АтмосфераКак уже упоминалось, воздух нагревается от земли. С высотой уменьшается плотность атмосферы. Комбинация этих двух факторов создает нормальную ситуацию с более теплым воздухом у поверхности и постепенно охлаждающимся с увеличением высоты. Эта ситуация называется градиентом температуры. Стандартный градиент (СГ) (или градиент «нормальной» атмосферы) предполагает уменьшение температуры на 2 градуса Цельсия каждые 300 метров увеличения высоты. Теперь посмотрим на более реальные ситуации в ночное и дневное время. Ночью видно, что воздух более холодный у земли из-за контакта с охлажденной поверхностью. Это положение дел называется приземной инверсией и типично для ночи. Приземная инверсия может распространяться вверх до 300 м и даже более при наличии ветра и интенсивного перемешивания слоев. Слово инверсия обозначает тот факт, что температура воздуха увеличивается или, по крайней мере, не уменьшается с увеличением высоты, как при СГ. Воздух в инверсионном слое стабилен. (Об этом понятии немного ниже). Дневная ситуация выглядит по-другому. Здесь воздух у земли более теплый, чем на СГ. Это связанно с солнечным прогревом воздуха. Градиент, показанный в нижней части на графике С, известен как нестабильный и представляет для нас большой интерес.
Стабильный воздух - это воздух, который не перемещается в вертикальной плоскости. Давайте рассмотрим этот процесс. Представьте себе пузырь воздуха, поднимающийся в атмосфере, как показано на рисунке. С подъемом он расширяется, и давление в нем уменьшается. Это давление изменяется примерно линейно до высоты 3000 м. И приводит к охлаждению воздушного пузыря примерно на 1 градус Цельсия каждые 100 метров подъема. Норма охлаждения поднимающегося воздуха 1°С/100 м называется сухоадиабатическим градиентом (САГ). Сухой не потому, что в воздухе отсутствуют водяные пары, а потому, что они не конденсируются. Адиабатический, потому, что тепло не добавляется из окружающего воздуха и не отдается ему. В реальности некоторый теплообмен имеет место, но он обычно ограничен и незначителен. Как мы знаем, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный при одном и том же давлении. Более теплый воздух стремится подняться вверх, как более легкий, а более холодный опуститься вниз. По этой же причине дерево в воде всплывает, а камень - тонет. Итак, если наш пузырек поднимается в атмосфере, которая остывает медленнее, чем 1°C/100 м, тогда пузырек будет остывать быстрее, чем окружающий воздух и, следовательно, подниматься медленнее до тех пор, пока ситуация не будет соответствовать рисунку выше. Фактически пузырек достигает высоты, соответствующей уровню равновесия, после чего подъем прекращается и наоборот. Это условие стабильности. Нестабильный воздух ведет себя наоборот. При градиенте температуры в атмосфере более 1°C/100 м, пузырек воздуха поднимается быстрее, не остывая так сильно, как окружающий воздух и подъем ускоряется. Нестабильность воздуха определяется его несбалансированностью. В более низких слоях он слишком теплый и спокоен в вертикальной плоскости (отметим, что горизонтальный ветер присутствует и в стабильной и в нестабильной атмосфере). Теперь мы можем сформулировать краткое определение: Условия стабильности наблюдаются, когда атмосферный градиент температуры меньше, чем 1°C /100 м. В противном случае воздух нестабилен. Важно отметить, что в стабильных условиях всякое движение воздуха вниз также натыкается на препятствие, в то время, как в нестабильном воздухе, опускающийся пузырек будет продолжать опускаться. Стабильность и нестабильность условий существенно влияют на турбулентность. Нестабильные условия приводят к возникновению термической активности, которую мы рассмотрим ниже.
