывист
и неустойчив, чем ветер в теплом воздухе за холодным фронтом 1-го рода.
Холодный фронт второго рода наблюдается при больших скоростях
движения холодного воздуха.
При подходе этого фронта теплый воздух не успевает отступить и
перед натиском холодного воздуха бурно взмывает вверх. Возникают
интенсивные восходящие потоки теплого влажного воздуха, формирующие
специфическую облачность.
Непосредственно перед таким холодным фронтом (на удалениях от
него до 10 км) в теплом воздухе образуются облака вертикального развития
Сb, высота которых достигает 10 и более км. Из них выпадают ливневые
осадки; возможен град, грозы, смерчи и шквалы.
Теплый и влажный воздух начинает ответвляться от восходящих
потоков и формировать воздушный поток, направленный от фронта на
высоте 4-6 км. В этом потоке формируются отдельные облачные массивы,
напоминающие огромных рыб, линзы или дирижабли. Появление этих
облаков (Ac-lent) является признаком приближения холодного фронта
второго рода.
В холодном воздухе (после прохождения холодного фронта) могут
наблюдаться облака Сu cong, постепенно переходящие в Сu и далее в As и С.
Осадки начинаются резко, но постепенно ослабевают, становятся
моросящими и прекращаются.
Фронты окклюзии образуются при взаимодействии трех воздушных
масс (если холодный фронт догоняет теплый). В результате этого
взаимодействия холодные воздушные массы смыкаются у земной
поверхности, выдавливая теплый воздух на высоту. Благодаря этому в зоне
фронтов окклюзии облачность развивается по обе стороны от фронта. Вблизи
зоны окклюзии (в теплом воздухе) располагаются облака Сb, высота
оснований которых над земной поверхностью со временем возрастает. Из
них выпадают ливневые осадки (интенсивность которых по мере поднятия
облаков ослабевает). На периферии (по обе стороны от фронта) эти облака
переходят в As.
Ливневые осадки , постепенно превращаются в обложные и далее - в
моросящие.
На высотах 8-10 км над зоной окклюзии располагаются облака Ci- Cs.
Еще
одной
разновидностью
синоптических
процессов,
обуславливающих образование облачных систем, являются циклоны и
антициклоны.
Облачная система сопутствующая молодому циклону и циклону на
стадии максимального развития содержит три зоны.
Первая зона соответствует передней и центральной части холодной
половины циклона перед теплым фронтом. Здесь структура облачности
аналогична рассмотренной выше облачности перед теплым атмосферным
фронтом. При быстром углублении циклона в его центре формируются
мощные облака Ns, дающие интенсивные обложные осадки.
Если влаги в воздухе недостаточно, то эти облака не успевают
полностью развиться, а выпадающие из них осадки менее интенсивны,
переходя в морось,
Вторая зона - соответствует тыловой части холодного сектора циклона
за холодным фронтом. Ближе к центру молодого циклона этот фронт по
своим свойствам ближе к холодному фронту 2-го рода. На периферии - к
холодному фронту 1-го рода. Здесь образуются облака те же, что и в зонах
упомянутых холодных фронтов; их особенности определяются свойствами
холодной неустойчивой воздушной массы.
Из типичных для этой зоны облаков СЬ выпадают интенсивные и
кратковременные ливневые осадки; возможен град и грозы.
Третья зона - теплый сектор циклона (теплый воздух между теплым и
холодным фронтами). Здесь преобладают облака As и осадки моросящего
типа.
В отличие от молодого циклона, в окклюдированном циклоне теплый
сектор смещен на дальнюю периферию. Поэтому в нем выделяют две
погодные зоны.
В обширной передней части окклюдированного циклона преобладает
многослойная облачность (As -Ns); формируются обширные области
осадков. В тыловой части окклюдированного циклона облачная система
аналогична облачности второй зоны молодого циклона (с той разницей, что в
его центре формируются облака, аналогичные возникающим в зоне
холодного атмосферного фронта 1-го рода).
Структура облачных систем, формирующейся в антициклонах, во
многом определяется слоями инверсии. Эти слои, как правило,
располагаются в центральной части антициклонов.
Под этими слоями могут возникать облака Sc- St практически не
дающие осадков, а также радиационные туманы. На перифериях
антициклонов структура облачности аналогична структуре облачности в
граничащих с ними зонах циклонов.
Облачность, существенно влияющая на радиационный и тепловой
баланс территорий, является одним из существенных параметров климата.
