Сторінка
10

Повітря та атмосфера

3. Якщо температура повітря з висотою змінюється, то змінюється також і потенційна температура. Тільки у випадку, коли температура падає з висотою на 1°С/100 м, потенційна температура залишається з висотою незмінною. Це легко бачити із самих простих розумінь. При зазначеному градіенті температури з якого б рівня не була опущена повітряна частка на рівень моря, вона, адіабатично нагрівшись, одержить на рівні моря ту саму температуру. Це і виходить, що потенційна температура на всіх рівнях однакова. У випадку, коли вертикальний градіент температури менше 1 °С/100 м, що саме є звичайним, потенційна температура з висотою зростає. І тільки в тих випадках, коли вертикальний градіент температури більше 1 °С/100 м, потенційна температура з висотою убуває. У ізотермічному шарі потенційна температура зростає з висотою на 1 °С на 100 м. Ще швидше зростає вона в шарі інверсії, тобто при зростанні температури з висотою.

23. Вітер і турбулентність 1. У залежності від розподілу атмосферного тиску повітря постійно переміщається в горизонтальному напрямку. Це горизонтальне переміщення називається вітром. Швидкість і напрямок вітру увесь час змінюються. Середні швидкості вітру в земної поверхні близькі до 5-10 м/с. Але іноді, у сильних атмосферних вихорах, швидкості вітру в земної поверхні можуть досягати і перевищувати 50 м/с. У високих шарах атмосфери, у так називаних струменевих течіях, регулярно спостерігаються швидкості вітру до 100 м/с і більше. До горизонтального переносу повітря приєднуються і вертикальні складові. Вони звичайно малі в порівнянні з горизонтальним переносом, порядку сантиметрів або десятих часток сантиметра в секунду. Тільки в особливих умовах, при так називаній конвекції, у невеликих ділянках атмосфери вертикальні складові швидкості руху повітря можуть досягати декількох метрів у секунду.

2. Вітер завжди має турбулентність. Це значить, що окремі кількості повітря в потоці вітру переміщаються не по рівнобіжних шляхах. У повітрі виникають численні вихори, що безладно рухаються, і струмені різних розмірів. Окремі кількості повітря, що захоплюються цими вихорами і струменями, так називані елементи турбулентності, рухаються в усіх напрямках, у тому числі і перпендикулярно до загального або середнього напрямку вітру і навіть проти нього. Ці елементи турбулентності - не молекули, а великі об'єми повітря, лінійні розміри яких вимірюються сантиметрами, метрами, десятками метрів. Таким чином, на загальний перенос повітря у визначеному напрямку і з визначеною швидкістю накладається система хаотичних, безладних рухів окремих елементів турбулентності по складних траєкторіях, що переплітаються. Турбулентний характер руху повітря можна добре бачити, спостерігаючи за падінням сніжинок при вітрі. Сніжинки падають не вертикально вниз і не під тим самим кутом до вертикалі. Вони безладно танцюють у повітрі, те злітаючи нагору, те опускаючись, описуючи складні петлі. Це пояснюється саме тим, що сніжинки беруть участь у русі елементів турбулентності, тим самим роблячи цей рух видимим. Турбулентний характер вітру виявляється і при спостереженнях над поширенням диму в атмосфері.

3. Турбулентність виникає внаслідок розходження швидкостей вітру в суміжних шарах повітря. Особливо велика вона в нижніх шарах атмосфери, де швидкість вітру швидко зростає з висотою. Але в розвитку турбулентності бере участь і так називана архімедова, або гідростатична, сила. Окремі кількості повітря піднімаються нагору, якщо їхня температура вище, а стало бути, щільність менше, ніж температура і щільність навколишнього повітря. Навпроти, кількості повітря більш холодні і щільні, чим навколишнє повітря, опускаються вниз. Таке перемішування повітря за рахунок розходжень щільності відбувається тим інтенсивніше, чим швидше падає температура з висотою, тобто чим більше вертикальний градіент температури. Тому можна умовно говорити про динамічну турбулентність, що виникає незалежно від температурних умов, і про термічну турбулентність (або конвекції), обумовленої температурними умовами. Однак у дійсності турбулентність завжди має комплексну природу, і вірніше говорити про більшу або меншу роль термічного чинника в її виникненні і розвитку. Турбулентність із переваженням термічних причин за певних умов більш-менш різко змінює свій «масштаб»: перетворюється в упорядковану конвекцію. Замість дрібних турбулентних вихорів, що рухаються хаотично, у ній починають переважати потужні висхідні рухи повітря типу токів або струмів, із швидкостями порядку декількох метрів у секунду, іноді понад 20 м/с. Такі потужні висхідні струми повітря називають терміками. Ними широко користуються планеристи, годинами знаходячись у повітрі, а про великих птахів нічого вже й говорити. Для них це рідна стихія, в якій вони можуть пересуватись на сотні і тисячі кілометрів. Поряд із ними спостерігаються і низхідні рухи, менш інтенсивні, але захоплюючі великі площі. З такою упорядкованою конвекцією зв'язане утворення потужних хмар вертикального розвитку - купчастих і купчасто-дощових (зливових). Для виникнення конвекції такого роду необхідно, щоб вертикальний градіент температури був близький до 1 °С/100 м або дещо більше того, принаймні до того рівня, починаючи з якого виникають хмари.

