Атмосфера: состав, давление, ветер и погода

Атмосфера делится на несколько слоёв, отличающихся по плотности и температуре^[2].

Современная атмосфера Земли в основном представлена газами и различными примесями (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Состав основных газов остаётся почти постоянным, за исключением воды и углекислого газа.

Общий состав атмосферы Земли включает: 78,084 % азота, 20,9476 % кислорода, около 1 % водяного пара (среднее значение варьируется в зависимости от широты), 0,934 % аргона, 0,038 % диоксида углерода и следовые количества водорода, гелия, других благородных газов и загрязнителей.

Доля углекислого газа в сухом воздухе составляет 0,03—0,04 %. Её определяют вулканическая активность, химические процессы в земных оболочках, интенсивность биосинтеза и разложения органики в биосфере Земли, а также растворимость CO₂ в океанских водах, зависящая от температуры и кислотности.

Атмосферное давление — сила, с которой атмосфера давит на предметы и поверхность Земли, выражаемая как отношение модуля силы, действующей перпендикулярно, к единице площади.

Измеряется барометром. В 1643 году Эванджелиста Торричелли в эксперименте показал, что воздух имеет вес. Совместно с Винченцо Вивиани он создал первый ртутный барометр и провёл первые измерения атмосферного давления.

В Международной системе единиц (СИ) единицей давления является паскаль (Pa). Один паскаль равен давлению, создаваемому силой в один ньютон, равномерно распределённой по площади в один квадратный метр: 1 Па = 1 Н/м².

Давление столба ртути высотой 760 мм при 0 °C, равное 101 325 Па, называется нормальным атмосферным давлением.

Солнечная радиация — совокупность электромагнитного и корпускулярного излучения от Солнца. Интенсивность оценивается мощностью передаваемой энергии на единицу площади (Вт/м²).

Спектр излучения Солнца простирается от радиоволн (солнечные радиовсплески) до рентгеновских лучей, причём максимальная интенсивность приходится на видимую (жёлто-зелёную) область спектра.

Дневная сторона Земли получает солнечную радиацию, особенно в полярных зонах во время полярного дня, когда Солнце не опускается за горизонт. В полярную ночь эта же область остаётся без солнца.

Продолжительность светового дня изменяется от экватора к полюсам и определяет объём поступающей радиации. Цвет поверхности влияет на отражательную способность: более светлые участки возвращают больше солнечных лучей.

Альбедо — показатель диффузного отражения поверхности. Чем светлее поверхность, тем выше её альбедо; так, снег отражает до 90 % радиации.

Облачность не полностью блокирует солнечную радиацию: тепловая часть спектра проходит сквозь облака, достигая поверхности Земли при любой погоде в дневное время. На землю приходят прямые лучи от диска Солнца и рассеянная радиация со всего небосвода.

Суммарная солнечная радиация — сумма прямой и рассеянной составляющих.

Солнечная радиация является основным источником энергии для процессов на поверхности Земли и в атмосфере. После её поглощения поверхность излучает тепло — отражённое и поглощённое излучение, что приводит к нагреву воздуха, почвы и воды.

Радиационный баланс — разность между поступающей коротковолновой и исходящей длинноволновой радиацией Земли — атмосферы. В целом для Земли он положителен (за исключением Гренландия и Антарктида). Баланс — ключевой фактор микроклимата посевов и условий фотосинтеза.

Большая часть тепла в атмосфере переносится конвекцией: тёплые приповерхностные массы воздуха поднимаются, уступая место более холодным.

Температура воздуха — один из термодинамических параметров атмосферы, измеряемый термометром.

Во многих странах температура выражается в градусах международной температурной шкалы или шкалы Цельсия (°C). В течение суток максимальная температура обычно наблюдается в 14-15 часов, а минимальная — перед восходом Солнца.

Среднесуточная температура определяется как среднее арифметическое четырёх суточных измерений (1:00, 7:00, 13:00, 19:00). Среднегодовая температура — среднее арифметическое средних месячных значений за год. На эти показатели влияют тепловой перенос, свойства подстилающей поверхности и географическая широта.

Амплитуда температуры — разница между максимальными и минимальными температурами за заданный период: годовая — за год, суточная — за сутки. Суточная амплитуда служит индикатором континентальности климата: в морских районах она меньше, чем в пустынях.

