Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Климатология и метеорология: Учебное пособие по курсу "Науки о Земле"

Голосов: 5

Пособие составлено в соответствии с программой, рекомендованной Министерством образования России по дисциплине "Науки о Земле", и требованиями действующего Государственного образовательного стандарта по направлению "Инженерная защита окружающей среды". В пособии в краткой форме даны современные представления об истории развития климатологии и метеорологии, по составу и строению атмосферы, факторам климатообразования, балансу солнечной энергии, формированию циклонов и антициклонов, классификация климатов, даны определения основных геологических терминов, используемых в данном пособии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
               ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
        «Ульяновский государственный технический университет»




          КЛИМАТОЛОГИЯ
          и МЕТЕОРОЛОГИЯ
            Учебное пособие по курсу «Науки о Земле»
     для студентов, обучающихся по специальности 28020265
            «Инженерная защита окружающей среды»



                                                  Составитель В. А. Михеев




                                 Ульяновск
                                   2009


УДК 551. 5 (075)
ББК 26. 23 я 7
    К 49




     Рецензенты: начальник отдела по обслуживанию народного хозяйства Центра по
     гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Ульяновской области А.
     М. Бурнаева.
     Доцент кафедры «Природопользование» экологического факультета Института
     медицины, экологии и физической культуры УлГУ, кандидат географических
     наук P. X. Салахова.



     Утверждено редакционно-издательским отделом университета в качестве
     учебного пособия.




     Климатология и метеорология : учебное пособие по курсу «Науки о Земле»
К 49 для студентов, обучающихся по специальности 28020265 «Инженерная защита
     окружающей среды» / сост. В. А. Михеев.- Ульяновск : УлГТУ, 2009. - 114 с.

     ISBN 978-5-9795-0533-6
          Пособие составлено в соответствии с программой, рекомендованной Ми-
     нистерством образования России по дисциплине «Науки о Земле», и требова-
     ниями действующего Государственного образовательного стандарта по направ-
     лению «Инженерная защита окружающей среды». В пособии в краткой форме
     даны современные представления об истории развития климатологии и метеоро-
     логии, по составу и строению атмосферы,факторам климатообразования, балансу
     солнечной энергии, формированию циклонов и антициклонов, классификация
     климатов, даны определения основных геологических терминов, используемых в
     данном пособии.

                                                                УДК 551. 5 (075)
                                                                 ББК 26. 23 я 7


                                                © Михеев В. А.,составление,2009
     ISBN               978-5-9795-0533-6           © Оформление. УлГТУ, 2009


ОГЛАВЛЕНИЕ




  3


4


                                           ВВЕДЕНИЕ

      Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и
протекающих в ней физических и химических процессах. Теоретической основой метеороло-
гии служат общие законы физики и химии, записанные применительно к атмосфере. Глав-
ными задачами метеорологии являются описание состояния атмосферы в данный физиче-
ский момент времени и прогноз ее состояния на будущее. В некоторых случаях возникает
необходимость восстановить состояние атмосферы в прошлом.
      Климатологией называется раздел метеорологии, в котором изучаются закономерно-
сти формирования климатов, их распределения по земному шару и изменения в прошлом и
будущем.
      Под климатом в узком смысле слова, или локальным климатом, понимают совокуп-
ность атмосферных условии за многолетний период, свойственных тому или иному месту в
зависимости от его географической обстановки. В таком понимании климат является одной
из физико-географических характеристик местности. Климатом в широком смысле, или гло-
бальным климатом, называется статистическая совокупность состояний, проходимых систе-
мой «атмосфера - океан - суша - криосфера - биосфера» за периоды времени в несколько
десятилетий. В таком понимании климат есть понятие глобальное.
      Климат, являясь одной из физико-географических характеристик среды, окружающей
человека, оказывает решающее влияние на хозяйственную деятельность людей: на специали-
зацию сельского хозяйства, размещение промышленных предприятий, воздушный, водный и
наземный транспорт и т. п. Знание основ метеорологии и климатологии необходимо для под-
готовки специалистов в области инженерной защиты окружающей среды [5].
      Ход метеорологических процессов оказывает влияние на все стороны жизни человече-
ского общества: определяет гидрологический режим водных объектов; без метеорологиче-
ской информации не могут обойтись авиация, морской, железнодорожный транспорт; от по-
годных условий зависят коммунальные службы городов, сельскохозяйственное производст-
во. Погода влияет на самочувствие людей и их работоспособность.
      В задачи современной метеорологии входят: повсеместные и непрерывные метеороло-
гические наблюдения; обобщение и изучение материалов наблюдений с целю установления
причин изменений метеорологических элементов и явлений погоды, установление законов,
управляющих их развитием; разработка методов предсказания погоды; обеспечение отраслей
народного хозяйства информацией о текущем состоянии погодных условий, их прогнозиро-
вание на будущее.
      В последнее время в метеорологии решается задача активного воздействия на атмо-
сферу с целью улучшения климата и управления погодой. Сложную проблему представляют
долгосрочные прогнозы погоды. На метеорологию возложена так же задача контроля загряз-
нения природной среды.
      Совершенствование методов прогнозирования погоды приносит большой экономиче-
ский эффект, прежде всего в результате предупреждения о таких опасных явлениях, как на-
воднения, ураганы, засуха и др. [3].




