Изменение температуры поверхности почвы в течение суток называется суточным ходом. Суточный ход поверхности почвы в среднем за много дней представляет собой периодические колебания с одним максимумом и одним минимумом.

Минимум наблюдается перед восходом солнца, когда радиационный баланс отрицателен, а нерадиационный обмен теплом между поверхностью и прилегающими к ней слоями почвы и воздуха незначителен.

С восходом солнца температура поверхности почвы растет и достигает максимума около 13 часов. Затем начинается ее понижение, хотя радиационный баланс еще остается положительным. Объясняется это тем, что после 13 часов возрастает отдача тепла поверхностью почвы в воздух путем турбулентности и за счет испарения.

Разность между максимальной и минимальной температурой почвы за сутки называется амплитудой суточного хода. На нее влияет ряд факторов:

1.Время года. Летом амплитуда наибольшая, а зимой наименьшая;

2.Широта места. Поскольку амплитуда связана с высотой солнца, то она уменьшается с увеличением широты места;

3. Облачность. В пасмурную погоду амплитуда меньше;

4. Теплоемкость и теплопроводность почвы. Амплитуда находится в обратной зависимости от теплоемкости почвы. Например, гранитная скала обладает хорошей теплопроводностью и в ней нагревание хорошо передается вглубь. В результате амплитуда суточных колебаний поверхности гранита невелика. Песчаная почва обладает меньшей теплопроводностью, чем гранит, поэтому амплитуда хода температуры песчаной поверхности примерно в 1,5 раза больше, чем гранитной;

5. Цвет почвы. Амплитуда темных почв значительно больше, чем светлых, так как способность поглощения и излучения у темных почв больше;

6. Растительный и снежный покров. Растительный покров уменьшает амплитуду, так как он препятствует нагреванию почвы солнечными лучами. Не очень большая амплитуда и при снежном покрове, так как из-за большого альбедо поверхность снега нагревается мало;

7. Экспозиция склонов. Южные склоны холмов нагреваются сильнее, чем северные, а западных больше, чем восточных, отсюда и амплитуда южных и западных поверхностей холмов значительнее.

Годовой ход температуры поверхности почвы

Годовой ход, как и суточный, связан с приходом и расходом тепла и определяется главным образом радиационными факторами. Удобнее всего проследить за данным ходом по среднемесячным значениям температуры почвы.

В северном полушарии максимальные среднемесячные температуры поверхности почвы наблюдаются в июле-августе, а минимальные – в январе-феврале.

Разность между наибольшей и наименьшей среднемесячными температурами за год называется амплитудой годового хода температуры почвы. Она в наибольшей степени зависит от широты места: в полярных широтах амплитуда наибольшая.

Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы постепенно распространяются в более глубокие ее слои. Слой почвы или воды, температура которого испытывает суточные и годовые колебания, называется активным.

Распространение температурных колебаний в глубь почвы описывается тремя законами Фурье:

Первый из них гласит, что период колебаний с глубиной не изменяется;

Второй говорит о том, что амплитуда колебаний температуры почвы с глубиной уменьшается в геометрической прогрессии;

Третий закон Фурье устанавливает, что максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы, причем запаздывание прямо пропорционально глубине.

Слой почвы, в котором температура остается неизменной в течение суток называется слоем постоянной суточной температуры (ниже 70 - 100 см). Слой почвы, в котором температура почвы остается неизменной в течение года, называется слоем постоянной годовой температуры . Этот слой начинается с глубины 15-30 м.

В высоких и умеренных широтах встречаются обширные области, где слои почвы остаются мерзлыми в течение многих лет, не оттаивая летом. Эти слои называются вечной мерзлотой.

Вечная мерзлота может залегать как непрерывным слоем, так и в виде отдельных слоев, перемежаясь талой почвой. Мощность слоя вечной мерзлоты колеблется от 1-2 м до нескольких сотен м. Например, в Якутии мощность вечной мерзлоты составляет 145 м, в Забайкалье – около 70 м.

Нагревание и охлаждение водоемов

Поверхностный слой воды, как и почвы, хорошо поглощает инфракрасную радиацию: условия ее поглощения и отражения водой и почвой отличаются мало. Другое дело – коротковолновая радиация.

Вода, в отличие от почвы, представляет для нее прозрачное тело. Поэтому радиационное нагревание воды происходит в ее толще.

Существенные различия теплового режима воды и почвы вызываются следующими причинами:

Теплоемкость воды в 3-4 раза больше теплопроводности почвы. При одинаковом приходе или расходе тепла температура воды изменяется меньше;

Частицы воды обладают большей подвижностью, поэтому в водоемах передача тепла внутрь происходит не путем молекулярной теплопроводности, а за счет турбулентности. Охлаждение воды ночью и в холодное время года происходит быстрее, чем нагревание ее днем и летом, и амплитуды суточных колебаний температуры воды, также как и годовые, малы.

Глубина проникновения годовых колебаний в водоемы составляет 200 - 400 м.

