Учение об атмосфере
Конспекты лекций для студентов экологического факультета 2 курса.
Раздел 1. Введение
Процессы, происходящие в атмосфере, изучаются целым комплексом наук, относящихся к различным областям знаний. Это физика атмосферы и её раздел аэpономия, посвящённый изучению верхних слоёв атмосферы (физических и динамических процессов и химических реакций в мезосфеpе и ионосфеpе), аэpология — учение о методах исследования физических процессов в свободной атмосфере, метеорология и климатология, изучающие процессы и явления, происходящие преимущественно в нижнем слое атмосферы – тропосфере. Атмосферный воздух - важнейший элемент среды обитания, поэтому трудно переоценить роль метеорологии и климатологии при решении экологических проблем.
Метеорологией называется наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и протекающих в ней физических и химических процессах (). Метеорология относится к комплексу геофизических наук, ибо изучение процессов в атмосфере основывается на общих законах физики. Главной задачей метеорологии является описание состояния атмосферы в данный физический момент времени и прогноз ее состояния на будущее.
Климатология - это наука о климате, то есть совокупности атмосферных условий, свойственных тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Климатология изучает закономерности формирования климата, его изменения в прошлом и будущем. Поэтому климатология по существу является географической наукой. Климатология тесно связана с метеорологией, ибо понимание закономерностей формирования климата возможно лишь на основе понятий и законов метеорологии.
Происходящие в атмосфере процессы постоянно изменяют ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30-40 км в данный момент времени называется погодой. Погода характеризуется метеорологическими величинами и атмосферными явлениями.
В каждой точке поверхности земли погода в разные годы меняется по-разному. Однако при всех различиях отдельных дней, месяцев и лет каждую местность можно охарактеризовать определенным климатом, который называют локальным. Под локальным климатом понимают совокупность атмосферных условий за многолетний период, свойственный тому или иному месту в зависимости от его географической обстановки. Локальный климат является одной из физико-географических характеристик местности. Глобальным климатом называется статистическая совокупность состояний, проходимых системой атмосфера - океан – суша – криосфера –биосфера за периоды времени в несколько десятилетий. Глобальный климат определяет устойчивость локального климата, географические закономерности распределения локальных климатов. Колебания климатической системы неизбежно ведут к изменениям локальных климатов и преобразованиям всей географической оболочки Земли.
Фактические сведения об атмосфере, погоде и климате получают из наблюдений, анализ которых служит в метеорологии и климатологии для выявления причинных связей в изучаемых явлениях.
Кроме наблюдений за процессами, происходящими в атмосфере, в метеорологии применяют натурный эксперимент и методы математического моделирования. Результаты наблюдений наносятся на синоптические карты, результаты статистической обработки данных наблюдений и результаты математического моделирования и прогнозирования наносят на климатические карты.
Метеорологические наблюдения — это измерения метеорологических величин и качественные оценки атмосферных явлений.. Метеорологическими величинами являются температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков. К атмосферным явлениям относят туманы, метели, грозы, пыльные бури, такие оптические явления как радуга, венцы, голубой цвет неба. Осуществляется также измерения и наблюдения за природными явлениями и характеристиками, тесно связанными с метеорологическими элементами и важными для деятельности человека. Это температура почвы, или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния, иногда осуществляют наблюдения над солнечным и земным излучением, атмосферным электричеством.
Метеоpологические наблюдения над состоянием атмосферы осуществляются и для высоких слоев атмосферы. В этом случае они носят название аэpологических (до высот в 40 км) и аэpономических (для 40 и выше км). По методике они отличаются от обычных метеорологических и осуществляются с помощью специальных зондов и ракет.
