Атмосфера. Часть 2

На этой странице вы узнаете 

• Что произошло 50 тысяч лет назад, а дошло до планеты совсем недавно?
• Как давление влияет на глубоководных рыб?
• Какая разница между “феном” или “фёном”?

Вы когда-нибудь задумывались, почему в Туркменистане запрещены черные машины?  Намекнем: они запрещены примерно по той же причине, почему вам некомфортно носить черную одежду в +30 °С летом. Узнать больше подробностей о таких взаимосвязях вам поможет эта статья. 

Солнечная радиация

Солнечная радиация – это совокупность поступающего на поверхность земли солнечного излучения, которое включает в себя тепловое, световое, ультрафиолетовое и инфракрасное и другие. 

Солнце распространяет вокруг себя мощное излучение в виде тепла, света, ультрафиолета и т.п. Лишь очень небольшая часть его достигает поверхности Земли. Но на своем пути солнечная радиация проходит через атмосферу Земли, поэтому она интересна нам в рамках этой темы. При этом излучение Солнца является движущей силой и главной причиной многих процессов и явлений, которые происходят на нашей планете. Об этом мы поговорим чуть позднее.

Солнечная радиация бывает двух видов: прямой и рассеянной. 

1. Прямая солнечная радиация. По названию можно определить, что она поступает прямо, когда солнечные лучи без каких-либо помех достигают поверхности Земли. Она проявляется в ясный, безоблачный день и приносит наибольшее количество тепла и света. В пустынных регионах больше всего прямой солнечной радиации, потому что они характеризуются именно такой погодой.

2. Рассеянная солнечная радиация. Если по пути к земной поверхности радиация сталкивается с какой-либо преградой — например, облаками — то она рассеивается в разные стороны. Но рассеивается не полностью, что-то всё равно достигает поверхности. Однако количество поступающей радиации существенно снижается. Следовательно, прозрачность атмосферы влияет на количество рассеянной радиации.

Вся солнечная радиация, дошедшая до поверхности Земли — и прямая, и рассеянная вместе – образуют суммарную радиацию.

Суммарная солнечная радиация = прямая + рассеянная.

Количество поступающей радиации зависит от угла падения солнечных лучей, то есть от географической широты. Чем ближе к экватору, тем больше угол наклона лучей и тем больше поступает тепла на земную поверхность. 

От географической широты и наклона оси вращения Земли по отношению к Солнцу зависит и продолжительность светового дня. На экваторе день равен ночи. А  при движении к полюсам продолжительность светового дня будет меняться:

• Она будет увеличиваться в ту сторону, где полюс будет больше освещаться Солнцем. Там возникнет явление полярного дня, когда Солнце за горизонт не заходит около полугода. 
• Противоположный полюс будет находиться в тени. Там будет явление полярной ночи, когда Солнце не будет появляться на горизонте около полугода. Чем ближе непоредственно к полюсу, тем меньше продолжительность светового дня.

Солнечная радиация, достигающая земной поверхности, нагревает ее. Чем темнее подстилающая поверхность, тем больше она поглощает радиации. Так, чернозем (плодородная почва темного, практически черного цвета) поглощает больше всего радиации, отражая всего 5% солнечного света. А вот снег и лед отражают обратно в атмосферу до 80% радиации. 

Подстилающая поверхность – компоненты земной поверхности (почва, снег, вода), осуществляющие тепло- и влагообмен с атмосферой и влияющие на ее состояние.

Таким образом, та радиация, что дошла до поверхности и поглотилась ею, называется поглощенной, тогда как та часть радиации, которая отразилась от поверхности, называется отраженной. 

Здесь мы подобрались к термину альбедо.

Альбедо – способность поверхности отражать радиацию. 

Давайте посмотрим на рисунок, иллюстрирующий уровень альбедо поверхностей.

Мы как раз видим, что поверхность, имеющая более темный цвет, поглощает больше радиации, следовательно, сильнее нагревается и имеет меньшее альбедо по сравнению с более светлыми участками. Теперь мы можем сделать вывод, что подстилающая поверхность имеет разный уровень альбедо. 

