Основы физики атмосферы (стр. 5 из 6)

основном определяется средней высотой Солнца (широтой местности), наклоном солнечных лучей. Само слово «климат» имеет греческое происхождение и означает «наклон».

Процессы, определяющие погоду и климат, обусловлены как внутренними факторами и динамикой системы геосфер Земли, так и внешними факторами, прежде всего Солнцем. Прежде чем обсуждать проблемы погоды и климата, рассмотрим превращения солнечной энергии в атмосфере. На рис. 14.5 приведен усредненный радиационно-тепловой баланс в атмосфере, полученный по данным многочисленных измерений. Конечно, относительная величина всех составляющих баланса энергии сильно меняется в зависимости от времени, погодных условий и местности, однако анализ усредненных величин представляет существенный

интерес для физики атмосферы. Отметим, что цифры, определяющие баланс энергии и представленные на рис. 14.5, могут отличаться в различных источниках на 10-20%, что отражает несовершенство современных знаний об энергетическом режиме Земли.

На рис. 14.5 условно изображены два сорта излучения, одно — приходящее от Солнца, с максимумом по интенсивности в оптическом диапазоне, другое — уходящее от Земли. Уходящее излучение содержит как коротковолновое излучение, рассеянное и отраженное атмосферой и поверхностью Земли, так и длинноволновое, связанное с излучением самой планеты. Максимум этого длинноволнового излучения, как отмечалось в гл. 12, лежит в инфракрасной области спектра с длиной волны Л_m = 10 мкм. Если взять за 100% излучение, которое приходит от Солнца, то примерно 31% от него отражается и рассеивается атмосферой сразу: 17% облаками, 6% поверхностью земли и 8% безоблачной атмосферой. Назад уходит примерно 31%, а 69% этого коротковолнового излучения поглощается атмосферой (4% поглощается облаками, а 22% — безоблачной атмосферой) и 43% Землей. В установившемся стационарном Причем атмосфера излучает низкочастотное ИК излучение и вниз, в Землю (67 + 34 = 101%), а Земля излучает в атмосферу 115% ИК излучения + 29% энергии скрытым теплом и турбулентными потоками, что составляет 144% по энергии от падающего излучения. Хотя поток энергии от поверхности Земли превышает 100%, никакого противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, поскольку Земля получает 43% по энергии высокочастотным излучением и 101% (67 + 34 = 101%) низкочастотным ИК излучением от атмосферы, что составляет те же 144%. Таким образом, между поверхностью Земли и атмосферой благодаря парниковому эффекту возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли.

Если приравнять излучаемую Землей энергию равновесному излучению некоторого эквивалентного черного тела, то получим аналогичную (12.3) оценку температуры с дополнительным множителем 1,44^1/4 = 1,1, т.е. температура этого тела будет составлять Т = 280 К. Согласно тем же экспериментальным данным атмосфера излучает в ИК диапазоне 170% (67% — безоблачная атмосфера и 103% — облака) энергии от первичного солнечного излучения. Если сопоставить излучаемую атмосферой энергию

равновесному излучению некоторого эквивалентного черного тела, то аналогично для оценки температуры получим соотношение вида (12.3) с дополнительным множителем 1,7^1/4 = 1,14, что соответствует Т = 290 К. Конечно, атмосфера и поверхность Земли заметно отражают падающее на них излучение, т. е. являются не абсолютно черными, а «серыми» телами, однако при сопоставлении с излучением некоторого эквивалентного черного тела это учитывается соответствующим коэффициентом серости. Полученные оценки довольно близки к реальным средним температурам атмосферы и поверхности Земли. Для более точного анализа необходим учет многих факторов, в частности, неравновесности излучения Земли и атмосферы, процессов переноса излучения, тепла, импульса и т. д.

Проблемы анализа динамики атмосферы и океана, предсказания погоды и климата представляют собой сложный комплекс физических и математических задач. Ранее прогнозы погоды основывались, как правило, на экстраполяции уже зарегистрированных данных. Метеорологи анализировали карты погоды, эволюцию областей высокого и низкого давления, движение и развитие фронтов, распространение облачности и другие подобные факторы и на этой основе давали прогноз. Искусство прогнозирования погоды состоит в учете многих факторов и возможности предвидения изменения состояния атмосферы. В истории метеорологии известно немало лиц, обладавших уникальными способностями в прогнозировании погоды. На основе накопленного опыта они могли определять, как будет в последующие дни меняться давление, положение фронтов и температура. Однако опыт выдающихся прогнозистов практически не передается последующим поколениям метеорологов.