Метеорологические наблюдения осуществляются по определенной программе в строго фиксированные сроки на специальных станциях, размещенных по всему земному шару. Самым важным условием проведения инструментальных наблюдений в различных точках земного шара является их единообразие. Это необходимо для того, чтобы все получаемые при наблюдениях данные отражали реально существующие особенности в физическом состоянии атмосферы, а не являлись спецификой наблюдений или приборов и были сопоставимы между собой. .Наиболее полная программа наблюдений осуществляется в метеоpологических и аэpологических обсерваториях, но их немного. Основной массив данных поступает в результате наблюдений на метеорологических и аэpологических станциях, которые работают по единой методике, однотипным приборам и делают наблюдения в определенные часы суток (синхронно). Эти наблюдения проводятся в 00, 03, 06, 09,12, 15, 18, 21 час по единому - гринвичскому времени. Результаты метеорологических наблюдений передаются в органы службы погоды, где они служат основой для составления синоптических карт и прогноза погоды.
На метеостанциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины:
· температура воздуха на высоте 2 м над земной поверхностью;
· атмосферное давление;
· влажность воздуха - парциальное давление водяного пара и относительная влажность;
· ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10-12 м над земной поверхностью (скорость ветра и его направление);
· количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, снег, морось и т.д.);
· облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков, высота нижней границы облаков;
· наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на
предметах (роса, иней, гололед);
· горизонтальная видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;
· продолжительность солнечного сияния;
· температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве;
· состояние поверхности почвы; высота и плотность снежного покрова.
Регистрируются также атмосферные явления: метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, полярные сияния, радуга, миражи.
На береговых метеостанциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. На морских судах программа наблюдений почти такая же, как на сухопутных метеостанциях. В программу специализированных станций, таких как агрометеорологические, авиационные, включают ряд дополнительный наблюдений, связанных с производственной необходимостью.
Кроме метеостанций, наблюдения осуществляются на метеопостах, на которых регистрируется в основном количество осадков и высота снежного покрова и в обсерваториях, в программу которых входят наблюдения над солнечной радиацией, земным излучением, отражательными свойствами земли и воды, наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах, измерение содержания аэрозольных примесей и ионизацией воздуха.
На метеостанциях используются однотипные, простые в использовании и калиброванные приборы, которые обеспечивают сопоставимость получаемых измерений. Метеоприборы устанавливаются на метеоплощадках под открытым небом или в метеобудке. Для определения многих величин используют самопишущие приборы, которые позволяют осуществлять непрерывную автоматическую регистрацию наблюдений метеорологических величин. Метеостанции каждой страны образуют единую государственную метеорологическую сеть, которая является частью метеорологической службы страны. В настоящее время метеостанции образуют систему в несколько тысяч станций на суше и на моpе (коpабли погоды). Все они объединены pадиосвязью, с помощью которой информация поступает в региональные и мировые центры погоды (Москва, Вашингтон и Мельбуpн). Кроме метеостанций в метеослужбу входят специализированные станции, оперативные и научные метеорологические учреждения. Задачами государственной метеорологической службы являются;
· развитие научных исследований атмосферы;
· практическое обслуживание потребностей хозяйства и населения информацией о погоде и климате;
· составление и распространение прогнозов погоды и прогнозов опасных явлений погоды.
В России во главе метеослужбы стоит Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторнигу окружающей среды (Росгидромет). В его систему, кроме сети станций, входят научно-исследовательские институты, гидрометеорологические центры, обсерватории, авиаметеорологические станции, центры по изучению и контролю загрязнения природной среды. Научно-исследовательские институты системы Росгидромета специализируются в различных областях метеорологии. Главная геофизическая обсерватория имени близ С.-.Петербурга, основанная в 1849 году, отвечает за климатические исследования и службу контроля загрязнений атмосферы, Российский гидрометеорологических центр в Москве, созданный в 1930 году, - за все виды метеорологических прогнозов, Центральная аэрологические обсерватория в г. Долгопрудном - за методы аэрологических исследований, Российский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации в г. Обнинске - за хранение, систематизацию и распространение гидрометеорологической информации. Организацией Академии наук и Росгидромета является Институт глобального климата и экологии, задача которого - наблюдения за изменениями климата и окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий.
Метеорологическая служба каждой страны тесно сотрудничает с метеослужбами других стран, обмениваясь информацией и согласовывая методику метеорологических наблюдений.
В ограниченных пределах в метеорологии применяется натурный эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеивания туманов путём физико-химических воздействий на них, воздействия на грозовые облака с целью пpедупpеждения выпадения града.
