|
|
|
|
|
|
||
Совокупность и последовательная смена всех возможных в данной местности условий погоды за многолетний промежуток времени называется климатом.* Различают климат материка, какой-то части его, зоны, района, города. Погода и климат воздействуют на органическую жизнь, существенно влияют на деятельность людей.
Наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах называется метеорологией* .Она решает важные научные и практические задачи. Метеорологи, всесторонне изучая строение и свойства атмосферы, происходящие в ней физические явления и процессы, разрабатывают и совершенствуют методы прогноза (предсказания) погоды. Они ищут способы борьбы с неблагоприятными атмосферными явлениями, разрабатывают методы изменения погоды и климата в необходимом для человека направлении. Это уменьшает зависимость людей от погоды и климата.Исследуя атмосферу, метеорологи исходят из общих законов физики. При этом особо учитываются географические условия, в которых протекают атмосферные процессы. Но в отличие от физики, для которой основным методом исследования служит эксперимент, т.е. искусственное воспроизведение явлений в лабораториях, метеорология раскрывает закономерности атмосферных процессов на основе данных наблюдений в естественных условиях. И хотя в последнее время и здесь все большее значение приобретает эксперимент, а также компьютерное моделирование, ведущая роль в науке об атмосфере по-прежнему принадлежит натурным наблюдениям.
Давно замечено, что климат любой части земного шара зависит прежде всего от географической широты. Эту же зависимость имеют растительность и многие другие элементы природы, находящиеся с климатом во взаимосвязи. Еще в конце XVIII века ученик М.В. Ломоносова* и один из первых русских академиков И.И.Лепехин наметил общую схему размещения по земной поверхности растительности и животного мира в зависимости от тепловых поясов. А в начале XIX века знаменитый немецкий естествоиспытатель и путешественник А.Гумбольд* установил зональность и высотную поясность растительности в связи с изменением количества приходящего на Землю тепла.
Основными причинами зональности природы Земли являются ее шарообразность, суточное вращение Земли вокруг своей оси и годовое движение Земли вокруг Солнца. Количество поступающей солнечной энергии закономерно убывает от экватора к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей и длины их пути через атмосферу. В этом же направлении изменяется и атмосферное тепло. Именно поэтому в природе земной поверхности ярко проявляется так называемая географическая зональность.
В настоящее время на основании статистических данных о температуре и количестве поступающей солнечной энергии на поверхности Земли выделяют 13 радиационно-тепловых поясов (рис. 31). К их числу относятся: арктический и субарктический, северные умеренный, тропический и субтропический, экваториальный и субэкваториальный, южные экваториальный и субэкваториальный, тропический и субтропический, умеренный, антарктический и субантарктический. Границы и расположение этих поясов зависят главным образом от географической широты. Все они очень хорошо просматриваются как на суше, так и в океане.Поверхность Земли обладает различной отражающей способностью падающих на нее солнечных лучей (величиной альбедо). По этой причине различные части поверхности по-разному поглощают тепло и нагреваются. Больше всего солнечных лучей (от 80 до 97%) поглощает открытая водная поверхность океана, отражая в атмосферу всего от 20 до 3% падающей на нее радиации. Вода поглощает наибольшее количество поступающего от солнца тепла и очень медленно его отдает в мировое пространство. Между тем водная поверхность занимает около 3/4 всей поверхности Земли. Поэтому Мировой океан и является накопителем и главным источником тепла на Земле.
Однообразием физических свойств водной поверхности объясняется равномерность и малая величина колебаний температуры над океанами.Поверхность суши, разнообразная по своим свойствам, поглощает различное количество солнечной энергии. Травы и листья деревьев в среднем поглощают от 70 до 80%, а свежевыпавший чистый снег всего от 2-5 до 10% всей поступающей энергии, все же остальное ее количество отражается в атмосферу и в мировое пространство. Много солнечных лучей отражают также и морские льды, покрытые снегом.