В суточном ходе на суше обнаруживается два максимума – ранним утром и после полудня. Утром понижение температуры увеличивает относительную влажность, появляются слоистые облака. После полудня в связи с развитием конвекции появляются кучевые облака. Летний дневной максимум сильнее утреннего. Зимой преобладают слоистые облака, максимум облачности приходится на утренние и ночные часы. Над океаном суточный ход облачности обратен её ходу над сушей: максимум облачности приходится на ночь, минимум – на день (над водной поверхностью конвекция сильнее развивается ночью).

Годовой ход облачности очень разнообразен. В низких широтах облачность в течение года существенно не изменяется. Над континентами максимальное развитие облаков приходится на лето. Летний максимум облачности отмечается в области развития муссонов, а также над океаном в высоких широтах. Зональность в распределении облаков лучше выражена над океанами и в меньшей мере на суше. Минимумы облачности к 30º с. и ю.ш., и на полюсах, они связаны с областями опускания воздуха.

31 Дымка, туман, мгла. Условия образования туманов

Ды́мка (также возду́шная или атмосфе́рная ды́мка ) - равномерная световая вуаль, возрастающая по мере удаления от наблюдателя и заволакивающая части ландшафта.

Тума́н - атмосферное явление, скопление воды в воздухе, образованное мельчайшими частичками водяного пара (при температуре воздуха выше −10° - капельки воды, при −10..−15° - смесь капелек воды и кристалликов льда, при температуре ниже −15° - кристаллики льда, сверкающие в солнечных лучах или в свете луны и фонарей).

Мгла - атмосферное явление, помутнение воздуха в виде сероватой, белёсой или желтоватой пелены вследствие скопления в воздухе большого количества мелких или твёрдых частиц пыли или дыма.

Туман возникает в том случае, когда у земной поверхности создаются благоприятные условия для конденсации водяного пара. Нужные для этого ядра конденсации существуют в воздухе всегда.

Охлаждение воздуха у земной поверхности происходит при разных условиях. Во-первых, при перемещении воздуха с более теплой подстилающей поверхности на более холодную. Туманы, которые при этом возникают, называются адвективными. Во-вторых, при радиационном охлаждении подстилающей поверхности. Воздух в этом случае охлаждается главным образом от земной поверхности. Возникающие при этом туманы называют радиационными. В-третьих, при влиянии обоих факторов. Туманы, возникающие в этом случае, называют адвективно-радиационными.

Адвективные туманы возникают в теплых воздушных массах, перемещающихся над более холодной поверхностью, т. е. при перемещении воздушных масс из низких широт в высокие или зимой с теплого моря на холодную сушу, летом с теплой суши на холодное море, а также с теплых участков морской поверхности на холодные (например, у Ньюфаундленда при переносе воздуха из области Гольфстрима в область Лабрадорского течения).

32 Осадки. Образование осадков, конденсация и коагуляция

Атмосферная влага, падающая на землю в виде дождя, снега.

Коагуляция (от лат. coagulatio - свертывание, сгущение), также флокуляция (от лат. flocculi - клочья, хлопья) - физико-химический процесс слипания мелких частиц дисперсных систем в более крупные под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур.

33 Виды осадков

Атмосферные осадки – это содержащаяся влага в облаках, которая выпадает на Землю в разных видах: снег, дождь, град и т. д.

34 Суточный и годовой ход осадков

В зависимости от характера облачности и режима выпадения осадков различают два типа их суточного хода: континентальный и морской. Континентальному типу свойственны два максимума: основной – в послеполуденные часы из конвективных кучево-дождевых, а на экваторе и из кучевых облаков и незначительный – рано утром из слоистых облаков, между ними минимумы: ночью и перед полуднем. В морском (береговом) типе один максимум осадков ночью (вследствие неустойчивой стратификации воздуха и конвекции) и один минимум – днем. Эти типы суточного хода осадков весь год наблюдаются в жарком поясе, а в умеренных поясах возможны лишь летом.

Годовой ход осадков, т. е. изменение их по месяцам в течение года, в разных местах Земли весьма различен. Это зависит от многих факторов: радиационного режима, общей циркуляции атмосферы, конкретной физико-географической обстановки и др. Можно наметить несколько основных типов годового хода осадков и выразить их в виде столбиковых диаграмм (рис. 47).

35 Географическое распределение осадков

Распределение осадков по земной поверх­ности зависит от совокупного действия ряда причин: температуры воздуха, испарения, аб­солютной и относительной влажности возду­ха, облачности, водности облаков, атмосфер­ного давления, господствующих ветров и др. Наряду с этими зональными факторами в распределении осадков весьма существенны и незональные условия", распределение суши и моря, их размеры и орографические особен­ности материков.