В последние годы стали применяться методы математического моделирования некоторых атмосферных процессов. Моделирование опирается на физико-математический анализ атмосферных процессов, которые, являясь физическими по своей природе, описываются законами общей физики. Опираясь на эти законы, в частности на законы движения в сплошной среде, составляются дифференциальные уравнения, описывающие те или иные атмосферные процессы. Затем, используя фактические данные в качестве начальных, решают эти уравнения численными методами с помощью ЭВМ. При этом учитывают, что в силу сложности атмосферных процессов, точного их описания одной системой уравнений составить невозможно, поэтому равнения упрощают путем построения моделей атмосферы различной сложности, в которых сохраняют главные факторы, определяющие атмосферные процессы. Таким путем находят количественные закономерности атмосферных процессов и прогнозируют их развитие. Модельная картина сравнивается с фактической и на этом основании судят о степени правильности описания реальной атмосферы. Этот метод моделирования приобрел сейчас широкое распространение и используется как в прогнозе погоды, так и в теории климата.
Результаты наблюдений на больших теppитоpиях, сделанные в один и тот же момент, наносятся на карты, называемые синоптическими. Они позволяют видеть, как распределялись условия погоды и, следовательно, каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент времени на большой теppитоpии. При нанесении на картографическую основу результатов статистической обработки многолетних наблюдений получают климатологические карты.
Современные науки об атмосфере, и, прежде всего, научная метеорология берут свое начало с 17 века, когда были заложены основы физики, частью которой являлась в то время метеорология. Г.Галилеем и его учениками были изобретены термометр, барометр, дождемер, что дало возможность осуществлять первые инструментальные наблюдения, а уже в середине 18 века считал метеорологию самостоятельной наукой со своими методами и задачами. Во второй половине 18 века по частной инициативе было создано Маннгеймское метеорологическое общество, которое основало в Европе сеть из 39 частных метеорологических станций (в том числе три в России - в С.-Петербурге, Москве и на Пышменском заводе на ура), укомплектованных единообразными и проградуированными приборами. Эта сеть существовала 12 лет и результаты ее работы опубликованы. Первые государственные метеостанции возникают в середине 19 века, одновременно организовываются первые метеорологические институты, в том числе Главная физическая (ныне геофизическая) обсерватории в Петербурге (1849 г). Ее первому директору принадлежит историческая заслуга организации в России образцовой государственной метеорологической сети. Данные наблюдений первых метеостанций и изучение конкретной географической обстановки позволили русскому географу и метеорологу выявить тесные связи между географической обстановкой и климатом и обосновать многие положения современной климатологии.
В 20-ом веке развитие метеорологии шло нарастающими темпами - совершенствовались приборы, росла сеть метеостанций, были достигнуты большие успехи в области динамической метеорологии, в аэрологических и актинометрических исследованиях. В СССР, США, Норвегии появились новые подходы к климатическим исследованиям, большой вклад в которые внесли , , ).
К концу ХХ столетия мировое метеорологическое сообщество достигло выдающихся успехов. К таким успехам можно отнести:
· научные достижения в понимании глобальных атмосферных процессов и динамики атмосферы, в математическом описании поступающей от Солнца радиации, переноса, отражения, поглощения коротковолнового и длинноволнового излучения, процессов конденсации и испарения, таяния/замерзания осадков, механизмов перемешивания воздушных масс, включая конвекцию и турбулентность, процессов взаимодействия с сушей и океаном;
· разработку в ряде стран глобальных, региональных и мезомасштабных гидродинамических численных моделей общей циркуляции атмосферы, позволяющих прогнозировать поля метеорологических элементов на 5-7 суток с приемлемой для многих потребителей точностью;
· создание в крупных метеорологических центрах, оснащенных мощной вычислительной техникой уникальных технологий, позволяющих внедрить эти модели в оперативную практику;
· создание и организацию непрерывного функционирования глобальных международных систем наблюдений, телесвязи и обработки данных, позволяющих осуществлять наблюдение за погодой, передачу данных наблюдений в метеорологические центры и распространение продукции в прогностические центры Национальных метеорологических служб.