Пока точно не доказано, но вполне возможно, что очень низкие температуры и малые запасы тепла в приполярных районах Арктики и Антарктики, покрытых круглый год льдами и снегом, зависят не столько от меньшего количества поступающего тепла, сколько от сильного отражения лучей поверхностью Земли в этих районах. За это говорит и то, что в приполярных широтах в течение летних месяцев в результате круглосуточного освещения и большой прозрачности воздуха годовое количество приходящей солнечной энергии лишь немного уступает умеренным широтам, а наибольшие величины прямой радиации, по наблюдениям в антарктической станции "Мирный", даже превышают величины прямой радиации Тбилиси и Ташкента. Тем не менее приполярные районы оказывают сильное охлаждающее влияние на климат всего земного шара.Неравномерное нагревание земной поверхности приводит в движение воздушные и водные массы, стремящиеся выровнять температуру. Взаимосвязанные воздушные и морские течения переносят с места на место огромное количество тепла. Особенно большую роль в переносе тепла играют теплые и холодные морские течения, так как вода поглощает и накапливает тепла значительно больше, чем воздух. Поэтому более сильные отклонения от средних температур наблюдаются на морских побережьях. Так, например, на нашем Мурманском побережье, омываемом продолжением Гольфстрима - теплым Атлантическим течением, приходящим из тропических широт, несмотря на его северное положение (около 70o с.ш.), имеются незамерзающие круглый год гавани. Более подвижные воздушные течения вследствие малой теплоемкости воздуха переносят тепло на большие расстояния, но в меньшем количестве.
Общий облик природы любого участка поверхности суши, характер его почв, растительности, животного населения и прочее зависит не только от количества поступающего тепла, но и влаги: осадков, влажности воздуха, подтока поверхностных и грунтовых вод. Этим природа суши отличается от природы водоемов, где количество влаги постоянно и характер ее определяется другими условиями (температурой и прозрачностью воды, ее составом, соленостью и пр.).Основной источник атмосферных осадков на суше - Мировой океан с его морями, в котором содержится 98% всех вод земного шара. Испаряясь с поверхности океана, водяные пары воздушными течениями переносятся на материки, где выпадают в виде дождя и снега. Замыкая постоянный круговорот, вода возвращается в океан в виде рек, ручьев и подземных вод. Единовременно в воздухе содержится воды в 11 раз больше, чем в реках (около 13 тыс. км3). Количество осадков, выпадающих в разных районах суши, зависит от направления воздушных течений, от расстояния до источника увлажнения - океана, от рельефа земной поверхности и ряда других условий. Осадки выпадают преимущественно при движении воздуха из более нагретых в охлажденные участки, при подъеме теплого и влажного воздуха в более холодные слои атмосферы в циклонах и на подветренных склонах гор, при ветрах с моря.
Поэтому годовое количество атмосферных осадков распределяется значительно более сложно, чем солнечное тепло. Отсюда и природные ландшафты суши разнообразнее и картина их распределения сложнее широтных тепловых поясов. Можно, таким образом, сказать, что в пределах радиационно-тепловых поясов неодинаковое увлажнение ведет к формированию различных географических зон на земном шаре.Однако не только количеством тепла и влаги определяются особенности природы отдельных участков земной поверхности, но и соотношением тепла и влаги. В каждом поясе, в соответствии с запасами тепла, может испариться определенное количество влаги. В тундровой зоне, где господствуют низкие температуры и испарение влаги невелико, даже небольшое количество выпадающих осадков не может полностью испариться и вода накапливается на поверхности, вызывая заболачивание местности. В жарких поясах выпадающие даже в большом количестве осадки испаряются полностью, а во многих местах этих поясов испаряются также запасы и грунтовых вод.
Таким образом, природные условия на суше лишь в общих чертах изменяются с географической широтой и большая часть географических зон в отличие от радиационно-тепловых поясов не образует сплошных полос, опоясывающих весь земной шар. Они прерываются водными пространствами и отчетливо прослеживаются только на равнинах. В горах с высотой температура понижается, а количество осадков обычно увеличивается, обусловливая смену природных условий, т.е. так называемые вертикальные природные пояса.Широтная географическая зональность наиболее четко выражена в тех частях материковых равнин, где количество выпадающих осадков постепенно изменяется вместе с поступлением тепла с севера на юг. Так, например, в арктическом и субарктическом поясах количество осадков и тепла постепенно уменьшается от умеренного пояса к полюсу. Поэтому границы арктических пустынь, тундр, лесотундры и северной тайги вытянуты здесь с запада на восток на всех материках. В умеренном же поясе, где господствующие западные воздушные течения приносят с океана на материк осадки и тепло, количество их убывает с запада на восток, широтная географическая зональность нарушается. На одних и тех же широтах, в зависимости от удаленности равнин материка от океана, служащего источником влаги и тепла, встречаются и влажные широколиственные леса, и степи, и пустыни. В тех же местах, где воздушные течения направлены с материка на океан (например, пассаты в северо-западной части Африки и в Южной Америке), тропические пустыни подходят вплотную к океаническому берегу.