36 Снежный покров, его изменение и климатическое значение. Метель

Снежный покров - продукт атмосферных процессов и, следовательно, климата, но в то же время он сам влияет на климат, как и на другие составляющие географического ландшафта. Температура на поверхности снежного покрова ниже, чем на поверхности почвы, не покрытой снегом, так как снег обладает исключительно высоким альбедо (80–90%). В то же время шероховатая поверхность снега сильно излучает. Малая теплопроводность снега приводит к тому, что потеря тепла с поверхности снежного покрова не покрывается притоком тепла из более глубоких его слоев и из почвы. Поэтому почва, покрытая снегом, сохраняет зимой достаточно высокую температуру. На этом основано и озимое земледелие: снежный покров предохраняет всходы от вымерзания.
По наблюдениям в Павловске, поверхность почвы под снегом в январе в среднем на 15° теплее, а за зиму на 5–7° теплее, чем поверхность почвы, искусственно обнаженная от снега. Даже на глубине в несколько десятков сантиметров почва под снегом теплее, чем обнаженная почва.

Чем тоньше снежный покров зимой, тем сильнее промерзание почвы при прочих равных условиях. В Восточной Сибири и Забайкалье снежный покров очень невелик (в Забайкалье менее 20 см) вследствие господствующего там зимой режима высокого атмосферного давления, и темпе-ратура на поверхности снега зимой очень низкая. Поэтому в г. Иркутске, например, почва промерзает под снегом в среднем до глубины 177 см. В то же время в лесах московской области почва под снегом обычно не промерзает вовсе.

Снежный покров охлаждает воздух. Над ним образуются значительные приземные радиационные инверсии температуры. Весной при таянии снежного покрова приток тепла идет на таяние снега, и температура воздуха остается близкой к нулю до тех пор, пока снег не стает. В теплом воздухе, перемещающемся над тающим снежным покровом, могут возникать так называемые весенние инверсии температуры.

Запасы воды, накапливаемые за зиму в снежном покрове, примерно на 50% обеспечивают питание рек России. С весенним таянием снега связаны половодья на ее равнинных реках.

Высота половодья зависит не только от накопленных за зиму запасов снега, но и от быстроты его таяния и от свойств поверхности почвы. Особенно высоки половодья, если снег осенью выпадает на замерзшую почву: весной талые воды вследствие этого не впитываются в почву, а стекают.

37 Электричество облаков и осадков. Гроза

4. Электричество облаков и осадков.

Капли облаков и туманов, как и твердые элементы в них, чаще бывают электрически заряженными, чем нейтральными. В основном в туманах капли несут заряды одного знака, но примерно в 25% случаев они заряжены разноименно. Средний заряд капель в туманах имеет порядок от десятков до тысяч элементарных зарядов (элементарным зарядом называют заряд электрона). К условиям в туманах, по-видимому, близки и условия в мелкокапельных облаках, не дающих осадков.

Причины электризации элементов облаков и осадков, а также разделения зарядов обоих знаков в облаках недостаточно ясны. Существует много различных теорий. Указывают такие причины, как захват ионов каплями и кристаллами, особенно при выпадении осадков; столкновение крупных и мелких капель; дробление (разбрызгивание) капель; сублимация, дробление и испарение кристаллов; замерзание переохлажденных капель на кристаллах и др.

Типичное развитие кучево-дождевых облаков и выпадение из них осадков связано с мощными проявлениями атмосферного электричества, а именно с многократными электрическими разрядами в облаках или между облаками и землей. Такие разряды искрового характера называют молниями, асопровождающие их звуки – громом. Весь процесс, часто сопровождаемый еще и кратковременными усилениями ветра – шквалами , называется грозой.

По происхождению грозы делятся на внутримассовые и фронтальные.

Внутримассовые грозы наблюдаются в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность, и над прогретой сушей летом (местные, или тепловые грозы). В обоих случаях развитие грозы связано с мощным развитием облаков конвекции, а следовательно, с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы и с сильными вертикальными перемещениями воздуха.

Фронтальные грозы связаны главным образом с холодными фронтами, где теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Но летом над сушей они нередко связаны и с теплыми фронтами. Континентальный теплый воздух, поднимающийся летом над поверхностью теплого фронта, может оказаться очень неустойчиво стратифицированным, а потому над поверхностью фронта может возникнуть сильная конвекция.

38 Наземные гидрометеоры (роса иней изморозь жидкий и твердый налет гололед)

Это осадки в виде капелек, кристаллов или аморфных на вид атмосферных отложений льда, возникающие на земной поверхности и на поверхности наземных предметов путем конденсации или кристаллизации на них водяного пара. Это роса, жидкий налет, иней, твердый налет, изморось. Сюда же относят гололед.

Росой называются мельчайшие капли воды, образовавшиеся в процессе конденсации на земной поверхности

Жидким налетом называется пленка воды, возникающая на холодных, преимущественно вертикальных, поверхностях в пасмурную и ветреную погоду.

Инеем называют ледяные кристаллы различной формы, длиной порядка нескольких миллиметров

Твердый налет возникает на вертикальных поверхностях, особенно каменных (стены, цоколи зданий), с наветренной стороны при таких же условиях, как жидкий налет, но при температурах ниже нуля.

Изморозью называют рыхлые белые кристаллы, нарастающие на ветвях деревьев, на хвое, проводах, проволочных изгородях и других тонких предметах (рисунок 44).