                                          5


              1. КЛИМАТОЛОГИЯ И МЕТЕОРОЛОГИЯ
      1.1. Климатология и метеорология как наука, связь с другими науками
      1.2. История развития метеорологии
      1.3. Вертикальное строение атмосферы
      1.4. Состав воздуха и роль газов в атмосфере

       1.1. Климатология и метеорология как науки, связь с другими науками
       Использование в метеорологии и климатологии точных физических законов, а сейчас
и сложного математического аппарата роднит эту науку с физико-математическими науками.
В то же время все атмосферные движения протекают на планете Земля с характерными толь-
ко для нее очертаниями материков и океанов, строением рельефа, распределением рек, мо-
рей, ледникового, снежного покровов и растительности. Это определяет географичность ме-
теорологии и климатологии и их вхождение в комплекс географических наук.
       Понимание закономерностей климата возможно на основании изучения тех общих за-
кономерностей, которым подчинены атмосферные процессы. Поэтому при анализе причин
возникновения различных типов климата и их распределения по земному шару климатология
исходит из понятий и законов метеорологии.
       Процессы, происходящие в атмосфере, развиваются в основном в результате превра-
щения энергии, поступающей от Солнца. При изучении этих процессов широко используют-
ся законы различных областей физики (гидромеханики, термодинамики, учении о лучистой
энергии и т. д.).
       На современном этапе развития метеорологии из нее выделилось несколько частных
дисциплин, изучающих различные стороны атмосферных процессов. К таким дисциплинам
относятся, прежде всего, физика атмосферы, изучающая физические закономерности атмо-
сферных явлений; синоптическая метеорология, изучающая формирование погоды и разра-
батывающая методы ее предсказания; динамическая метеорология, изучающая теоретиче-
ские вопросы физики атмосферы на основе решения математических уравнений гидродина-
мики, термодинамики и т. д.
       Большой раздел метеорологии, посвященный климату, обособился в дисциплину
«Климатология», в которой изучаются закономерности формирования климатов, их распре-
деления по земному шару и изменения в прошлом и будущем. Климатология, являясь разде-
лом метеорологии, одновременно входит в состав географических наук.
       В процессе использования метеорологических сведений выделились прикладные раз-
делы метеорологии. Важнейшими из них являются: сельскохозяйственная метеорология (
агрометеорология), авиационная метеорология, морская метеорология, космическая метео-
рология, военная метеорология, медицинская и биометеорология. В метеорологии выделя-
ются такие основные методы исследований, как метод наблюдений, метод эксперимента,
теоретический метод. До настоящего времени преобладает метод наблюдений: на наземных
метеорологических, аэрологических станциях осуществляются постоянные наблюдения. Для
этих же целей используют самолеты, ракеты, космические аппараты и другие средства. По-
лученные данные о фактическом состоянии атмосферы используются в научных целях и для
обеспечения народного хозяйства информацией о текущем состоянии погоды и для ее пред-
сказании на будущее.
       Экспериментальные исследования проводятся как в лабораторных, так и в природных
условиях. Опыты в лабораторных условиях позволяют детально изучить взаимосвязи между
отдельными факторами, наблюдаемыми в каком-либо метеорологическом процессе. Напри-
мер, в специальных камерах можно имитировать процессы облакообразования при темпера-
турах и давлениях, соответствующих высотам 5-6 км. Так же используются электрические,
акустические и другие явления.
       Экспериментальные исследования в естественных условиях по активному воздейст-
вию на метеорологические процессы выполняются с целью разработки практических мето-