В противоположность этому искусству метеорологов прошлого современная наука прогнозирования основывается на использовании математических моделей атмосферы и океана, поэтому используемые метеорологами современные методы называются численными методами прогноза погоды. Реализация подобных численных методов прогноза погоды стала возможной с 50-х годов XX в., когда появились соответствующие электронно-вычислительные машины. Прогноз состояния атмосферы в данном месте на срок до трех суток осуществляется путем интегрирования уравнений движения и переноса в атмосфере. В таком временном интервале атмосферные процессы можно считать адиабатическими, т.е. пренебрегать притоком энергии извне и диссипацией энергии за счет вязкости. По известному начальному состоянию

атмосферы рассчитываются временные и пространственные изменения. Поэтому для точного прогноза погоды необходима детальная и точная информация о начальном состоянии атмосферы. Требуемые исходные данные поставляет, главным образом, мировая сеть метеостанций и сеть станций радиозондирования атмосферы. Высотные радиозонды, запускаемые на воздушных шарах на высоты до 35 км измеряют температуру, давление, влажность воздуха и передают эту информацию по радио, кроме того, с Земли определяется и скорость ветра по положению радиозонда в пространстве. Станции радиозондирования расположены в основном в экономически развитых странах и отстоят друг от друга на расстояния порядка сотен километров. С начала 60-х годов регулярно запускаются метеорологические спутники, которые регистрируют распределения метеорологических параметров, осуществляют съемки распределений облаков, циклонических систем и т. п. Особо ценны спутниковые данные над океанами, где сеть метеорологических пунктов и станций радиозондирования весьма разрежена. В соответствии с разработанными Всемирной метеорологической организацией международным соглашением метеорологические данные со всего мира передаются в мировые центры данных в Москве, Вашингтоне и Мельбурне, а также во все национальные метеорологические учреждения.

Отметим, что ошибки, которые неизбежно вносятся в математическую модель, главным образом из-за неточности измерений, в процессе расчета имеют тенденцию к росту. Поэтому при расчете параметров состояния атмосферы на неделю или более ошибки, как правило, становятся столь большими, что исчезает возможность прогноза. Для предсказания на длительные сроки температуры, усредненной по времени и пространству, детерминированное описание не дает хороших результатов, и в этих случаях используются статистические методы прогноза, основанные на представлении о линейной регрессии. На возможность того, что малые возмущения начального состояния атмосферы могут привести со временем к существенным изменениям конечного состояния атмосферы и создать проблему предсказуемости, указывал А. Н. Колмогоров более 40 лет назад в следующей образной форме: «Представим себе две одинаковые планеты с совершенно идентичными состояниями атмосферы. Если на одной из них выйти на крыльцо и махнуть платком, а на другой этого не сделать, то через какое-то время погода на этих планетах станет совершенно различной».

В определенном смысле, еще более сложной проблемой является проблема анализа и предсказания климатических изменений. Если в случае предсказания погоды существует возможность постоянного сравнения «теории» (результатов численных расчетов) с «практикой» и последующей корректировки методов прогноза, то для предполагаемых климатических изменений на протяжении десятков, сотен и более лет такая возможность существенно ограничена. Земная климатическая система включает в себя все основные геосферы: атмосферу, гидросферу, литосферу, криосферу и биосферу. Следует отметить сложность структуры и взаимосвязей в земной климатической системе, ее неоднородность, нелинейность и нестационарность.

Облака атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсацииводяного пара в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется туманом. облака — существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. облака покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 109 т воды. Облака являются важным звеном влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.

Образование облаков связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью. Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер конденсации, обеспечивает появление зародышевых капель уже при достижении насыщения. Условия же насыщения создаются в результате охлаждения воздуха, вызванного, например, расширением его при упорядоченном подъеме на фронтах атмосферных (так образуются облака Ns и системы Ns—As—Ac), при неупорядоченном турбулентном перемешивании или волновых движениях (St, Sc, Ac), при конвективном подъеме (Cu, Cu Cong, Cb), при отекании горных препятствий (Ac) и др. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к появлению избыточного пара, который поглощается растущими каплями. Т. о., первоначально капли растут преимущественно за счёт конденсации водяного паратмосфера Затем по мере их укрупнения, всё большую роль начинают играть процессы столкновения и слияния капель друг с другом (т. н. коагуляция облачных элементов). Коагуляционный механизм — основной механизм роста облачных капель радиусом более 30 мкм. При отрицательных температурах облака могут быть капельные (переохлажденные), кристаллические или смешанные, т. е. состоящие из капель и кристаллов. Малые размеры облачных капель позволяют им долго сохраняться в жидком виде и при отрицательных температурах. Так, при —10 °С облака в половине случаев капельные, в 30% — смешанные и лишь в 20% кристаллические. Переохлажденные же капли в облака встречаются вплоть до —40 °С. Пересыщение над кристаллами значительно больше, чем над каплями (насыщающая упругость водяного пара над льдом ниже, чем над водой), благодаря чему в смешанных О. кристаллы растут значительно быстрее капель, что способствует выпадению осадков.