Гололед (устаревший синоним - ожеледь) - нарастающие атмосферные осадки в виде слоя плотного стекловидного льда (гладкого или слегка бугристого), образующегося на растениях, проводах, предметах

39 Атмосферное давление, единицы измерения. Плотность воздуха

Атмосфе́рное давле́ние - давление атмосферы, действующее на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность, равное модулю силы, действующей в атмосфере на единицу площади поверхности по нормали к ней . Давление - величина скалярная, имеющая размерность L −1 MT −2 , измеряется барометром.

Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (русское обозначение: Па; международное: Pa). Кроме того, в Российской Федерации в качестве внесистемных единиц давления допущены к использованию бар, миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, метр водяного столба, килограмм-сила на квадратный сантиметр и атмосфера техническая . Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением (101 325 Па) .

Пло́тность во́здуха - масса газа атмосферы Земли на единицу объема или удельная масса воздуха при естественных условиях.

40 Методы и средства измерения атмосферного давления

Барограф - прибор, используемый для непрерывной регистрации давления воздуха. Он состоит из колонки анероидных коробок, соединенного со стрелкой самозаписувача (рис. 2.6).

41Уравнение состояния сухого воздуха

Состояние каждого из атмосферных газов характеризуется значе­ниями трех величин: температуры, давления и плотности (или удель­ного объема). Эти величины всегда связаны между собой некоторым уравнением, которое носит название уравнения состояния газа.

При условиях, наблюдающихся в атмосфере, основные газы, входящие в состав воздуха, ведут себя практически как идеальные газы. Поэтому уравнение состояния какого-либо газа имеет вид уравнения состояния идеального газа:

Где p i - парциальное давление; Т - температура; V i - удельный объем; R i - удельная газовая постоянная i-гo газа; п - число газов, составляющих механическую смесь.

42 Уравнение статики атмосферы

Рассмотрим условие, при котором отсутствуют вертикальные перемещения воздуха. Для этого на любой высоте в атмосфере выделим столб единичного сечения. Пусть давление на его нижнем основании будет p , а на верхнем p – dp . Тогда очевидно, что при отсутствии разности давлений в горизонтальном направлении уменьшение давления – dp , согласно Q = p , будет определятся весом столба воздуха. Если ρ – плотность воздуха на данной высоте z , а g – ускорение силы тяжести, то

– dp = ρgdz

Это соотношение связывает давление и плотность с высотой для идеального газа, находящегося под действием силы тяжести. Оно справедливо при указанных выше условиях статического равновесия воздуха, и называется уравнением статики атмосферы . Из него непосредственно вытекает, что падение давления с высотой прямо пропорционально плотности воздуха. Разделив левую и правую части уравнения на dz получим второй вид основного уравнения статики атмосферы:

43 Барометрическая формула и физический смысл атмосферного давления

Барометрическая формула - зависимость давления или плотности газа от высоты в поле силы тяжести в стационарных условиях.

Для идеального газа, имеющего постоянную температуру T {\displaystyle T} и находящегося в однородном поле тяжести (во всех точках его объёма ускорение свободного падения g {\displaystyle g} одинаково), барометрическая формула имеет следующий вид:

Годовой ход температуры. Годовой ход температуры имеет два периода: летний - период нагревания почвы с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним и зимний - период охлаждения почвы с потоком тепла от нижних слоев профиля к верхним. Амплитуды колебаний температуры почвы между этими периодами определяются условиями атмосферного климата и свойствами почв. В умеренных широтах максимум среднесуточной температуры почвы наблюдается обычно в июле - августе, а минимум - в январе - феврале. Летом самая высокая температура отмечается в верхних горизонтах, с глубиной она снижается. Зимой нижние слои профиля имеют более высокие температуры.[ ...]

Температура воздуха на Земле колеблется в диапазоне от -88,3 (ст. «Восток», Антарктида) до +58,7°С (Гарьян, Ливия). Температура поверхности песка или камня в пустыне может достигать 70°. Средняя годовая температура приземного слоя воздуха над континентами и океаном (исключая Антарктиду) - +15,7°С. Средняя расчетная температура самой биомассы суши принимается равной 17,5°. Большие колебания относятся к отдельным поясам и сезонам. Но если в области восточно-сибирского антициклона амплитуда сезонных изменений температуры достигает 100°С, то в зоне экваториальных дождевых лесов - всего 2-4°. Для повышения средней температуры атмосферы на 1° (без оттока тепла) достаточно было бы 0,2% годового бюджета солнечной радиации. Следовательно, термическое равновесие атмосферы поддерживается с большой точностью. В почве температурные колебания заметно сглажены: на глубине 25 см суточный ход температуры уже отсутствует. Еще более стабильна средняя температура гидросферы: 3,3°.[ ...]