                                           6


дов создания и рассеяния облаков, туманов, стимулирования или предотвращения осадков,
борьбы с градом и др.
      Теоретические методы базируются на использовании математических моделей раз-
личных атмосферных процессов. Важнейшим направлением этого метода является совер-
шенствование техники прогнозирования погоды.

       1.2. История развития метеорологии
       Начало истории развития метеорологии уходит в глубокую древность. Упоминания о
различных метеорологических явлениях встречаются у большинства народов древности. По
мере развития цивилизации в Китае, Индии, странах Средиземноморья делаются регулярные
попытки метеорологических наблюдений, появляются отдельные догадки о причинах атмо-
сферных процессов и зачаточные научные представления о климате. Первый свод знаний об
атмосферных явлениях был составлен Аристотелем, взгляды которого затем долго определя-
ли представления об атмосфере.
       В средние века регистрировались наиболее выдающиеся атмосферные явления, такие
как катастрофические засухи, исключительно холодные зимы, дожди и наводнения. В эпоху
великих географических открытий (XV - XVI вв.) появились климатические описания от-
крываемых стран.
       Научное изучение атмосферы началось с XVII в. и совпадало с периодом бурного раз-
вития естественных наук. Были изобретены термометр (Галилей, 1597 г.), барометр (Тори-
челли, 1643 г.), дождемер, флюгер. М. В. Ломоносов в середине XVIII в. изобрел анемометр
для измерения скорости ветра, разработал схему образования грозы.
       Регулярные метеорологические наблюдения в России стали проводиться при Петре I.
В 1849 г. в России было открыто первое в мире научное метеорологическое учреждение -
Главная физическая (ныне Геофизическая) обсерватория имени А. И. Воейкова. В XIX в. на-
чинает развиваться сеть метеорологических станций. В 50-е годы XIX в. получила развитие
синоптическая метеорология. Во второй половине XIX в. стала создаваться сеть наземных
станций, развитие которых связано с именами Г. И. Вильда и М. А. Рыкачева.
       С появлением летательных аппаратов люди получили возможность изучения атмосфе-
ры в слоях, удаленных от земной поверхности. В 1930 году советский ученый П. А. Молча-
нов изобрел радиозонд, что позволило дополнить наземные наблюдения на метеорологиче-
ских станциях аэрологическими наблюдениями.
      С середины XX в. в практику метеорологических наблюдений стали входить метеоро-
логические радиолокаторы, ракетное зондирование атмосферы. Современные методы про-
гноза погоды не обходятся без информации, получаемой с метеорологических искусствен-
ных спутников Земли.
      В 20-е годы XX столетия норвежскими учеными В. Бьеркнесом и Я. Бьеркнесом было
создано учение о воздушных массах и атмосферных фронтах, что продвинуло вперед синоп-
тические методы прогноза погоды.
      Важный этап в развитии климатологии - внедрение картографического метода: с его
помощью оказалось возможным выявлять основные закономерности распределения метео-
рологических элементов на больших пространствах, соизмеримых с материками. Первая
карта изотерм земного шара была создана А. Гумбольтом (1817 г.), а карты изобар, отобра-
жающие распределение атмосферного давление, были построены Буханном в 1869 г.
      Одна из первых классификаций климатов была предложена В. П. Кёппеном.
      Основоположником климатологии в России был А.И. Воейков (1842-1916 гг.). Его
работы «Ветры земного шара», «Климаты земного шара» и другие определили уровень не
только российской, но и мировой науки о климате и не потеряли научного значения до на-
стоящего времени.
       Следующий этап развития метеорологической службы в нашей стране начался с при-
нятия в 1921 г. декрета «Об организации метеорологической службы в РСФСР» В 1929 г.