Атмосферный градиент температуры больший 1°C /100м называется суперадиабатическим градиентом (Супер АГ). Условия Супер АГ встречаются в основном только над раскаленными пустынями, или, в менее жарких районах, в солнечные дни над ограниченными, закрытыми участками земли. Поднимающийся воздух, вмещающий в себя пары воды, расширяется и охлаждается, а его относительная влажность увеличивается. Если этот процесс продолжается, то относительная влажность достигает 100%, в таком случае говорят о насыщении воздуха. При определенной температуре возникают условия точки росы. Если этот воздух продолжает подниматься, начинается конденсация, которая всегда проходит с выделением «скрытого тепла». Его выделение приводит к нагреву воздуха, он медленнее остывает, чем по САГ, и продолжает подъем. Такое положение вещей называется влажно адиабатическим градиентом (ВАГ). Это градиент между 1.1 °C и 2.8 °C на 300 м высоты, зависит от температуры поднимающегося воздуха и в среднем составляет около 0.5 °C/100 м. Когда температурный профиль атмосферы находится между САГ и ВАГ, говорят, что атмосфера «условно нестабильна», подразумевая, что при дальнейшем насыщении она будет нестабильной, так как это приведет к конденсации и образованию облаков. Зона правее ВАГ - абсолютно стабильная атмосфера. Воздушная масса в атмосфере с градиентом в этой зоне будет всегда стремиться вернуться в исходную позицию, даже если происходит конденсация. Зона левее САГ - область абсолютно нестабильных условий со спонтанным образованием термичности (Супер АГ). Для парящих полетов нужны условия нестабильные, в то время, как для полетов, например, с мотором, желательно чтобы воздух был стабилен. В основном, ясная безоблачная ночь, переходящая в ясное утро, несет нестабильные условия. Для таких условий характерны толстый слой холодного воздуха, что нестабильно, учитывая нагрев воздуха от земной поверхности утром. Однако очень холодные ночи задерживают начало широкой конвекции из-за приземной инверсии. День обещает быть очень стабильным, если небо закрыто сплошными облаками или облачность переменна и земля прогревается постепенно. О стабильности атмосферы можно судить по типу облаков. Образовывающиеся кучевые облака указывают на восходящие потоки и всегда предполагают нестабильность. Слоистые облака обычно говорят о стабильности. Дым, поднимающийся вверх до определенного уровня и растекающийся там - явный признак стабильности, в то время, как высоко поднимающийся дым указывает на нестабильные условия.
Пыльные смерчи, порывистый ветер и хорошая видимость указывают на нестабильность, в то время, как устойчивый ветер, слои тумана и слабая видимость говорят о стабильном воздухе. Облака Облака состоят из бесчисленного множества микроскопических частичек воды различных размеров: от 0.0001 см в насыщенном воздухе и увеличиваются до максимума около 0.025 см при продолжающейся конденсации. Как было сказано, насыщенный воздух- это воздух, имеющий относительную влажность 100%. Даже не изменяя количества водяных паров, воздух может стать насыщенным при охлаждении. Главный путь образования облаков - охлаждение влажного воздуха. Это происходит при охлаждении воздуха, когда он поднимается вверх в термальных потоках, а также при перетекании больших «теплых» воздушных масс сверху на более холодные. Точка росы может использоваться для определения нижней границы (базы) облаков (cloudbase). Допустим, что поднимаясь, воздух охлаждается по САГ, т. е. 1 °C /100 м. Однако температура точки росы понижается только на 0.2 °C /100 м. Таким образом, температуры поднимающегося воздуха и точки росы сближаются на 0.8° С /100 м. Когда они уравняются, начинается образование облаков. Таким образом, зная температуру воздуха у поверхности земли, и точку росы при данной температуре, можно определить высоту базы облаков по формуле h = ((Ts-Tr) / 0.8) * 100. Для нахождения точки росы используют влажно-электрический термометр. Высоту базы облаков важно (хотя и не необходимо) знать, потому что фактически это - максимальная высота, которая может быть набрана за счет использования термальных потоков.
В какой-то момент времени поднимающийся воздух достигает точки росы, имея 100% относительную влажность. Тогда вроде бы созрели все условия для образования облаков. Но, что интересно, ему нужно что-то для реализации этих условий. Без «помощника» воздух может стать супернасыщенным, с относительной влажностью более 100%. Этим помощником являются мельчайшие частички, находящиеся в воздухе. Они называются центрами (ядрами) конденсации, потому, что они подталкивают Пары к конденсации вокруг себя или центрами сублимации, если пар кристаллизуется в лед. Это можно наблюдать на холодном стекле зимой. Центрами конденсации, вокруг которых образуются капельки, могут быть продукты сгорания, капельки серной кислоты и частички соли. Первые два вида - продукты загрязнения, последние - результат работы морских и океанских волн, бьющихся о берег. В роли центров сублимации, на которых образуется лед, выступают также пыль и вулканическая пыль. Центры сублимации сравнительно крупные, поэтому их редко заносит на высоты, где температура обеспечивает образование льда. След, оставляемый самолетом, летящим на большой высоте - тоже состоит из частичек льда. Но кристаллизация там происходит не только вокруг продуктов сгорания, а еще и за счет сотрясения воздуха, вызываемого самим самолетом. Таким же образом можно охладить расплавленное железо до температуры на 300 °C ниже температуры плавления, и при этом оно будет оставаться жидким. Но достаточно небольшого толчка, и расплав мгновенно застывает. Размеры капелек около 0.001 см в насыщенном воздухе - это уже видимая масса. Когда идет процесс конденсации, они увеличиваются до 0.0025 см. Даже имея такие сравнительно крупные размеры, капельки так легки, что могут оставаться в облаках, не падая вниз. Существует несколько факторов, определяющих жизнь облаков. Для начала, облака формируются изолированными восходящими потоками (термиками), имеющими тенденцию к перемешиванию с окружающим воздухом. Первоначально воздух в термике перемешивается только вдоль его границы, но после начала конденсации паров, происходит выделение скрытого тепла и более интенсивное перемешивание с окружающим воздухом. Одно изолированное кучевое облако живет около 0.5 часа с момента появления первых признаков конденсации до распада его в атмосферную массу. В воздухе может находиться большое количество облаков, которые зарождаются, живут и умирают в непрерывном процессе. Не всегда облака распадаются так быстро. Это происходит, когда окружающий воздух на уровне облаков имеет такую же влажность и идет перемешивание. Продолжающаяся термичность подпитывает облака и может продлить им жизнь сверх отпущенных им 30 минут. Грозы - долгоживущие облака. Образованные термическими восходящими потоками, они могут жить много часов.