КЛИМАТ ПОЧВЫ. Совокупность внутрипочвенных физических явлений с суточным и годовым их ходом, развивающаяся во взаимосвязи с (атмосферным) климатом, почвой, растительностью и производственной деятельностью человека. Основными элементами, определяющими характер К. П., являются температура и влажность почвы. Почвенная климатология изучает закономерности формирования и изменения К. П., влияние его на жизнь растений, почвы и сельскохозяйственное производство, пути его регулирования.[ ...]

Изменение температуры почвы в течение года называется годовым ходом. Обычно график годового хода строится по средним месячным температурам почвы. Годовой ход температуры поверхности почвы определяется в основном различным приходом солнечной радиации в течение года. Максимальные средние месячные температуры поверхности почвы в умеренных широтах северного полушария наблюдаются обычно в июле, когда приток тепла к почве наибольший, а минимальные - в январе - феврале.[ ...]

Суточные и годовые колебания температуры почвы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Слой почвы, в котором наблюдается суточный и годовой ход температуры, называется активным слоем.[ ...]

На амплитуду годового хода температуры поверхности почвы влияют те же факторы, что и на амплитуду суточного хода, за исключением времени года. Амплитуда годового хода, в отличие от суточного, возрастает с увеличением широты.[ ...]

Законы Фурье достаточно хорошо подтверждаются наблюдениями. С различиями в годовом ходе температуры на разных глубинах связано распределение температуры в почве по вертикали в разные сезоны. Летом температура от поверхности почвы в глубину падает; зимой растет; весной она сначала растет, а потом убывает; осенью сначала убывает, а затем растет.[ ...]

И на этой «пылинке» - Земле существует особый, земной ритм прихода и расхода тепла, прихода света, слагающийся из годового (сезонного) и суточного (дневного и ночного) ритмов. Последние имеют, четкую и многообразную выраженность. С суточными и сезонными ритмами изменений тепла и света находятся в прямой зависимости изменения температуры грунтов, почв, водных бассейнов, воздуха и всех предметов на 1 , поверхности Земли, а также изменения абсолютной и относительной влажности, ход развития растительности и [ ...]

Покажем, как возникает зависимость слоя испарения от уровня водоема и от влагозапасов речного бассейна. Для этого рассмотрим задачу о годовом и суточном ходе температуры воздуха в пограничном слое атмосферы с учетом тепловых процессов в подстилающей поверхности (суша и вода). Подчеркнем, что первые работы по теории суточного хода температуры воздуха были выполнены В. Шмидтом и Дж. Тейлором свыше 70 лет тому назад. Большую роль в исследовании аналогичных задач сыграли работы академика A.A. Дородницына, который впервые наряду с уравнением теплового баланса атмосферы учел известную зависимость коэффициента турбулентности от высоты приземного слоя атмосферы. Характерно, что на конкретном примере (данные наблюдения в г. Павловске) удалось добиться хорошего согласия между рассчитанным и наблюденным суточным ходом температуры воздуха и поверхности почвы. Упомянутые результаты стали классическими и вошли в учебники по физике атмосферы [Матвеев, 1976].[ ...]

Несовпадение фазы периодических с характером непериодических изменений обуславливает наиболее резкие изменения погоды. Например, весной постепенно увеличивается приход солнечной радиации, с каждым днем все больше прогреваются почва и воздух - происходит периодическое изменение погоды, обусловленное годовым вращением Земли. Но если с утра в данный район вторгается арктический воздух, то температура начинает резко снижаться и в полдень может стать даже холоднее, чем было в прошлую ночь. Следовательно, нормальный суточный ход температуры воздуха нарушится. В последующие дни может стать еще холоднее - нарушится и ее годовой ход. Подобные похолодания весной и летом, а также оттепели зимой - нередкое явление в умеренном климате. Следовательно, погода зависит не только от времени суток и года, но в значительной степени также от свойств воздушных масс, движущихся или удерживающихся над данным районом.

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Облачность выражается в десятых долях покрытия неба (0-10 баллов). При облаках, полностью закрывающих небо, облачность обозначается числом 10, при совершенно ясном небе - 0. На метеостанциях облачность обычно определяют на глаз. Но существуют для этого и приборы в виде фотокамер с выпуклым полусферическим зеркалом. Принято отдельно оценивать общую облачность и количество нижних облаков, так как высокие и отчасти средние облака мало затеняют солнечный свет.

Облачность имеет большое значение для оборота тепла на Земле. Она отражает прямую солнечную радиацию и уменьшает её приток на земную поверхность, увеличивает рассеяние радиации, уменьшает эффективное излучение, меняет условия освещённости.

Суточный ход облачности на Земле сложен и в большой степени зависит от рода облаков. Внутримассовые слоистые и слоисто-кучевые облака, связанные с выхолаживанием воздуха от земной поверхности и со сравнительно слабым турбулентным переносом водяного пара вверх, имеют максимум ночью и утром.

Облака конвекции имеют отчетливо выраженный суточный ход. Они возникают в дневное время (максимальное прогревание суши) и исчезают к ночи. Поэтому над сушей в умеренных широтах летом наблюдаются два максимума облаков - утром и после полудня. В холодное же время года преобладает утренний максимум. В тропиках весь год преобладает послеполуденный максимум, так как важнейшим облакообразующим процессов является конвекция. Над морем облака конвекции и облака восходящего скольжения не имеют ясного суточного хода.