Для количественной характеристики облачных систем в климатологии
используется повторяемость ясного и пасмурного неба по общей и нижней
облачности, а также среднее месячное число пасмурных и ясных дней.
Так, например, на северном побережье. Азовского моря с июня по
сентябрь повторяемость ясного неба по общей облачности превышает 50%.
Максимум приходится на август, достигая 6L8%. Число ясных дней с июля
по сентябрь более 10с максимумом 14.6.
Период с повторяемостью ясного неба по нижней облачности более
50% здесь длится с марта по октябрь. Максимум приходится на июнь (77%).
На северном побережье Азовского моря в августе наблюдается второй
максимум ясного неба (81,3%).
Повторяемость пасмурного неба по общей облачности и число
пасмурных дней в среднем за год больше ясного состояния и числа ясных
дней. Как и следовало ожидать, эти характеристики, по отношению к
рассмотренным выше, имеют обратный годовой ход (в месяцы, когда ясных
дней больше, меньше дней пасмурных и наоборот).
Число пасмурных дней в тот или иной месяц год от года изменяется.
Как показывают наблюдения, наиболее значимыми факторами изменчивости
этого параметра в Восточной Европе являются солнечная активность, а также
взаимодействие северной части Атлантического океана и атмосферы.
Твердые частицы пыли, в особенности частицы гигроскопичные или
растворимые в воде, попадая в воздушную среду, становятся атмосферными
ядрами конденсации. При этом вокруг них образуются капли воды, а при
соответствующих условиях снежинки( в атмосфере возникают облака и
туманы). Благодаря их наличию в атмосфере, в ней идут процессы
аккумуляции микрочастиц пыли и полютантов.
Поверхность водных капель эффективно абсорбирует газы и
взвешенные частицы, содержащиеся в окружающей воздушной среде.
Снежинки, обладающие значительной площадью поверхности, также
эффективно адсорбируют примеси.
Наблюдения показывают, что капля воды способна захватывать
частицы пыли и газообразные полютанты в области, сечение которой в 100
раз превышает ее диаметр.
Межмолекулярное притяжение в капле жидкости (а в особенности
воды) много больше, чем в воздушной среде. Поэтому молекулы примесей,
абсорбированные поверхностью капли, практически не имеют "обратного
выхода" (они могут "освободиться" лишь при ее испарении).
В результате капля, длительное время взаимодействующая с
загрязненным воздухом, накапливает в себе полютанты в концентрациях
существенно больше, чем в окружающей среде. При этом концентрация
пыли и полютантов в воздухе, окружающем капли и снежинки, снижается.
Эффективность абсорбции полютантов облаком тем выше, чем больше
величина отношение площади суммарной поверхности образующих его
капель (снежинок) к их суммарному объему. Следовательно, самыми
эффективными поглотителями примесей при постоянной водности являются
облака ( и туманы), состоящие из самых мельчайших облачных элементов.
При выпадении атмосферных осадков полютанты, накопившиеся в
каплях, а также твердые частицы пыли, выводятся из атмосферы (загрязняя
при этом подстилающую поверхность).
Частицы пыли, высвободившиеся из облака в результате испарения
выпавших из него капель, частично увлекаются обратно в облако (вновь
становясь центрами конденсации) существующими под ним конвективными
потоками воздуха, а частично оседают на подстилающую поверхность.
Движение их происходит под действием ускоряющей силы тяжести и
тормозящей силы сопротивления воздуха. Первая пропорциональна массе
частицы и ее объему (кубу диаметра). Вторая зависит от площади
поверхности частицы (квадрата ее диаметра) и скорости движения
относительно воздуха.
Сила тяжести от скорости частицы не зависит, а сила торможения тем
больше, чем больше скорость. Поэтому вначале движение оседающих
частиц происходит ускоренно, а после того как скорость их станет
достаточно большой - равномерно (сила сопротивления компенсирует силу
тяжести).
Скорость оседающей равномерно твердой частицы в неподвижной
атмосфере зависит от ее размеров. Частицы диаметром более 1 мм (это чаще
всего градины и "крупа") движутся со скоростями пропорциональными
корню квадратному из их диаметра. Частицы диаметром менее 1 мм падают,
подчиняясь закону Стокса. Скорость их движения пропорциональна квадрату
диаметра (чем они меньше, тем медленнее они падают).
Частица диаметром 100 μκ при оседании проходит слой воздуха
толщиной 3 км за 1час. Частица диаметром 10 μκ проходит тот же слой за 4
суток. Частицы диаметром 1 μκ оседают в том же слое более чем за полтора
месяца. Еще меньшие частицы оседают годами.