Термический экватор — широтная полоса с наибольшими многолетними средними температурами (26—27 °C). В январе он находится близ географического экватора, в июле смещается к 20—25° северной широты. Среднегодовое положение экватора тепла сдвинуто примерно на 10° к северу из-за обширных материков в тропиках Северного полушария, прогревающихся сильнее океанов.

Изотерма — изолиния одинаковых температур. Они применяются для наглядного отображения температурных условий на поверхности Земли. Изотермы среднегодовых температур позволяют оценить климат различных регионов. В некоторых случаях вместо изотерм используют зоны, ограниченные линиями равной температуры.

Рекордные значения температуры: минимальная — −89,2 °C в Антарктиде, максимальная — +58,1 °C в африканском Триполи.

Абсолютная влажность воздуха — масса воды в одном кубическом метре воздуха. Параметр применяют при сравнении увлажнённости при разных температурах или в широком диапазоне температур. Измеряется в г/м³.

Гигрометр — измерительный прибор для определения влажности воздуха и свойств других газов.

Поскольку при заданной температуре воздух способен удержать ограниченное количество влаги (при повышении температуры максимальное содержание влаги растёт, при понижении — убывает), введено понятие относительной влажности — отношение текущей массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре, выражаемое в процентах.

Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. В экваториальной зоне относительная влажность достигает 90 %, а в пустынях бывает особенно низкой.

Туман — атмосферное явление, при котором в воздухе образуется скопление мельчайших капелек воды.

Облачность — совокупность облаков, видимых в определённом месте в заданный момент или период времени. Она является важным фактором, влияющим на погоду и климат, снижая как ночное охлаждение поверхности Земли своим тепловым излучением, так и её дневной нагрев солнечным излучением, что уменьшает сезонные и суточные колебания температуры.

Облака — взвешенные в атмосфере частицы сконденсировавшегося водяного пара, видимые невооружённым глазом с поверхности Земли и из околоземного космоса. Они различаются по форме:

• Слоистые облака — бледные низкие облака, часто при пасмурной погоде, обладающие большим весом и низким залеганием.
• Перистые облака — лёгкие и тонкие, формирующиеся на высотах 8—18 км.

Атмосферные осадки — атмосферные явления выпадения воды в жидком или твёрдом состоянии из облаков или осаждения из воздуха на поверхность Земли и предметы. Осадки измеряются толщиной водного слоя в миллиметрах с помощью дождемера. В среднем на Земле выпадает около 1000 мм осадков в год, в пустынях — менее 250 мм, а на полюсах — менее 200 мм.

Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой её теплового излучения, наблюдаемой из космоса. Его интенсивность при оптической толщине атмосферы <1 определяется оптической плотностью парниковых газов, облачным покровом и парциальным давлением у поверхности. Значение эффекта изменяется вместе с содержанием парниковых газов и эволюцией состава атмосферы.

При постоянстве солнечной постоянной среднегодовые приповерхностные температуры и климат формируются балансом между поступающей коротковолновой и исходящей длинноволновой радиацией Земли — атмосферы. Доля поглощённой коротковолновой радиации определяется общим альбедо поверхности и атмосферы, а уходящий в космос поток длинноволновой радиации контролируется парниковым эффектом, зависящим от состава и температуры атмосферы и облачного покрова.

Основные парниковые газы по вкладу в тепловой баланс Земли — водяной пар, углекислый газ, метан и озон. Наибольший вклад вносит водяной пар (влажность воздуха тропосферы), тогда как прочие газы благодаря малым концентрациям оказывают менее значимое влияние. Существенно влияет и облачный покров.

При снижении приповерхностной температуры концентрация водяного пара уменьшается, ослабляя парниковый эффект, а образование снежно-ледяного покрова в приполярных районах повышает альбедо, что дополнительно способствует дальнейшему охлаждению. Так климат Земли может перебираться между фазами потепления и похолодания в зависимости от изменений альбедо и парникового эффекта.

Интенсификация человеческой хозяйственной деятельности — эмиссия продуктов сжигания нефти и угля, а также автомобильных выбросов — увеличивает содержание углекислого газа и усиливает парниковый эффект, что создаёт угрозу глобального изменения климата.

Глобальное потепление — долгосрочный рост средней температуры климатической системы Земли, главным образом вызванный человеческой деятельностью. Последствиями повышения глобальной температуры являются подъём уровня моря, изменение количества и характера осадков, расширение пустынь, учащение экстремальных погодных явлений (волны жары, засухи, ливни), окисление океана, вымирание видов из-за изменения температурного режима. Опасность представляет падение продовольственной безопасности (особенно в Азии и Африке) и утрата мест обитания из-за повышения уровня моря.