Атмосферные процессы не имеют государственных границ, поэтому для их изучения необходимо тесное сотрудничество ученых всех стран. Международное сотрудничество в области метеорологии началось во второй половине 19 века. В 1873 году в Вене состоялся Первый Международный метеорологический конгресс, принявший решение о унификации метеорологических приборов и наблюдений и обмене информацией. Этот конгресс заложил основы будущей Всемирной метеорологической организации (ВМО). Второй Международный метеорологический конгресс одобрил решение о проведении Международного полярного года (1882-1883), первого комплексного исследования полярных территорий. В 1932-33 годах эти работы были продолжены (Второй Международный полярный год). В этот год особое внимание уделялось исследованию Арктики, которая в то время рассматривалась как «кухня погоды». Впервые для исследования верхних слоев атмосферы был использован изобретенный радиозонд.
Необходимость стандартизации наблюдений, обмена метеорологической информацией, унификации форм оперативного обслуживания метеорологической информацией и прогнозами привели после Второй мировой войны к официальному созданию Всемирной метеорологической организацией (ВМО) - специализированного межправительственного агентства Организации объединенных наций. Высшим органом этой организации является Конгресс, который собирается раз в четыре года и Исполнительный совет, состоящий из 26 директоров национальных метеорологических или гидрометеорологических служб. ВМО представляет собой комплексную систему, состоящую из национальных средств и услуг, которые принадлежат отдельным странам, являющимися членами ВМО. Члены ВМО берут на себя соответственно своим возможностям обязательства по согласованной схеме с тем, чтобы все страны могли получать выгоды от объединенных усилий. В рамках ВМО создана международная прогностическая индустрия, состоящая из мировых (ММЦ) и региональных (РМЦ) метеорологических центров оборудованных современными средствами и технологиями за счет стран, взявших на себя добровольные обязательства по функционированию таких центров. Продукция мировых и региональных метеорологических центров в виде численных анализов и прогнозов метеорологических полей представляется для использования всем членам ВМО через их национальные метеорологические центры (НМЦ).
Важнейшими задачами ВМО являются поддержание на должном уровне функционирования Всемирной службы погоды (ВСП), у истоков которой стояли два знаменитых метеоролога - В.А..Бугаев (СССР) и Г.Векслер (США), а также Всемирной климатической программы, которая изучает изменения климата под воздействием естественных и антропогенных факторов и возможные последствия этих изменений для жизни на Земле. Под эгидой ВМО и на основе международного сотрудничества реализуются крупные международные программы, направленные на изучение особенностей формирования погоды в различных регионах Земного шара. Так, в 1957-58 года была реализована программа Международного геофизического года. В этот период комплексными исследованиями была охвачена вся планета, многие из начатых тогда исследований продолжались в последующие десятилетия. Реализация этой программы поставила целый ряд проблем, которые были синтезированы в крупнейшем международном проекте – Программе исследований глобальных атмосферных процессов (ПИГАП, 1978-1979 гг.). В эту программу входили крупнейшие подпрограммы – Тропический, Полярный, Комплексный энергетический, Муссонный эксперименты. При реализации этой программы были задействованы новейшие системы сбора и обработки информации, полярноорбитальные и геостационарные спутники, самолеты-лаборатории, аэростаты, дрейфующие и стационарные буи, более 30 научно-исследовательских судов
Во второй половине 20 века огромное значение приобрели проблемы загрязнения атмосферы и распространения примесей как естественного, так и антропогенного происхождения. Во многих станах были созданы специальные службы контроля за состоянием атмосферного воздуха, В России эта служба была создана под руководством и (Росгидромет).
Всю совокупность деятельности метеоpологических служб стран мира, включающей в настоящее вpемя также значительные объёмы информации, поступающей из космоса, со специализиpованных спутников, можно pассматpивать как глобальный монитоpинг погоды и в целом состояния атмосфеpы. Данные этого монитоpинга являются неоценимой инфоpмацией для экологии, а сама система монитоpинга - пpообpазом систем глобального монитоpинга за состоянием отдельных сфеp Земли - гидpосфеpы, биосфеpы и т.д.