В реальной атмосфере на оседающие частицы существенно влияет
движение воздуха. Это фактор тем значительней, чем больше отношение
диаметра частицы к ее объему (т.е. чем меньше диаметр частицы). Поэтому
сила тяжести существенно влияет на скорость оседания лишь частиц
диаметром более 10 μκ. Меньшие частицы "вымываются " из атмосферы в
основном осадками.
Капли, существующие в загрязненной атмосфере длительное время,
накапливают в себе твердых частиц и полютантов существенно больше, чем
капли, только что образовавшиеся. Поэтому сильнее всего загрязнены осадки
из облаков, пришедших издали - из районов расположения источников
интенсивного загрязнения атмосферы. Менее всего загрязнены капли
существующих короткое время радиационных туманов в районах, удаленных
от источников загрязнения.
Воздушные потоки переносят облака, а в них и накопленные
полютанты, на огромные расстояния. При выпадении из таких облаков
осадков часть содержащихся в них загрязняющих веществ выводится из
атмосферы, загрязняя водоемы и почву.
В результате тех же процессов (см. раздел 2), которые приводят к
постепенному "вымыванию" из облака атмосферных ядер конденсации, в
воздух под ним (и далее на подстилающую поверхность) поступают также
полютанты, накопленные облаком. При этом из облака постепенно
очищаются от них.
Процесс самоочищения облаков дающих осадки идет быстрее, однако и
без них данный процесс может идти достаточно интенсивно, если в зоне
облачности имеются энергичные восходящие движения. Загрязнение
атмосферы (а также соответствующих участков подстилающей поверхности)
под облаками кучевых форм сильнее, чем под облаками слоистыми. Быстрее
всего самоочищаются облака вертикального развития. Медленнее - слоистые,
они способны удерживать в себе полютанты (как и атмосферные ядра
конденсации) дольше всего.
Так при проведении в 50-х годах ХХ-го века СССР, США, Китаем,
Великобританией и Францией наземных и воздушных ядерных испытаний
формировались облака, элементы которых аккумулировали значительные
количества радионуклидов. Эти облака под воздействием атмосферной
циркуляции перемещались на расстояния тысячи километров от места взрыва
и давали радиоактивные осадки.
Как показали наблюдения, движение радиоактивных облаков
происходило преимущественно в широтном направлении - с запада на
восток. Они несколько раз огибали планету, существенно повысив
радиоактивный фон в соответствующих широтных поясах.
Активность даваемых ими осадков по мере увеличения пути,
пройденного облаками, постепенно снижалась. Заметное повышение
радиоактивного фона на участках земной поверхности и водоемах, над
которыми проходили эти облака, отмечалось и в тех случаях, когда осадков
не наблюдалось.
В частности, облака аккумулировавшие радионуклиды после ядерных
испытаний в удаленных районах Центральной Азии, несколько раз
достигали Черного моря, что привело к
повышению концентрации
радионуклидов в его поверхностном слое.
Особо
существенное
радиоактивное
загрязнение
атмосферы
отмечалось при наземных ядерных взрывах и взрывах воздушных,
происходящих на малом удалении от подстилающей поверхности. При этом
в атмосферу поднималось огромное количество радиоактивной пыли,
оседавшей потом месяцы и годы. Кроме радионуклидов и пыли, при ядерных
взрывах в атмосфере образовывалось огромное количество двуокиси азота
(окрашивающей облако взрыва в характерный коричневый цвет).
Взаимодействуя с водой в атмосфере, это вещество образовывало азотную
кислоту.
Как показали исследования Мартина, при воздушном взрыве
мощностью 20 Мт в локальной области атмосферы образуется 500 тыс. тон
азотной кислоты (это в 5 раз больше чем в среднем за сутки образуется на
всей планете). Поэтому осадки, выпадающие из радиоактивных облаков,
отличаются весьма высокой кислотностью.
Несколько необычным оказалось движение радиоактивных облаков,
образовавшихся при аварии на Чернобыльской АЭС. В отличие от
ожидавшегося движения на восток, эти облака частично ушли на северозапад (загрязнив Беларусь и северо- западную Европу), частично - на юг
(достигнув Черного моря, где в июне 1986 г. максимальное загрязнение
отмечалось в районе Балаклавы).