Вспомните, каково это – выйти одетым во все черное  летом в +30 °C в самое пекло. Кажется, что вас начинают поджаривать на гриле. В этот момент, можно сказать, вы поглощаете солнечную радиацию как никто другой, у вас критически низкий альбедо. 

Кто-то: «У вас критически низкий альбедо!»
Кот: «?!?!»

Вода поглощает 90-95% солнечной радиации, то есть ее альбедо равен 5-10%. Однако она прогревается очень долго, и то преимущественно в поверхностных слоях. Недаром вода у берега более теплая. Однако, если мы пройдём дальше, то сразу в ногах почувствуем холод. Поэтому многие предпочитают отдыхать у берега. Кому охота мерзнуть?..

Таким образом, отраженная радиация определяет альбедо поверхности. А что же с поглощённой радиацией? Она, а также тепло из недр земли, определяют тепловое излучение, которое нагревает приземные слои атмосферы. Иначе говоря, воздух нагревается от тепла земной поверхности, а не только от солнечных лучей. 

Вспомним строчку из стихотворения А.С.Пушкина “Зимнее утро”: “Мороз и Солнце, день чудесный!…”. Казалось бы, почему при ясном солнечном дне зимой всё равно мороз? Как раз из-за того, что воздух от Солнца очень мало нагревается, а земная поверхность покрыта снегом, практически не поглощающим тепло (альбедо до 95%).

То, что задерживается у поверхности земли в нижнем слое атмосферы, а не уходит в верхние слои и в космос, называется радиационным балансом.

Радиационный баланс — это разница между поглощенной радиацией и тепловым излучением поверхности.

Иными словами это энергия, которая остаётся у поверхности и определяет температуру воздуха, тратится на испарение и таяние снега и так далее. Почти на всей территории России, кроме районов крайнего севера, радиационный баланс за год положительный. Это значит, что земная поверхность получает тепла больше, чем излучает его.

Подведем итог.

Количество суммарной солнечной радиации (ССР) зависит от:

1. Угла падения солнечных лучей. Чем он больше, тем больше суммарная солнечная радиация, тем, условно говоря, теплее. 
2. Продолжительности светового дня. Чем он дольше, тем больше ССР.
3. Прозрачности атмосферы. Чем меньше преград встречают на своем пути солнечные лучи, тем больше ССР. 

Что произошло 50 лет назад, а дошло до планеты совсем недавно? Самый мощный в истории поток радиоактивного излучения обрушился на Землю 4 сентября 2004 года. Причиной этому стал взрыв звезды, которая расположена в 50 тысячах световых лет от нас, и поэтому волна от взрыва дошла до нас только сейчас. Промежуток времени настолько большой, что тогда, когда это произошло, не существовали еще даже люди! Но не переживайте, от смертоносного явления нас смогла защитить атмосфера.

Посмотрим, где нам могут пригодиться знания по этой теме.На ОГЭ в заданиях к тексту (№28-29) могут задать такой вопрос:Почему на мысе Сифре в Антарктиде температура самого теплого месяца -1°С? Приведите два довода.

Решение. Здесь надо вспомнить два фактора, влияющие на температуру:
— Антарктида полностью покрыта снегом, поэтому имеет большое альбедо, солнечные лучи отражаются, не успевая прогреть поверхность;
— также маленький угол падения солнечных лучей способствует низкой температуре летом.

На ЕГЭ же данная тема может попасться в задании №29. Оно в целом аналогично предыдущему примеру, но подразумевает собой сравнение показателей в двух точках планеты. Например:

В январе суммарная солнечная радиация на острове Мадагаскар больше, чем на острове Суматра. Объясните почему, для обоснования Вашего ответа приведите два довода.

Решение. В январе суммарная солнечная радиация на острове Мадагаскар больше, чем на острове Суматра, потому что:
— угол падения солнечных лучей в это время больше над островом Мадагаскар; 
— продолжительность дня в этот периодвозрастает с севера на юг, а остров Суматра севернее Мадагаскара.

Солнечная радиация является одним из факторов образования климата и она непосредственно влияет на температуру воздуха.