Большое влияние на зональность оказывают и горные цепи, стоящие на пути воздушных течений. При переходе через горные хребты содержащиеся в воздухе осадки выпадают на подветренных склонах гор, а на другой склон хребта приходит сухой воздух. Вследствие этого Гималайские горы служат границей между влажными тропическими лесами Индии и пустынями Тибета и Центральной Азии, а Анды отделяют пустыню Южной Америки Атакаму от тропических лесов Аргентины и Боливии. В Северной Америке (между 50 и 40o с.ш.) Кордильеры преграждают путь воздушным течениям, несущим влагу с Тихого океана, поэтому к востоку от гор простираются пустыни и степи, постепенно сменяющиеся широколиственными, а далее хвойными лесами. Границы между этими зонами из широтных превращаются в меридиональные.Таким образом, зональность, обусловленная космическими факторами, - одна из наиболее общих закономерностей в характере современной природы нашей планеты. В то же время конкретные проявления зональности на поверхности Земли зависят от земных причин, определяющих прежде всего соотношение тепла и влаги, свойственное той или другой части земной поверхности. Изучение взаимодействия космических и земных явлений на общий облик современной природы имеет большое научное и практическое значение.
Задачу всестороннего изучения свойств атмосферы с целью прогноза погоды и искусственного воздействия на атмосферные процессы метеорологи решают, главным образом анализируя результаты наблюдений над так называемыми метеорологическими элементами и характером из изменений в пространстве и во времени. К метеорологическим элементам относятся: солнечная радиация, температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, видимость, метель, туманы и т.д.Лучистая энергия Солнца - это основной источник движения воздуха. Распределяется она на земном шаре неравномерно. В этом причина возникновения ветра. В экваториальную и тропическую зоны Земли солнечной радиации поступает больше, чем в умеренные и особенно в высокие широты, поэтому воздух в низких широтах нагревается больше, чем в умеренной зоне и полярных областях. Между теплыми и холодными массами воздуха возникает разность температуры и атмосферного давления. Это и порождает ветер. Например так называемый бриз возникает из-за разности температур воздуха над морем и сушей. Днем воздух над сушей нагревается сильнее, чем над морем. Нагретый воздух поднимается, и на его место приходит воздух с моря. Ночью происходит обратное явление: суша охлаждается больше, а море остается теплым. Тогда воздух над морем поднимается, а на его место приходит воздух с суши.
Приблизительно так же возникают и более мощные ветры. Они дуют из области высокого давления в область низкого давления. Однако за исключением узкой зоны у экватора на направление и силу ветра влияют и другие причины, в частности, влияние вращения Земли на любое движение относительно ее. Это влияние учитывается при расчетах с помощью так называемой силы Кориолиса. Вследствие него ветер выше слоя трения, т.е. на высоте около 1 км, дует не вдоль направления в сторону области низкого давления, а отклоняется от него на 90o. В приземном же слое атмосферы существенное влияние на ветер оказывает трение воздуха о поверхность Земли. Оно уменьшает скорость ветра и отклоняет его от линий, соединяющих области с одинаковым атмосферным давлением.При сближении теплого и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. При отдалении различно нагретого воздуха перепады уменьшаются, и ветры ослабевают. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными или фронтальными. Такие неспокойные зоны возникают и разрушаются в воздушном океане над умеренными и полярными областями обоих полушарий ежедневно. Ширина фронтальных зон невелика и обычно составляет одну-две тысячи километров.