Процесс загрязнения подстилающей поверхности осадками из облаков,
участвующих во внешнем влагообороте называется трансграничным
переносом полютантов. Особенности этого процесса определяются
преобладающим в данном районе типом атмосферного переноса,
преобладающим типом облачности, а также количеством выпадающих
атмосферных осадков.
Можно предполагать, что его особенности определяются также
особенностями преобладающих в регионе синоптических процессовциклонов, антициклонов и др.
В тропосфере умеренных широтах северного полушария чаще всего
реализуются условия западного атмосферного переноса (восточный и
меридианальный перенос встречаются реже). Поэтому здесь трансграничный
перенос полютантов в основном осуществляется из промышленных районов
и крупных городов, расположенных к западу.
Чем больше выпадает в данном районе осадков, тем при прочих равных
условиях, трансграничный перенос полютантов интенсивнее. В районах с
засушливым климатом он является менее значимым фактором загрязнения,
чем в районах с климатом влажным.
Если преобладающим типом облачности в регионе являются слоистые
облака, то, при прочих равных условиях, интенсивность трансграничного
переноса полютантов меньше. Если доминирует облачность кучевых форм загрязнение подстилающей поверхности полютантами "выпадающими" из
облаков (с осадками или без них) сильнее.
Оптические и электрические явления в облаках
Наиболее известным оптическим явлением, возникающими, в облаках,
является радуга.
Возникновение радуги обусловлено преломлением солнечных лучей в
каплях воды. Степень яркости радуга, интенсивность ее оттенков и цветов
зависит от величины капель и их количества. Чем меньше размеры капель,
тем шире радужная полоса и светлее оттенки ее цветов.
Иногда удается наблюдать двойную радугу (одну радугу над другой).
Возникновение этого явления объясняется двойным отражением лучей в
каплях, находящихся выше капель, дающих обычную радугу. При этом
чередование цветов в этих радугах противоположное,
Еще больше радужных дуг - три, четыре, пять возникает в тех случаях,
когда помимо прямых солнечных лучей в образовании радуги участвуют и
лучи, отраженные от гладкой поверхности озера, реки, ледника.
Не менее интересными, но реже наблюдаемыми оптическими
явлениями в атмосфере являются т.н. "гало" - светящиеся кресты, столбы,
кольца и фигуры, появляющиеся в облаках.
Термин "гало" произошел от греческого слово "галос", что означает
круг. Гало в простейшем варианте действительно представляет собой кольцо,
возникающее иногда днем вокруг Солнца, а чаще ночью вокруг Луны и
звезд. Гало обусловлено усилением рассеяния прямых лучей от небесных
светил на кристалликах льда.
Лучи света, проходя сквозь каждый кристалл льда, преломляются.
Хаотично вращаясь в атмосфере, ледяные кристаллы посылают
преломившиеся в них лучи под различными углами. Среди этих углов всегда
имеется наименьший, который мало зависит от ориентации кристаллов.
Установлено, что угловое распределение интенсивности преломленных
ледяными кристаллами лучей таково, что его максимум приходится на
минимальный угол. Поэтому наблюдателю кажется, что каждый источник
света, наблюдаемый сквозь облако ледяных кристаллов, окружен светящимся
кольцом, отделенным от него темным промежутком.
Если облако содержит ледяные кристаллы в форме прямых
шестигранных призм, гало оказывается окрашенным. Проходя через такие
призмы, световые лучи не только преломляются, но и разлагаются в спектр.
В результате этого внутренняя часть гало окрашена в красный цвет.
Наружная часть гало окрашена в голубовато - синий цвет.
Появление гало люди еще в древности начали связывать с грядущими
"неприятностями" - голодом, эпидемиями, войнами. Произошло это,
вероятно, потому, что всякий раз после появления гало портилась погода.
С наличием в атмосфере мельчайших частиц воды связано еще одно
эффектное оптическое явление - т.н. "броккенский призрак", наблюдаемый
обычно в горах. Оно получило название в часть горы Броккен в горной
системе Гарца. Здесь зачастую наблюдают появление в небе гигантских
призраков - теней людей, животных и др..
Броккенские призраки возникают всякий раз, когда с одной стороны на
человека падает луч восходящего или заходящего Солнца, а с другой находятся мельчайшие капельки воды или микрокристаллы льда.
Рассматриваемое оптическое явление, как и гало, обусловлено
эффектами преломления солнечных лучей.
Светящиеся столбы, кресты "ложные солнца" и ряд других, интересных
оптических явлений в атмосфере, вызван отражением света от кристаллов
льда. Сочетание отражений и преломлений приводит к образованию в небе
сложных, комбинированных гало, имеющих радужную окраску.