В общем температура воздуха уменьшается с высотой, но в некоторых слоях образуются температурные инверсии — участки, где температура растёт с высотой. Годовое количество осадков изменяется от экватора к полюсам: наименьшее — на полюсах, наибольшее — в экваториальных широтах.

С удалением от океанов количество осадков сокращается из‑за уменьшения испарений, а на подветренных склонах осадки меньше, чем на наветренных, из‑за орографического эффекта гор.

Максимальные годовые осадки выпадают в Индонезии, бассейне Амазонки и у побережья Гвинейского залива. Самым дождливым местом на Земле считается Черапунджи.

Осадки также возрастают в прибрежных районах тёплых течений и уменьшаются около холодных.

Циркуляция атмосферы — совокупность воздушных потоков над земной поверхностью.

Ветер — движение воздуха вдоль поверхности Земли в атмосфере. Энергия ветра возникает за счёт неравномерного нагрева планеты Солнцем, что создаёт градиенты температуры и давления, вызывающие движение воздуха.

Направление ветра определяется тем, откуда он дует, и определяется с помощью ветроуказателя: северный ветер дует с севера на юг.

В направлениях ветра используют обозначения сторон света, выполняемые латинскими буквами: N — север, S — юг, W — запад, E — восток; промежуточные направления записываются двумя буквами, первая из которых — основное направление: NE (северо-восток), NW (северо-запад), SE (юго-восток), SW (юго-запад).

Пассаты — преобладающие ветры в тропических регионах: в Северном полушарии дуют с северо-востока, в Южном — с юго-востока.

Западные ветры умеренного пояса — преобладающие ветры между 35° и 65° широты, дующие преимущественно с запада на восток: в Северном — с юго-запада, в Южном — с северо-запада. На границах зон с высоким градиентом скорости эти ветры могут генерировать внетропические циклоны.

В Северном полушарии обычно дуют северо-восточные ветры, а в Южном — юго-восточные, что объясняется движением потоков от полюсов к умеренным широтам и отклонением по закону Кориолиса.

Муссоны — ветры, идущие из тропиков к экватору; летом они дуют с океана, зимой — с материка. Характерны для тропиков и некоторых прибрежных зон умеренного пояса (например, Дальний Восток). Муссонный климат отличается повышенной влажностью летом и сухостью зимой.

Бриз — местный ветер с суточным ритмом, наблюдаемый на побережьях морей и крупных озёр. Днём (морской бриз) воздух поступает с моря на нагретый солнцем берег, ночью (береговой бриз) направление меняется на обратное.

Циклоническая деятельность — перемещения воздушных масс, связанные с образованием циклонов и антициклонов.

Циклон — крупная (сотни — тысячи километров в диаметре) вихревая воздушная масса с пониженным давлением в центре. В Северном полушарии воздух в циклонах вращается против часовой стрелки, в Южном — по часовой стрелке.

Антициклон — область повышенного давления с концентрическими изобарами на уровне моря. В Северном полушарии воздух в антициклонe движется по часовой стрелке, а в Южном — против часовой стрелки. Антициклоны обычно сопровождаются ясной или малооблачной погодой; зимой и ночью возможно образование приземных инверсий, низких слоистых облаков и тумана.

При встрече холодных и тёплых воздушных масс в нижних слоях атмосферы образуется атмосферный фронт. Различают тёплые фронты и холодные фронты.

Тёплый фронт — фронт, смещающийся в сторону холодной воздушной массы с адвекцией тепла. Перед фронтом давление понижaется, уплотняются облака, выпадают затяжные осадки. Зимой обычно появляются низкие слоистые облака. При прохождении фронта температура и влажность медленно повышаются, ветер усиливается, затем меняет направление (по часовой стрелке в северном полушарии и против в южном), давление начинает расти, облака рассеиваются, осадки прекращаются.

Холодный фронт — граница между тёплой и холодной воздушными массами, при которой холодная масса вытесняет тёплую (адвекция холода). За фронтом приходит холодная воздушная масса. При стабильном тёплом воздухе образуются перисто-кучевые облака, при нестабильном — кучевые и кучево-дождевые. Перед фронтом часто бывают осадки, грозы и шквалы (особенно в тёплый сезон). После его прохождения температура падает (иногда на 5—10 °С и более за 1—2 ч).