Годовой ход облачности различен в разных климатических зонах. В высоких и умеренных широтах над сушей максимум приходится на зиму, когда наиболее развита циклоническая деятельность, а минимум – на весну и лето, когда преобладают облака конвекции. Над морем в этих широтах различий в годовом ходе облачности между сезонами не наблюдается. Внутри континентов, где в зимнее время господствуют антициклоны, минимальная облачность наблюдается зимой, а максимальная летом.

В субтропиках, где летом господствуют антициклоны, на это время приходится минимум облачности, на зиму – максимум. В тропиках, в пассатной зоне – максимум облачности приходится на лето, минимум на зиму.

В географическом распределении облачности на Земле можно отметить следующие особенности. Над морем облачность больше, чем над сушей. В среднем для всего северного полушария она над морем - 5.6, над сушей - 4.8, для южного полушария - над морем 6.0, над сушей - 4.9 . Для всего Земного шара в целом облачность составляет 5.4, то есть поверхность Земного шара в целом закрыта облаками более чем наполовину. От самых высоких к субполярным широтам облачность растёт и достигает максимума в зоне 70-60° широты. Это связано с максимальным развитием циклонической деятельности в субполярных широтах. Затем к субтропикам облачность убывает и достигает минимума в зоне 30-20°. Этот минимум связан с субтропическими антициклонами. Далее к экватору облачность снова увеличивается: это зона пассатов с их кучевыми облаками и затем зона внутритропической конвергенции вблизи экватора, где развивается сильная конвекция.

Световые явления в облаках. Радуга.

С облаками в атмосфере связаны различные световые явления (гало, венцы, радуга), которые обусловлены отражением, преломлением и дифракцией света в каплях и кристаллах облаков.

В ледяных облаках верхнего яруса возникают явления гало . К ним относятся световые круги радиусом 22 или 46 угловых градусов, центры которых совпадают с центром солнечного или лунного диска. Круги бывают слабо окрашены в радужные цвета (красный внутри). Окрашивание гало объясняется преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, неокрашенные (бесцветные) формы – отражением света от граней кристаллов.

В тонких водяных облаках, состоящих из однородных капель (высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции возникают явления венцов . Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света.

Радуга наблюдается в том случае, если облака, из которых выпадает дождь, освещены солнцем и расположены против него. Радуга представляет собой дугу радиусом около 42°, окрашенную по внешнему краю в красный, по внутреннему - в фиолетовый, а между ними - в остальные цвета спектра. Дуга радуги является частью окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей центр солнечного диска с глазом наблюдателя. Если солнце стоит на высоте более 42° над горизонтом, то центр радуги лежит глубоко под горизонтом и радуги не видно совсем, если ниже - дуга радуги составляет почти полуокружность. Кроме основной радуги, иногда можно видеть более слабую дополнительную радугу радиусом около 50 0 с фиолетовым цветом по наружному краю, а в отдельных случаях возникают третья и четвертая радуги. Ширина и окраска радуги зависит от размеров капель. Радуга возникает при преломлении солнечных лучей при входе и выходе из капель, их отражении внутри капель и явлений дифракции на каплях.

Туман, дымка, мгла.

Воздух часто бывает замутнён вследствие наличия в нём различных примесей и мельчайших зачаточных продуктов конденсации. Примеси рассеивают проходящий свет, что приводит к ухудшению дальности видимости. Если помутнение невелико, оно называется дымкой. Помутняющими частичками являются микроскопические капельки и пылинки. Дымка наблюдается обычно у поверхности, распространяясь от неё на более или менее значительную высоту. При этом дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает видимость (дальность видимости от 1 до 10 км). Если диаметр помутняющих частичек меньше, чем длины световых волн, то есть измеряются в десятых долях микрометра, то дымка окрашивает отдалённые предметы в синий цвет, белые или светящиеся предметы приобретают желтоватую окраску. Такое помутнение называют опалесцирующим. При более значительных размерах помутняющих частиц дымка принимает белесоватый или сероватый оттенок.

Более крупные продукты конденсации и их большая концентрация у поверхности вызывают более значительное ухудшение видимости (дальность видимости становится меньше километра). В таких случаях говорят о тумане. При низких температурах туман состоит не только из жидких капелек, но и из кристалликов.

Если сильное помутнение вызвано не продуктами конденсации, а содержанием в воздухе большого количества твёрдых коллоидных частиц, явление носит название мглы. Мгла особенно часто наблюдается при пыльных бурях, лесных пожарах и над промышленными городами. При мгле относительная влажность может быть очень невелика, что отличает мглу от тумана. Дальность видимости при сильной мгле может уменьшаться так же, как при тумане.

Смог.

Очень неприятное и даже опасное явление представляет собой уменьшение прозрачности воздуха, связанное с антропогенными примесями и называемое смогом . Онвозникает в больших городах или индустриальных центрах. Сильные смоги могут приводить к серьёзным заболеваниям дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы, иногда даже к смертельным случаям.