На этих фронтах из-за разности температур и давлений концентрируются большие запасы кинетической энергии и возникают обширные вихри - циклоны и антициклоны.* Развиваясь, они охватывая всю тропосферу* и нижние слои стратосферы* и достигают десятков километров в высоту и двух-трех тысяч километров в диаметре, Например, они могут охватить всю европейскую часть России от Мурманска до Кавказа. И не удивительно, что в таких грандиозных вихрях теплые массы воздуха из экваториальной зоны и тропиков переносятся в умеренные и высокие широты, а холодные - в тропики и экваториальную зону. Вследствие этого температура в высоких широтах повышается, а в низких понижается.Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами - ясная и малооблачная. В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, а в антициклоне - нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается.
Во внетропических широтах подобные атмосферные вихри наблюдаются повсюду, но частота их возникновения в разных районах, различна. Так, в Северном полушарии зимой циклоны чаще всего образуются на севере Атлантики и Тихого океана, а антициклоны - на материках Азии и Северной Америки. Летом циклоны, хотя и менее интенсивные часто возникают и на материках, антициклоны интенсивны над океанами. В Южном полушарии между зимой (июнь-август) и летом (декабрь-февраль) различие в возникновении циклонов и антициклонов небольшое. Циклоны чаще наблюдаются вокруг Антарктиды, а антициклоны - в северной части умеренной зоны и в субтропиках, причем их центры располагаются над океанами.От атмосферного давления зависят и преобладающие ветры: пассаты и муссоны. Для низких широт характерны ветры, постоянно направленные из областей высокого давления в строну экваториальной зоны. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном - юго-восточное. Эти ветры называются пассатами.
В отличие от пассатов муссоны 3.169 - сезонные ветры. Они возникают из-за разности температур воздуха над материками и океанами. Зимой эти ветры дуют от холодных материков к теплым океанам, а летом - со сравнительно холодных океанов на нагретые материки. Муссоны типичны для низких широт, особенно на юге и юго-востоке Азии. Появляются они и в умеренной зоне, в частности на Дальнем Востоке.Примерно с середины прошлого столетия климат стал заметно меняться. Глобальное потепление охватило большую часть Земли и особенно ярко проявилось в северном полушарии. Оно происходило неравномерно: то ослаблялось, то усиливалось. Наибольшее потепление отмечено в конце 1930-х - начале 1940-х годов. Потом наступил временный спад, но тенденция к потеплению сохраняется и поныне. Специалисты считают, что за столетие температура в Северном полушарии повысилась примерно на 0,5o.
Причина глобального потепления планеты, по широко утвердившемуся сейчас мнению, связана главным образом с тем, что растет содержание углекислого газа в атмосфере* - результат увеличивающейся хозяйственной деятельности человека. Глобальное потепление - это только тенденция, но иногда бывают холодные и даже очень холодные зимы.В наших умеренных широтах основной климатообразующий фактор - это особенности циркуляции атмосферы*. Исследования и наблюдения, позволяют утверждать, что на европейской части России наибольшее похолодание в зимнем сезоне (декабрь-февраль) бывают вызваны антициклонами, приходящими с северо-запада, севера и северо-востока. Они приносят морской или континентальный арктический воздух. Температура воздуха все то время, пока развивается антициклон, а это обычно 5-7 суток, бывает понижена в среднем на 4-5o при северных вхождениях антициклона и на 2-3o при северо-западных и северо-восточных вхождениях. В отдельных случаях происходит похолодание на 10-20o по сравнению с нормой.
Вторжение циклона зимой обычно вызывает потепление. Теплый воздух на европейскую территорию России выносится либо с юга, со стороны Черного моря, либо с юго-запада, со Средиземного моря, либо с запада - с Атлантического океана. Температура воздуха при этом, как правило, повышается на 2-4o по сравнению с нормой для данной местности. В отдельных случаях она повышается на 10-12o.Общее число теплых зимних сезонов свидетельствует о том, что процесс глобального потепления, по крайней мере в зимнем сезоне на европейской территории России продолжается. Тенденция к преобладанию числа теплых зимних сезонов над числом холодных сезонов сохраняется и для всей территории России.
Различают три типа погоды: безморозную, с переходом температуры воздуха через ноль градусов и морозную. Каждый из этих типов делится на классы: первый на 8, второй - на 2, третий - 6 классов. Таким образом, всего выделяют 16 классов погоды (рис. 32).Одной из основных задач метеорологии является прогнозирование погоды.* Оно складывается их трех этапов: наблюдения за погодой и сбор информации, обработка результатов наблюдений, составление прогноза.