Еще одно интересное оптическое явление - это т.н. "венцы",
возникающие вокруг Солнца, Луны и звезд, свет которых проходит сквозь
тонкий слой облаков, состоящих как из ледяных кристаллов, так и из капель.
Венцы имеют также радужную окраску, однако цвета в них, по сравнению с
гало, располагаются в обратном порядке: внутренняя часть венца голубая наружная красная.
Причина возникновения венцов - диффракция света на малых
отверстиях или щелях. В облаках роль отверстий выполняют капли воды, а
щелей -кристаллики льда в форме ледяных игл. Появление венцов, как и
гало, может свидетельствовать о приближении теплого атмосферного
фронта. Чаще всего они наблюдаются в перистых и высоко - слоистых
облаках.
Капли воды в облаках являются своеобразными зарядными
устройствами, подпитывающими электроэнергией грозы.
Механизм разделения электрических зарядов в грозовом облаке до сих
пор понятен лишь в общих чертах. Многие его особенности до сих пор
остаются загадкой. Установлено, что интенсивность грозы пропорциональна
средней температуре участка тропосферы, в котором она происходит.
Повышение средней температуры воздуха всего на 1 градус приводит к
увеличению интенсивности молний в 3-4 раза. Именно поэтому в высоких
широтах гроз не бывает, в умеренных широтах грозы бывают только летом,
а в тропиках происходят круглогодично. В тропиках родина подавляющей
части гроз, бушующих на нашей планете. Это позволяет связывать процесс
электризации грозовых облаков с присутствующими в них каплями воды.
Капли воды, движущиеся в воздушных потоках, при трении о воздух
приобретают электрические заряды. Заряды возникают в результате
отделения мельчайших капель от более крупных. Происходит это всякий раз,
когда восходящий поток воздуха достаточно силен (его скорость должна
быть не менее 5 м/с). Крупные капли в таком потоке утрачивают свою
устойчивость и сохраняются всего лишь несколько секунд. Порывами ветра
они вначале сплющиваются, а затем вздуваются, становясь похожими на
колпачки. Вершина такого колпачка давлением воздуха растягивается в
тончайшую пленку и затем разрывается, дробясь на множество мельчайших
капелек, несущих отрицательные заряды.
Кольцеобразный остаток разорвавшейся капли силами поверхностного
натяжения стягивается в единую, меньшую по размерам каплю, несущую
положительный заряд. При повторном разбрызгивании таких капель в
восходящем воздушном потоке все повторяется сначала и их электрический
заряд лавинообразно растет. Чем интенсивнее восходящий поток воздуха в
облаке, тем быстрее в нем происходит накопление электричества.
Электрические заряды, переносимые каплями разного диаметра, в облаке
дифференцируются по высоте.
Мельчайшие капельки, несущие отрицательные заряды, оседают в
воздухе под действием сипы тяжести медленно. Поэтому восходящие потоки
воздуха удерживают их в самой важней части облака, которая в результате
приобретает отрицательный заряд.
Крупные капли - носители положительного заряда, оседают в облаке
гораздо быстрее и чаше встречаются в его нижней части. В результате,
нижняя часть облака приобретает положительный заряд.
При накоплении в грозовом облаке достаточно большого
электрического заряда между его верхней и нижней частями происходит
электрический разряд -молния, которую принято называть зарницей.
Молнии возникают не только между обладающими различными
зарядами частями облаков, но и между нижней частью облака и землей.
Земная поверхность, в особенности влажная, является проводником.
При движении над проводящей поверхностью заряженного положительным
зарядом облака, в ней индуцируется заряд противоположного знака,
накапливающийся на всевозможных пиках и остриях.
Если разность потенциалов, между каким либо пиком и нижней
частью облака, превосходит пределы электрической прочности воздуха, в
нем возникает электрический пробой. В начале, от нижней части облака по
направлению к: земле устремляется маленький сгусток плазмы, за которым
возникает токопроводящий канал. Этот сгусток движется скачками,
ступенчато, останавливаясь на 30-50 микросекунд перед очередным скачком.
Поэтому его принято называть ступенчатым лидером.
После того как лидер достигает земной поверхности, по
токопроводящему каналу снизу вверх происходит основной электрический
разряд. Молния фактически бьет не из облака в землю, а наоборот – из земли
в облако. При разряде возникает значительный электрический ток, сильно
нагревающий воздух. Это происходит за тысячные доли секунды. В
результате нагретый воздух резко расширяется, излучая акустические волны
- т.н. гром.