Смог возникает в определенных метеорологических условиях: отсутствие осадков, безветренная погода, температурная инверсия, сохраняющихся в течение нескольких дней. Эти условия препятствуют вертикальному и горизонтальному перемещению воздуха и его очищению от поступающих загрязнителей. В зависимости от географических условий выделяют 3 типа смога.

1. Ледяной смог. Он зафиксирован в полярном климате и возникает зимой, в условиях низких температур (t° < -35°С), когда Солнце поднимается не более чем на 4-5 часов, и практически отсутствует суточный ход температуры. Загрязнителем являются водяные пары искусственного происхождения, которые преобразуются в мельчайшие ледяные кристаллики (5-10 мкм в диаметре) и уменьшают дальность видимости до 10 м. К водяным парам примешивается двуокись серы и при окислении кислородом воздуха происходит образование серной кислоты. Впервые такой вид смога был отмечен в США в поселке Фербенкс на Аляске.

2. Смог лондонского типа возникает в условиях умеренного влажного климата в переходные сезоны, при сильных туманах и температуре воздуха, близкой к 0°С. Основные загрязнители - продукты сгорания торфа, нефти, 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. Наиболее часто этот смог отмечают в Лондоне, Нью-Йорке, Брюсселе.

3. Фотохимический (Лос-Анджелесский ) смог характерен для субтропиков с жарким летом и высокими значениями солнечной радиации (свыше 2.0 Кдж/см 2 мин). Основными загрязнителями являются выхлопные газы. Под воздействием солнечной радиации и, прежде всего ультрафиолетовой ее части, происходят фотохимические преобразования выхлопных газов. Катализатором этих реакций является озон О 3 . Фотохимические преобразования угарного газа СО, соединений азота NO х, азотной кислоты НNО 3 приводят к образованию органических перекисей (фотооксидантов), по своей токсичности превосходящих исходные загрязнители. Фотохимический смог имеет белый цвет. В стабильных синоптических условиях дымовая шапка такого смога может сохраняться над городом до 270 дней.

Смог уменьшает количество солнечной радиации в городах на 30-40%, почти полностью препятствует проникновению ультрафиолетовой радиации. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждения растений, зданий.

Осадки. Формы осадков.

При определённых условиях из облаков выпадают осадки, то есть капельки или кристаллы настолько крупных размеров, что они уже не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее известными и важными осадками являются дождь и снег. Однако име­ется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.

Как дождь, так и снег выпадают в основном из облаков восходящего скольжения и облаков конвекции. В зависимости от типа облачности характер выпадения осадков будет разный.

Из облаков восходящего скольжения (слоисто-дождевых, иногда с участием высоко-слоистых) выпадают обложные осадки - длительные осадки средней интенсивности . Они выпадают на больших площадях, сравнительно равномерно и достаточно продолжительно (часами и десятками часов). В умеренных широтах наибольший процент в общем количестве осадков приходится на обложные осадки.

Из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией, выпадают ливневые осадки, интенсивные и мало продолжительные. Из слоистых, слоисто-кучевых облаков, типичных для тёплых устойчивых воздушных масс (волнистые облака) могут выпадать моросящие осадки, состоящие из очень мелких капелек или снежных зёрен.

По форме различают следующие виды осадков: дождь, морось, снег, крупа, снежные зёрна, ледяные иглы, ледяной дождь, град.

Дождь состоит из капель диаметром 5 мм-0,5 мм. При более значительных размерах капель они при падении разбиваются на части. В ливневых дождях капли значительно крупнее, чем в обложных, особенно в начале дождя.

Морось состоит из капель диаметром порядка 0.5-0.05 мм с очень малой скоростью падения, они легко переносятся ветром в горизонтальном направлении.

Снег состоит из сложных ледяных кристаллов (снежинок). Основная их форма - шестилучевая звезда. Размеры различны, - чаще всего порядка нескольких миллиметров. Снежинки при выпадении часто слипаются в хлопья. При температурах, близких к нулю, выпадает мокрый снег или снег с дождём. Для него характерны крупные хлопья.

Снежная и ледяная крупа выпадает из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков. Она имеет вид округлых ядрышек диаметром 1 мм и больше. Крупа чаще всего наблюдается при температурах, близких к нулю.

Снежные зёрна выпадают из слоистых облаков зимой вместо мороси. Они имеют диаметр менее 1 мм и напоминают манную крупу.

Из облаков нижнего и среднего яруса при низких температурах выпадают ледяные иглы (кристаллы в виде шестиугольных призмочек) и ледяной дождь (прозрачные ледяные шарики от 1 до 3 мм в диаметре). При значительных морозах ледяные иглы возникают у самой поверхности Земли и хорошо видны, когда, отражая солнечные лучи, сверкают своими гранями; ледяной дождь свидетельствует о наличии инверсии температуры.