                                           7


Совет народных Комисаров принял решение об объединении метеорологической и гидроло-
гической служб и создании Единой государственной гидрометеорологической службы. В
1979 г. Главное управление гидрометеорологической службы было реорганизовано в Госу-
дарственный комитет по гидрометеорологии и контролю природной среды.
       В связи с нарастающими темпами загрязнения окружающей среды, особенно за по-
следние 50-60 лет, в значительной мере под влиянием хозяйственной деятельности человека
возникла необходимость контроля и управления процессами антропогенного загрязнения.
Для этого в нашей стране, как и в других развитых странах, была создана специальная служ-
ба, занимающаяся контролем загрязнения природной среды, включая атмосферный воздух.
       В настоящее время на территории России органом государственного управления в об-
ласти гидрометеорологии и контроля над загрязнением природной среды является федераль-
ная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
       Большой в клад в развитие современной климатологии внесли: JI. С. Берг, Б. П. Али-
сов, С. П. Хромов, М. И. Будыко, О. А. Дроздов и многие другие ученые [3].

       1.3. Вертикальное строение атмосферы
       Атмосфера весьма четко расслаивается на концентрические сферы, отличающиеся
друг от друга по своим характеристикам. Рассмотрим строение атмосферы, зависящее от
распределения температуры по высоте (рис.1).
       Тропосфера. Нижний слой атмосферы, в котором температура в среднем убывает с
высотой, называется тропосферой. В тропиках этот слой простирается от земной поверхно-
сти до высоты 15-17 км, в умеренных широтах обоих полушарий - до высоты 10-12 км и
над полюсами — до 8-9 км. Слово «в среднем» имеет существенное значение, поскольку
убывание температуры с высотой в тропосфере характерно именно для средних условий:
среднемесячных, среднесезонных и т. д. В каждый данный момент времени убывание темпе-
ратуры во всем слое может прерываться отдельными слоями, где температура может оста-
ваться постоянной (изотермия) или даже расти с высотой (инверсия).
       В тропосфере среднегодовая температура в экваториальных широтах убывает с высо-
той от +26°С у земной поверхности до -80°С на вершине тропосферы, в умеренных широтах
от +3 до -54 - -58°С (50° с.ш.) и над Северным полюсом от -23 до -60°С зимой и -48°С ле-
том. В среднем величина падения температуры с высотой равна 0,60°С/100 м, хотя эта вели-
чина варьирует в широких пределах. В тропосфере сосредоточено 4/5 всей массы атмосфер-
ного воздуха, в ней содержится почти весь водяной пар атмосферы, и возникают почти все
облака. В тропосфере часто развиваются сильная неустойчивость, сильные вертикальные
движения и перемешивание. Она испытывает непосредственное влияние подстилающей по-
верхности: различное нагревание суши и моря, заснеженных и свободных от снега про-
странств, теплые и холодные морские течения создают температурные различия и в воздухе.
В результате взаимодействия с подстилающей поверхностью в тропосфере возникают тече-
ния теплого и холодного воздуха.
       Высота, до которой простирается тропосфера, над каждым местом Земли меняется изо
дня в день, колеблясь около средних величин, указанных выше. Давление воздуха на верхней
границе тропосферы в 3-10 раз меньше, чем у земной поверхности.
       Самый нижний тонкий слой тропосферы (50-100 м), непосредственно примыкающий
к земной поверхности, носит название приземного слоя. Вследствие близости к земной по-
верхности он в наибольшей степени испытывает ее влияние. В этом слое особенно резко вы-
ражены изменения температуры в течение суток: температура особенно сильно падает с вы-
сотой днем и часто растет с высотой ночью. Здесь также наиболее сильно растет с высотой
скорость ветра.
       Слой от земной поверхности до высот 1000-1500 м называют планетарным погранич-
ным слоем, или слоем трения. В этом слое заметно ослаблена скорость вера по сравнению с
вьннележащими слоями и ослаблена тем больше, чем ближе к земной поверхности.