Облака по высотам
Типы облаков и их характеристики
Старые облака не умирают, они замирают. Более старые облака принимают желтоватый, более тусклый оттенок, чем новые. Кроме этого старые облака имеют более размытые кромки. Существует три основных типа облаков. Это stratus - слоистые (St), cumulus - кучевые (Си) и cirrus - перистые (Ci). O форме слоистых облаков говорит их название - тонкие, плоские или наслаивающиеся, возникающие по причине медленного перемещения обширных масс воздуха. Эти облака покрывают большие площади и делают день серым. Они часто образуются в стабильных условиях, или при спокойном движении фронтов, или при медленных восходящих потоках вокруг систем низкого давления. Кучевые облака выглядят как горы хлопка или огромная цветная капуста, летящая в высоте. Эти облака часто образуются в хорошую погоду и, если покрывают четверть неба или меньше, они называются облаками хорошей погоды, а образуются они от тепловой конвекции или отдельных восходящих потоков, несущих влагу вверх. Далее облака делятся по высотам. Их типы и характеристики изложены в таблицах. Фронты Фронтом называется граница между холодной и теплой воздушными массами. Если вперед движется более холодный воздух, то фронт называется холодным, если же наоборот - то это теплый фронт. Иногда воздушные массы движутся вперед до тех пор, пока их не остановит возросшее перед ними давление. В этом случае границу между массами называют стационарным фронтом. В данном случае важно, что фронт разделяет воздушные массы с разной температурой, а значит и разной плотности. Воздушные массы разной плотности не стремятся к перемешиванию, подобно маслу с водой. Поэтому стационарный фронт может стоять несколько дней.
Холодный фронт движется в основном с севера на юг в северном полушарии и наоборот - в южном. Этот фронт в своей передней части состоит из холодного, часто сухого воздуха. Если холодный фронт замещает нестабильный воздух, то тот поднимается, и формирует конвективные облака. Этот тип фронтальной активности часто сопровождают грозы и шквалы. Шквалы порождаются грозами, что распространяется на 80-500 км в глубину фронта и вдоль него. Холодные фронты имеют тенденцию к большей энергоемкости, чем теплые и могут перемещаться со скоростью более 60 км/ч, особенно зимой, когда воздух более плотный. Быстрое движение фронта определяет буйный характер погоды, но, в то же время, более быстрое его прохождение. Наклон холодных фронтов изменяется от 1/30 до 1/100, что, при его движении вперед, создает сильный подъем теплого воздуха. Наклон зависит от температурного контраста между воздушными массами и скорости ветра через фронт. Если условия стабильные перед и после холодного фронта, то формируются в основном слоистые облака. В этом случае наблюдается медленное очищение неба после фронта, но сам он протекает вяло. Начало холодных фронтов, особенно в жаркие месяцы несет чистое небо, хорошую видимость и термическую активность, и плотный воздух. Теплый фронт может нести с собой закрытое облаками небо, высокую влажность, дымку и туманы, жару и дожди на несколько дней. При прохождении теплого фронта теплый воздух набегает на холодный сверху и вытесняет его. Теплые фронты имеют тенденцию двигаться медленнее, чем холодные - 25 км/ч и менее, и отличаются меньшей плотностью воздуха. Наклон его поверхности колеблется от 1/50 до 1/400, что положе, чем у холодного. Такой наклон теплого фронта является причиной того, что небо полностью закрыто облаками, на расстоянии более чем 2400 км. Приближение теплого фронта можно предсказать по тому, что за день или два до его прохождения появляются перистые облака, далее развивающиеся в перисто-слоистые и перисто-кучевые. В случае теплого фронта, несущего стабильный воздух, нас ожидает длительный период до дождя и, в основном, спокойные условия, возможно, до самого фронта. В случае нестабильного воздуха нас ожидают проливные дожди, чередующиеся с мелкими, моросящими. Возможна сильная турбулентность с грозами. В любом случае прохождение теплого фронта лучше переждать под крышей.
|