Летом, в достаточно жаркую погоду, иногда выпадает град - крупные кусочки льда неправильной формы размером от горошины до 5-8 см в диаметре. Вес градин в отдельных случаях достигает 300 г. Для образования градин необходима большая водность облаков, поэтому град выпадает в теплое время года при высоких температурах у земной поверхности. Наиболее часты выпадения града в умеренных широтах, а наиболее интенсивны - в тропиках. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах, как правило, вместе с ливнем.

Осадки любых видов выпадают из облаков только в том случае, когда хотя бы часть элементов, составляющих облако, по каким-то причинам укрупняется. Тогда облачные элементы становятся настолько тяжелыми, что преодолевают сопротивление воздуха и выпадают в виде осадков. Укрупнение может происходить по следующим причинам: в результате слияния отдельных капель, в результате сублимации кристаллов, т.е. перегонки водяного пара с капелек на кристаллы. Последний способ дает обильные осадки.

Измерение количества осадков осуществляется дождемерами и самопищущими приборами - плювиографами.

Количество осадков, выпавшее в каком-либо месте за определенный период времени, измеряется в мм слоя выпавшего осадка. Твердые осадки выражают слой воды, который они бы образовали, растаяв.

Для характеристики климата используют многолетние средние значения количества (суммы) осадков по месяцам и за год. Кроме того, важным бывает знать среднее число дней с осадками за месяц, год и ряд других характеристик.

Годовой ход температуры воздуха определяется прежде всего годовым ходом температуры деятельной поверхности. Амплитуда годового хода представляет собой разность среднемесячных температур самого теплого и самого холодного месяцев. На амплитуду годового хода температуры воздуха влияют:

Широта места. Наименьшая амплитуда наблюдается в экваториальной зоне. С увеличением широты места амплитуда увеличивается, достигая наибольших значений в полярных широтах

Высота места над уровнем моря. С увеличением высоты над уровнем моря амплитуда уменьшается.

Погодные условия. Туман, дождь и, главным образом, облачность. Отсутствие облачности зимой приводит к понижению средней температуры самого холодного месяца, а летом – к повышению средней температуры самого теплого месяца.

Заморозки

Заморозками называют понижение температуры до 0 °С и ниже при положительных среднесуточных температурах.

При заморозках температура воздуха на высоте 2 м иногда может оставаться положительной, а в самом нижнем слое воздуха, прилегающем к земле, понижаться до 0 °С и ниже.

По условиям образования заморозки делят на:

радиационные;

адвективные;

адвективно-радиационные.

Радиационные заморозки возникают в результате радиационного охлаждения почвы и прилегающих слоев атмосферы. Возникновению таких заморозков благоприятствуют безоблачная погода и слабый ветер. Облачность уменьшает эффективное излучение и тем самым снижает вероятность заморозка. Ветер также препятствует возникновению заморозка, т.к. он усиливает турбулентное перемешивание и в результате этого увеличивается приток тепла от воздуха к почве. На радиационные заморозки влияют тепловые свойства почвы. Чем меньше ее теплоемкость и коэффициент теплопроводности, тем сильнее заморозки.

Адвективные заморозки . Образуются в результате адвекции воздуха, имеющего температуру ниже 0 °С. При вторжении холодного воздуха почва от соприкосновения с ним охлаждается, и поэтому температура воздуха и почвы мало различаются. Адвективные заморозки охватывают большие площади и мало зависят от местных условий.

Адвективно-радиационные заморозки. Связаны с вторжением холодного сухого воздуха, иногда даже имеющего положительную температуру. Ночью, особенно при ясной или малооблачной погоде, происходит дополнительное охлаждение этого воздуха за счет излучения, и возникают заморозки, как на поверхности, так и в воздухе.

Тепловой баланс деятельной поверхности и атмосферы Тепловой баланс деятельной поверхности

Днем деятельная поверхность поглощает некоторую часть приходящей к ней суммарной радиации и встречного излучения атмосферы, но теряет энергию в виде собственного длинноволнового излучения. Тепло, получаемое деятельной поверхностью, частично передается внутрь почвы или водоема, а частично – в атмосферу. Кроме того, часть полученного тепла расходуется на испарение воды с деятельной поверхности. Ночью суммарная радиация отсутствует и деятельная поверхность обычно теряет тепло в виде эффективного излучения. В это время суток тепло из глубины почвы или водоема поступает вверх к деятельной поверхности, а тепло из атмосферы передается вниз, то есть тоже поступает к деятельной поверхности. В результате конденсации водного пара из воздуха на деятельной поверхности выделяется теплота конденсации.

Общий приход-затрата энергии на деятельной поверхности называется ее тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса:

В = Р + L + CW,

где В – радиационный баланс;

Р – поток тепла между деятельной поверхностью и ниже лежащими слоями;

L - турбулентный поток тепла в приземном слое атмосферы;

C·W – тепло, затрачиваемое на испарение воды или выделяется при конденсации водного пара на деятельной поверхности;

C – теплота испарения;

W – количество воды, которая испарилась из единицы поверхности за интервал времени, для которого составлен тепловой баланс.