Метеорологические наблюдения проводятся на поверхности Земли, в непосредственной близости к ней и на некоторой, иногда довольно значительной высоте. В первых двух случаях они называются наземными, а в третьем - аэрологическими.Наземные наблюдения осуществляются главным образом метеорологическими станциями, расположенными во многих пунктах земного шара и, в частности, нашей страны. Высоко в горах, в таежных дебрях, среди полей и зыбучих песков, на берегах рек, озер, морей и водохранилищ метеорологи ведут наблюдения за многочисленными сложными и порой грозными явлениями природы. Эти наблюдения не прекращаются ни днем, ни ночью, ни в летний зной, ни в зимнюю стужу. Даже на дрейфующих льдах Арктики и среди вечных снегов Антарктиды несут непрерывную вахту разведчики погоды. В свой работе они пользуются не только термометрами, барометрами, анемометрами, различными самописцами, но и радиолокаторами, самолетами, морскими кораблями. В труднодоступных, а теперь все и в обжитых районах используются радиометеорологические станции, которые фиксируют значения метеорологических элементов без участия человека и в определенные часы передают их по радио в центр автоматически. Наблюдения на метеорологических станциях России проводятся одновременно восемь раз в сутки каждые три часа. Результаты наблюдений оперативно передаются в метеорологические центры. Для изучения высоких слоев атмосферы, т. е. для проведения аэрологических наблюдений, применяются радиозонды, метеорологические ракеты и космические летательные аппараты. В частности, радиозонды поднимаются в атмосферу на набольших резиновых или полиэтиленовых воздушных шарах. Радиозонды снабжаются необходимыми метеорологическими приборами и радиопередатчиками. Принимая сигналы радиозонда, метеорологи определяют давление, температуру и влажность воздуха на различных высотах. Очень часто за полетом радиозонда ведется слежение с помощью радиолокатора. Это позволяет измерять направление и скорость ветра.
При помощи радиозондов изучают атмосферу* до высот 35-40 км. Более высокие слои, до 80-100 км, исследуют с помощью ракет. В их головных частях помещаются метеорологические приборы. На заданной высоте головная часть ракеты отделяется от ее корпуса и спускается на парашюте. Показания приборов передаются на наземные приемные пункты по радиосвязи.Самые верхние слои атмосферы и космическое пространство изучаются с помощью искусственных спутников Земли. Для получения более полной информации о метеорологических условиях на всей планете сразу создаются системы из нескольких метеорологических спутников, работающих синхронно.
Метеорологические спутники позволяют решать, в частности, следующие задачи:Даже один спутник, выведенный на полярную орбиту, совершая один оборот вокруг земного шара за 1,5 часа, в сравнительно короткий срок может обеспечить информацию о метеорологической обстановке на всей поверхности земного шара (рис. 33). Система подобных спутников дает возможность получать величины интересующих метеорологов элементов практически одновременно.
Радикальное увеличение объема метеорологической информации - существенное, но не главное преимущество использования спутников в метеорологии. Еще значительнее является перспектива более глубокого понимания закономерностей погодообразующих процессов и значительного улучшения на этой основе качества прогнозов погоды, а также решения проблемы активного воздействия на погоду и климат.Вся информация с наземных и аэрологических станций, кораблей и самолетов, ракет и искусственных спутников Земли передается в Российский гидрометеорологический центр и его филиалы, а там обрабатывается с помощью компьютеров и используется в научных и прикладных целях. Из всей информации, поступающей в центр, для составления прогноза погоды используются характеристики давления, температуры, влажности, ветра, облачности и их изменения за определенный промежуток времени для различных районов Земного шара.
На третьем этапе выполняется собственно прогноз погоды. Последний представляет собой научно обоснованные предположения о будущем состоянии погоды. Различают прогнозы погоды краткосрочные (на одни-двое суток) и долгосрочные (на пять суток и более, вплоть до сезона). Различают также прогнозы погоды общего пользования и специальные. Последние выполняются в интересах отдельных отраслей, например, сельского хозяйства, авиации и т.п.