Так образуется наиболее распространенная линейная молния. Известны
и другие, менее изученные виды молний – поверхностная, четочная, шаровая.
При интенсивных грозовых разрядах в слое атмосферы толщиной 80-90 км
над облаком на 80-90 км кратковременно вспыхивают слабо светящиеся
колонны - т.н. «спрайты» и «джеты». Их можно наблюдать с вершин гор или
с самолетов, если гроза происходит на большом удалении – 20-30 км.
Причины их возникновения до сих пор не ясны.
3. Рекомендованная литература
1. Вайсберг .Погода на Земле: Популярная метеорлогия.- М.:
“Гидрометеоиздат”,1980.
2. Адамов П.Н. Местные признаки погоды. Л. “Гидрометеоиздат”,1961.
3. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л.: «Гидрометеоиздат», 1976.
639с.
4.Решетов В.Д. Изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. Л.:
«Гидрометеоиздат» . 1973. 216с.
5. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: «Гидрометеоиздат», 1978. Т.1. 246с.
6.Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л.:
«Гидрометеоиздат»,1971. 568с.
7. Будыко М.И. Климат и жизнь. / М.И. Будыко. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. –
181 с.
8. Холопцев А. В. Введение в гидрометеорологию./А. В. Холопцев, А. И.
Рябинин// Севастополь. – СНУЯЭиП. -2002. -220с.
9. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л.: «Гидрометеоиздат», 1976.
639с.
10. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: «Гидрометеоиздат», 1978. Т.1. 246с.
11. Школьний Є.П. Фізика атмосфери. -Одеса.; ОГМІ. 1997. - 698 с.
4. Вопросы для самопроверки усвоения материала.
1.. Каковы происхождение и особенности техногенных туманов?
2.Расскажите о закономерностях образования и свойствах фронтальных
туманов.
3. Какова география туманов?
4. Какие виды туманов не образуются в природных условиях ?
5. Что такое распределение капель по диаметрам? Какими параметрами оно
характеризуется?
6. Что такое смог? Какие его виды Вам известны, как они образуются?
7. Что такое фронтальный туман; как образуется зафронтальный туман
теплого фронта?
8. Что такое и как образуется туман смешения? Где такие туманы бывают?
9. Почему смешанные туманы при отрицательных температурах со временем
трансформируются в ледяные?
10. Почему искусственные туманы можно использовать для защиты растений
от заморозков?
11. В каких случаях искусственный туман не может быть создан и почему?
12. Почему туман способствует очищенного приземного слоя атмосферы от
пыли?
13. Расскажите об облачных системах возникающих в зоне теплого
атмосферного фронта.
14.Какова структура облачной системы, возникающей в зоне холодного
атмосферного фронта 1-го рода?
15.Какова структура облачной системы, возникающей в зоне холодного
атмосферного фронта 2-го рода?
16. Какова структура облачной системы возникающей в зоне
атмосферных фронтов окклюзии (теплого или холодного типа)?
17. Какова структура облачной системы, возникающей в
молодом
циклоне?
18. Какова
структура
облачной
системы,
возникающей
в
окклюдированном циклоне?
19. Какова структура облачной системы, возникающей в антициклонах?
20. Каковы количественные характеристики облачности, применяемые в
климатологии?
21. Почему самые крупные снежинки сосредоточены в верхней части
ледяных облаков, а самые мелкие - в нижней?
22. Может ли облако возникнуть в воздушной среде, где относительная
влажность существенно меньше 100%? В каком случае и почему это
возможно?
23. Почему концентрация атмосферных ядер конденсации в нижней части
облаков
24. При каких условиях и почему образуется радуга?
25. Что такое и как образуется гало? В каком случае оно окрашено?
26.
В каких случаях наблюдатель может встретить «броккенского
призрака»? Следует ли опасаться этих встреч?
27. Что такое венец и может ли он образоваться днем?
28. В каких случаях венец окрашен?
29. Почему чередование цветов в гало и венце противоположно?
30. Почему водные капли в облаке вертикального развития являются
своеобразными генераторами электрических зарядов?
31. Почему отрицательные заряды в облаках накапливаются в самой верхней
их части, а положительные - в нижней?
З2. Как образуется линейная молния между облаком и земной поверхностью?
33. Как образуется зарница?
34. Что такое ступенчатый лидер? Какую роль он играет в образовании
линейной молнии?
35. Почему при грозе вершины гор и шпили башен - наиболее опасные
места?