24. Тропосфера 1. Атмосфера складається з декількох концентричних шарів, що відрізняються один від іншого по температурних і інших умовах. Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, у якій зосереджено 4/5 усієї маси атмосферного повітря, зветься тропосферою. Для неї характерно спад температури з висотою в середньому на 0,65 °C/100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже уся водяна пара атмосфери і виникають майже всі хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так називаних струменевих течіях у верхній частині тропосфери. Висота, до якої простирається тропосфера, над кожним місцем Землі змінюється день у день. Крім того, навіть у середньому вона різна під різними широтами й у різні сезони року. У середньо річному тропосфера простирається над полюсами до висоти біля 9 км, над помірними широтами до 10-12 км і над екватором до 15-17 км. Середня річна температура повітря в земної поверхні біля 26°С на екваторі і біля -23 °С на Північному полюсі. На верхній межі тропосфери над екватором середня температура біля -70 °С, над Північним полюсом зимою біля -65 °С, а влітку біля -45 °С. Тиск повітря на верхній межі тропосфери відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна маса атмосферного повітря знаходиться саме в тропосфері. Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і клімату біля земної поверхні.

2. Самий нижній тонкий шар тропосфери, товщиною 50-100 м, що безпосередньо примикає до земної поверхні, носить назву приземного шару.

25. Стратосфера і мезосфера 1. Над тропосферою до висоти 50-55 км лежить стратосфера, характерна тим, що температура в ній у середньому зростає з висотою. Перехідний шар між тропосферою і стратосферою (товщиною 1-2 км) зветься носить назву тропопаузи. Вище були приведені дані про температуру на верхній межі тропосфери. Ці температури характерні і для нижньої стратосфери. Таким чином, температура повітря в нижній стратосфері над екватором завжди дуже низька; притім улітку багато нижче, чим над полюсом. Нижня стратосфера більш-менш ізотермічна. Але починаючи з висоти біля 25 км температура в стратосфері швидко зростає з висотою (рис. 2), досягаючи на висоті біля 50 км максимальних, притім позитивних значень (від 1 до 5°С). Внаслідок зростання температури з висотою турбулентність у стратосфері мала. Водяної пари в стратосфері мізерно мало. Однак на висотах 22-27 км спостерігаються іноді у високих широтах дуже тонкі, так називані перламутрові хмари. Вдень вони не значні, а вночі здаються світними, тому що висвітлюються сонцем, що знаходиться під обрієм. Ці хмари складаються із переохолоджених водяних крапель. Стратосфера характеризується ще тим, що переважно в ній міститься атмосферний озон. З цього погляду вона може бути названа озоносферою. Зростання температури з висотою у стратосфері пояснюється саме поглинанням сонячної радіації озоном. 2. Над стратосферою лежить шар мезосфери, приблизно до 85-95 км. Тут температура з висотою падає до декількох десятків градусів нижче нуля (рис. 2). Внаслідок швидкого спаду температури з висотою в мезосфері сильно розвинута турбулентність. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (82-85 км), спостерігаються ще особливого роду хмари, що також висвітлюються сонцем у нічні години, так звані сріблясті хмари. Вони вперше спостерігались в червні 1885 року і потім були описані приват-доцентом В.К. Цераським. Скоріше за все, мабуть, вони складаються з крижаних кристалів, а ядрами конденсації (сублімації) для яких служать частки метеоритної речовини.