Температура воздуха

Наша планета из-за особенностей ее формы, разного угла падения солнечных лучей в разных местах, нагревается неравномерно. Как мы уже выяснили, атмосфера пропускает солнечные лучи, но не нагревается ими. Солнечные лучи нагревают земную поверхность, а затем от нагретой суши прогревается воздух атмосферы.

Поэтому, в тропосфере, чем дальше от  земной поверхности, тем ниже температура воздуха. 

Важно запомнить, что с каждым километром набранной высоты температура воздуха падает на 6° С.

Так, на ОГЭ в номере 13 может попасться задание на определение температуры на вершине горы:

Какая температура будет на вершине горы, если температура воздуха у подножия горы составляет 20° С, а высота горы равна 700 метрам. Также известно, что на каждые 100 м при подъеме вверх температура воздуха в тропосфере понижается в среднем на 0,6° С. Ответ запишите в градусах.

Решение. Для начала нам необходимо вычислить, сколько раз будет происходить понижение температуры на 0,6° С. Для этого мы высоту горы делим на 100 м, потому что именно через каждые 100 м будет происходить понижение температуры на 0,6°С:

700 : 100 = 7 — столько раз снизится температура на 0,6° С.

Далее находим сумму понижения температуры, умножив количество понижений на 0,6° С:

7 · 0,6 = 4,2 °С — общая сумма понижения температуры.

Так как у подножия горы температура равна 20° С , а с высотой она понижается, то на высоте температура будет равна:

20 — 4,2 = 15,8 °С — температура на вершине горы.

Ответ: 15,8.

Сильнее всего поверхность нагревается там, где солнечные лучи падают под прямым углом — на экваторе до тропиков, а меньше всего – в полярных и приполярных областях. Следовательно, температура воздуха уменьшается от экватора к полюсам.

Но в зависимости от времени года и широты местности температура имеет разные показатели в разных местах, которые возможно отразить на климатических картах в виде изотерм.

Изотермы – линии на картах, соединяющие точки с одинаковыми значениями температур.

С их помощью на планете выделяют тепловые пояса: жаркий (экваториальный), два умеренных (северный и южный) и два полярных (северный и южный).

Так как температура непостоянна и изменяется не только вместе с временами года, но и в течение суток, возникает понятие амплитуды температур.

Амплитуда – разница между максимальным и минимальным показателем температуры за какой-то период времени. 

Годовая амплитуда температур изменяется также в зависимости от широты местности. Наибольшая амплитуда наблюдается в умеренных и полярных (до 60° широты) поясах, где лето теплое и зимы морозные, а наименьшая амплитуда — в экваториальном поясе, где в любое время года температура почти не изменяется.

Давайте с вами вместе попробуем рассчитать амплитуду температур.

Представим, что мы живем в Якутии. Посчитаем нашу годовую амплитуду:

1. В июле, в самый жаркий месяц, у нас +30°C; в декабре, в самый холодный, -40°C.
2. Получается: +30°C – (-40°C) = 70°C.
3. Годовая амплитуда Якутска 70°C.

Не позавидуешь якутам.

Где зафиксированы рекордные максимальная и минимальная температура на нашей планете? МАХ температура воздуха на Земле – +58°С была зафиксирована в Триполи в 1922 году. MIN температура воздуха на Земле – -89°С. Она была зафиксированная на станции Восток в Антарктиде в 1983 году.  Но MIN температура воздуха в Северном полушарии была зафиксированная у нас, в России, в 1933 году – -71°С (г. Оймякон, респ. Якутия).

Для сравнения температуры воздуха часто используют среднюю температуру. Она рассчитывается за разные временные промежутки (сутки, месяц, год). 

Ее вычисляют по принципу среднего арифметического значения: 

• проводится определенное количество наблюдений, 
• полученные в них значения температуры суммируются, 
• а затем эта сумма делится на количество произведенных измерений. 

На картинке ниже показано, как можно рассчитать среднегодовую температуру для любого населенного пункта или страны. 

А вот, например, для расчета средней температуры за сутки метеорологи снимают показания термометра каждые три часа в течение всего дня, то есть 8 раз. Потом суммируют их и делят на количество показаний (8). 

Еще одним показателем состояния окружающей среды является атмосферное давление, казалось бы, мы не замечаем, но на самом деле оно постоянно на нас давит.

Атмосферное давление 

Любопытный вопрос: имеет ли воздух вес? Ученые подсчитали, что 1 кубический метр воздуха весит 1 кг 33 гр. Если воздух имеет вес, значит он давит на поверхность, над которой находится. 

Атмосферное давление – это величина, с которой воздух давит на каждый сантиметр земной поверхности. 

На нашей планете очень мощная атмосфера, которая имеет целых 5 слоев (подробнее можете прочитать в статье “Атмосфера. Часть 1”). Мощность атмосферы составляет около 1600 км. Все это пространство условно заполнено воздухом – смесью газов, каждый из которых имеет свой вес. 

Все в нашем мире подчиняется действию земного притяжения. И воздух не исключение. Он также притягивается к Земле, давит на нее. Но все таки эта величина варьируется в разных местах планеты. Там где толщина атмосферы, а соответственно и вес больше — давление выше. А там где толщина меньше, например в горах, вес ее тоже меньше, соответственно и атмосферное давление ниже.

Почему мы тогда не чувствуем этой колоссальной тяжести? Потому что это давление действует со всех сторон одинаково (сверху-снизу, слева-справа), а по законам физики в результате действия сил во всех направлениях, они уравниваются, то есть становятся нулевыми. Мы ощущаем давление атмосферы равномерно, со всех сторон — поэтому оно и незаметно. И одновременно можно сказать, что в ходе многовекового развития живые организмы, в том числе и человек, приспособились к окружающей среде. Давление внутренней среды организма  уравновешивает действие внешнего, то есть атмосферного. 

На картах линии, соединяющие точки с одинаковым давлением, называются изобарами. 

У атмосферного давления тоже есть факторы, влияющие на его изменение: высота над уровнем моря и температура воздуха.

С увеличением высоты давление падает: каждые 100 м на 10 мм рт. ст., так как чем дальше в космос, тем меньше частиц воздуха в атмосфере.

С помощью прибора — барометра-анероида, измеряется атмосферное давление, а единицами измерения являются миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.). Средняя высота ртутного столба в барометре-анероиде на уровне моря равняется 760 мм. Это давление и принято за нормальное. 

пониженное < 760 мм рт. ст. < повышенное

Представим себе давление на дне Марианской впадины –11000 м. Человеку там будет трудновато, потому что давление там более чем в 1100 раз больше, чем наше повседневное. Поэтому аквалангисты обычно постепенно опускаются на дно – привыкают к давлению. Так, например, рекорд по самому глубокому погружению с аквалангом был установлен 18 сентября 2014 года Ахмадом Габром. Он смог достигнуть глубины 332,35 метра в Красном море неподалеку от Дахаба. На подготовку к установлению рекорда у Габра ушло четыре года. Все это время он работал с элитной командой дайверов, разработавшей план погружения.

Как давление влияет на глубоководных рыб? Возьмем для примера рыбу-каплю. Ей может быть и хорошо на дне, но выглядит она не очень. Всему виной высокое давление: раньше мы говорили о невероятно большом давлении на глубине, оно и сплющивает некоторых здешних рыбок. Есть ещё рыбка камбала: из-за высокого давления она имеет плоскую форму и плавает будто лёжа.

• 

• 

Следующим фактором изменения давления, как уже было сказано, является температура воздуха. 

Почему так происходит?
Это объясняется перемещением воздушных масс. Давление повышается там, где воздуха становится больше и понижается там, откуда воздух уходит. 

На экваторе тепло круглый год. Но давайте разберемся: теплый воздух – он какой?
Для ответа на этот вопрос вспомним, что будет, если зимой открыть форточку. Подует по ногам. Значит, снизу холодный воздух, а выше теплый. Следовательно, понимаем: теплый воздух более легкий. 

Как мы сказали выше – чем дальше к космосу, тем более разрежен воздух, в нем меньше частиц его составляющих. Когда теплый поток воздуха поднимается, он имеет свою определенную плотность, и вот в один момент окружающий его воздух становится менее плотным, чем он сам. Тогда поднимавшийся теплый воздух растекается в стороны, принося в эти стороны более высокое давление. Что и происходит от экватора к 30-ым — 40-ым широтам.

Над холодной поверхностью воздух охлаждается и уплотняется, прижимаясь к поверхности. Количество воздуха увеличивается и увеличивается давление. Это происходит от 30-ых — 40-ых широт к экватору и к 50-ым — 70-ым широтам. 

Всё это способствовало тому, что давление на Земле распределено зонально. 

Низкое давление преобладает на экваторе и далее от него чередуется с высоким.

Таким образом, циркуляция атмосферы и давление неразрывно связаны друг с другом. Тогда возникновение ветра тоже как-то связано с давлением? Сейчас разберемся.

Ветер

Воздух перемещается в трех основных направлениях: 

• поднимается вверх – восходящее движение;
• опускается вниз – нисходящее движение; 
• перемещается в горизонтальном направлении.

Ветер – горизонтальное перемещение воздуха.

Важно не путать: зональное распределение давления связано с неравномерным нагреванием и остыванием поверхности, а причина ветра — перемещение воздуха из области повышенного давления в область пониженного. Ветер может при этом иметь отклонение в Северном полушарии – вправо, в Южном полушарии – влево из-за силы Кориолиса. Возникает она из-за того, что Земля крутится вокруг своей оси, и все процессы и явления по инерции отклоняются. На экваторе этого отклонения нет, а на полюсах оно максимально. Подробнее об этом явлении мы говорили в статье «Земля как планета».

Так, ветры делятся на: 

1. постоянные,
2. переменные,
3. местные.

Как и у многих других климатических и погодных явлений, у ветра есть свои характеристики, и, соответственно, их шкалы измерения. Наиболее важная характеристика ветра – скорость, именно ее и замеряют метеорологи, используя при этом шкалу Бофорта. 

Шкала Бофорта – это двенадцатибалльная шкала, принятая Всемирной метеорологической организацией для приближенной оценки скорости ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. 

По этой шкале каждому диапазону скорости ветра присвоен свой балл (от 0 до 12). За ноль принимают штиль (безветрие), когда скорость воздушных потоков ниже 2 км/ч. Самый опасный ветер – двенадцатибальный ураган, скорость которого достигает более 118 км/ч. 

Кстати, интересно, что ураганы всегда называют человеческими именами. Например, Катя (ураган 2017 г.), Джулия (ураган 2022 г.) и т.д.

Постоянные ветры 

Распределение давления определяет направление ветров. Всего их 3 и находятся они, как ни странно, между параллелями с высоким и низким давлением. Посмотрим ещё раз на эту карту. Обратим внимание на названия этих ветров справа.

1. Пассаты. Движение воздушных масс из тропических широт к экватору. Из повышенного давления в пониженное.
2. Западные ветры. Опять же движутся из тропических широт в умеренные. Из повышенного давления в пониженное и никак иначе! Мы также можем наблюдать здесь отклонения от движения в Северном и Южном полушариях. 
3. Стоковые (или восточные) ветры. Движутся от полюсов в умеренные широты. Также заметно отклонение.

Переменные ветры (сезонные)

К переменным ветрам относятся муссоны. Это ветры, возникающие на восточном побережье Евразии и Северной Америки, то есть их нет в Южном полушарии. Так происходит, потому что процент соотношения суши и воды в Северном полушарии больше, чем в Южном, получается и взаимодействие между ними больше и ярче выражается. Летом они дуют с океана на материк, зимой – с материка на океан.

Как это происходит?
Это как постоянные ветры “на минималках”. Летом на суше теплее, чем в океане. Теплый воздух легкий, он поднимается (1), растекается на некоторой высоте в сторону высокого давления (2) и снова опускается (3). Далее ветер дует из высокого давления в низкое (4), и происходит вот такой круговорот.

Зимой – обратная ситуация. Вода медленнее нагревается и медленнее отдает тепло. Благодаря этому зимой океан теплее, чем суша. В зимнее время теплый воздух поднимается от поверхности океана, доходит до определенной высоты (1), переходит в сторону высокого давления (2) и опускается (3). Далее дует из области высокого давления в область низкого (4).

Местные ветры 

Встречаются на определенной местности, при определенных условиях:

• Бризы дуют днем с водоёма (море, озеро, большая река, крупное водохранилище) на берег, ночью – наоборот, с берега на водоём.
• Бора – сильный холодный порывистый ветер. Образуется, когда холодный воздух устремляется через невысокие хребты к тёплому морю.
• Баргузин – сильный восточный ветер на Байкале. 
• Мистраль – холодный северо-западный ветер на средиземноморском побережье Франции.
• Самум – знойный сухой ветер в пустынях Северной Африки и Аравийского полуострова.

Какая разница между “феном” и “фёном”? Названия похожи, а вот означают они разное: — Фён – это местный ветер, сильный тёплый и порывистый ветер, дующий с гор в долины. Он характерен для всех горных местностей. — Фен – это ваш фен домашний, чем вы волосы сушите. Однако, можно провести здесь аналогию: оба они дуют тёплым воздухом. Вот вам и задокументированная необходимость обозначать букву “ё”.

В данной статье мы разобрали такие атмосферные факторы, как солнечная радиация, давление и температура. Но что из себя представляет атмосфера как оболочка Земли? Какую роль она играет в нашей жизни? Подробнее можете узнать в статье “Атмосфера. Часть 1”.

Термины

Географическая широта — расстояние в градусах от экватора до заданной точки.

Экватор — воображаемая линия, расположенная на равном расстоянии от полюсов и делящая Землю на Северное и Южное полушария.

Осадки — образования в атмосфере, связанные с присутствием в ней воды (в твёрдом или жидком сост.), выпадающей из облаков или осаждающейся из воздуха на земную поверхность.

Подстилающая поверхность — поверхность Земли (почва, вода, снег, лед и тд), которая взаимодействует с атмосферой путем обмена теплом и влагой.

Фактчек

• Прямая солнечная радиация достигает поверхности без каких-либо помех. Рассеянная солнечная радиация поступает на поверхность в меньшем количестве, так как половина отразилась по пути. Отражающая способность поверхности называется альбедо.
• Изотермы – линии соединяющие точки с одинаковой температуры, изобары – с одинаковым атмосферным давлением. С высотой давление падает: каждые 100 м на 10 мм.рт.ст. Оно распределено зонально: низкое давление на экваторе, далее от него к полюсам идет чередование с высоким.
• Ветер дует из области повышенного давления в область пониженное. Все постоянные ветры имеют отклонения по направлению движения в Северном полушарии – вправо, в Южном полушарии – влево. Постоянные ветры: пассаты, западные ветры и стоковые. 
• Муссоны – сезонные ветры, существуют только в Северном полушарии. Летом дуют с океана на материк, зимой – с материка на океан. 
• Местные ветры встречаются локально, непостоянны (бриз, фён, бора и т.д.).
  

Проверь себя 

Задание 1.
Вставьте пропущенные слова:

Пассаты образуются из-за высокого давления в (…) областях обоих полушарий и  низкого давления на экваторе. Эти ветры под воздействием вращения Земли отклоняются на (…). Они достаточно стабильны по температуре и влажности и являются одним из важнейших факторов в формировании (…).

1. климат
2. восток
3. тропические
4. полярные
5. запад
6. погода

Задание 2.
Вставьте пропущенные слова:

Причиной бриза является разница температур воздуха над сушей и над морем. Днем воздух более (…) и более плотный над водной поверхностью, а над сушей воздух теплее и разрежен. Поэтому (…) прохладный воздух начинает подтекать под теплый воздух, вытесняя его. В результате образуется ветер, дующий на (…), который несет с собой свежесть и прохладу. 

1. тяжелый
2. прохладный
3. суша
4. легкий
5. теплый
6. море.

Задание 3.
Температура днём в Триполи +30°С, ночью +25°С. Сколько здесь суточная амплитуда?

1. 55°С
2. 25°С
3. 5°С
4. 30°С

Задание 4.
Выберите верное утверждение.

1. Тёплый воздух более тяжёлый, чем холодный.
2. В Северном полушарии потоки отклоняются влево.
3. Воздух дует из области пониженного давления в область повышенного.
4. Муссон летом дует с океана на материк.

Ответы: 1. — 351; 2. — 213; 3. — 3; 4. — 4.