                                           8


                                   Рис. 1. Строение атмосферы
      Верхняя граница тропосферы, т. е. тонкий переходный слой толщиной 1-2 км, где па-
дение температуры с высотой сменяется ее постоянством (изотермией), называется тро-
попаузой.
      Стратосфера. Выше тропопаузы и до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характе-
ризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. В нижних слоях страто-
сферы (от тропопаузы и до 25 км) температура постоянна или весьма медленно растет с вы-
сотой (зимой в полярных широтах она даже может слабо падать), но, начиная с 34-36 км,
происходит довольно быстрое возрастание температуры с высотой, которое продолжается до
50 км, где расположена верхняя граница стратосферы, называемая стратопаузой. Здесь стра-
тосфера почти такая же теплая, как воздух у поверхности Земли, в среднем 270 К. Возраста-
ние температуры с высотой приводит к большой устойчивости стратосферы: здесь нет не-
упорядоченных (конвективных) вертикальных движений и активного перемешивания, свой-


                                            9


ственного тропосфере. Однако очень небольшие по величине вертикальные движения типа
медленного оседания или подъема иногда охватывают слои стратосферы, занимающие ог-
ромные пространства.
       Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 22-24 км в высоких
широтах иногда наблюдаются очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем
они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся
под горизонтом. Облака состоят из переохлажденных капель. Состав воздуха стратосферы
отличается от тропосферного только примесью озона. С озоном связан рост температуры в
стратосфере, поскольку именно озон поглощает солнечную радиацию. С этой точки зрения
стратосфера может быть названа озоносферой.
       Мезосфера. Над стратосферой лежит слой мезосферы, который простирается от стра-
топаузы до высоты примерно 80-82 км. В мезосфере температура снова понижается с высо-
той, иногда до -110°С в ее верхней части. Вследствие быстрого падения температуры с вы-
сотой в мезосфере сильно развита турбулентность.
       В верхней части мезосферы образуются так называемые серебристые облака, по-
видимому, состоящие из кристаллов, форма которых свидетельствует о существовании в ме-
зосфере волн и вихрей. Верхней границей мезосферы является переходный слой - мезопауза,
лежащая на высоте около 82 км. На мезопаузе давление воздуха примерно в 1000 раз мень-
ше, чем у земной поверхности.
       Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере, вместе взятых, до высоты 80
км заключается более чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится
всего 0,5% от массы атмосферы. Это составляет 2,578 . 1013 т.
       Термосфера. Верхняя часть атмосферы, которая простирается над мезосферой, назы-
вается термосферой. В термосфере температура очень резко возрастет с высотой. В годы ак-
тивного солнца она превышает 1500°С на высоте 200-250 км. На больших высотах дальней-
ший рост температуры с высотой уже не наблюдается. Лишь в областях ярких полярных
сияний температура ненадолго повышается до 3000°С.
       Высокие температуры термосферы означают, что молекулы и атомы атмосферных га-
зов движутся в этом слое с очень большими скоростями. Однако плотность воздуха в термо-
сфере так мала, что теплосодержание газов ничтожно. Поэтому любое тело, находящееся
здесь (например, летящий спутник), не будет нагреваться путем теплообмена с воздухом.
Температурный режим спутника будет зависеть от непосредственного поглощения им сол-
нечной радиации и отдачи его собственного излучения в окружающее пространство.
       Как мы видели, до высоты 100 км воздух атмосферы хорошо перемешан и его состав
везде одинаков. Эту сферу иногда называют также турбосферой. Выше 100 км состав возду-
ха заметно меняется: появляется атомарный кислород, исчезают диоксид углерода и аргон,
воздух сильно ионизирован, поэтому эта часть термосферы от мезопаузы до высоты
800-1000 км называется ионосферой. Содержание ионов здесь во много раз больше, чем в
нижних слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха.
       Экзосфера. Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзо-
сферы (внешней атмосферы). Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень
велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут
облетать землю по эллиптическим орбитам. При этом отдельные частицы могут приобретать
скорости, равные второй космической скорости (для незаряженных частиц около 11 000 м/с).
Такие особенно быстрые частицы покидают атмосферу и улетают в мировое пространство,
двигаясь по параболическим траекториям. Поэтому экзосферу называют также сферой ус-
кользания газов. Как мы уже знаем, ускользанию подвергаются преимущественно атомы во-
дорода и гелия, которые являются господствующими газами в наиболее высоких слоях атмо-
сферы.
      Магнитосфера. Ранее предполагалось, что экзосфера и с нею вся земная атмосфера
кончаются на высотах порядка 2000-3000 км. Наблюдения с помощью ракет и спутников


                                           10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика