Атмосфера и погода

Атмосфера — воздушная оболочка Земли. Она пропускает солнечные лучи, удерживает тепло, защищает жизнь от опасного ультрафиолета и метеоритов, создаёт погоду и климат. Без атмосферы поверхность Земли днём сильно перегревалась бы, а ночью сильно остывала. На экзамене часто встречаются расчёты температуры, давления и влажности, виды ветров и различие циклона и антициклона.

§1. Состав и строение

Соотношение азота и кислорода почти постоянно, а содержание водяного пара меняется от 0 до нескольких процентов в зависимости от места и времени. Углекислого газа мало, но он очень важен: это пища растений и парниковый газ, удерживающий тепло. Пылинки служат «ядрами», на которых конденсируется пар.
Слои (снизу вверх):

• Тропосфера — у полюсов 8–10 км, у экватора 16–18 км; основная масса воздуха и почти весь водяной пар, все явления погоды (облака, осадки, ветер).
• Стратосфера — примерно до 50 км; на высоте 20–25 км озоновый слой поглощает ультрафиолет, поэтому в верхней части слоя температура снова растёт.
• Мезосфера — температура снова падает, здесь сгорает большинство метеоров.
• Термосфера — воздух очень разрежен, наблюдаются полярные сияния.
• Экзосфера — внешняя часть атмосферы, переходящая в космос.

Тропосфера толще у экватора, потому что там воздух сильно нагревается и поднимается выше.

§2. Температура воздуха и тепло

Солнечные лучи проходят сквозь атмосферу и нагревают в основном земную поверхность, а воздух нагревается от поверхности. Поэтому в тропосфере с высотой становится холоднее.

Нагрев поверхности зависит от угла падения лучей: при отвесных лучах на малую площадь приходится много энергии. Поэтому от экватора к полюсам температура снижается. Отражательная способность поверхности — альбедо: свежий снег отражает большую часть лучей, тёмная почва и лес много поглощают.
В течение суток максимум бывает после полудня (около 14–15 часов), минимум — перед восходом Солнца. В Северном полушарии на суше самый тёплый месяц обычно июль, самый холодный — январь.

В континентальных районах (Средняя Азия) амплитуда велика, у океана мала, потому что вода медленно нагревается и медленно остывает. Линия, соединяющая точки с одинаковой температурой, — изотерма.

Пример

У подножия (500 м) +26 °C. Какова температура на вершине высотой 3500 м?

1. Разница высот: 3500 − 500 = 3000 м = 3 км.
2. Понижение: 3 · 6 = 18 °C.
3. На вершине: 26 − 18 = 8 °C. Ответ: +8 °C.

Пример

За сутки измерены температуры: +4, +9, +17, +10 °C. Найдите среднюю суточную температуру и амплитуду.

1. Сумма: 4 + 9 + 17 + 10 = 40.
2. Среднее: 40 / 4 = 10 °C.
3. Амплитуда: 17 − 4 = 13 °C. Ответ: средняя +10 °C, амплитуда 13 °C.

§3. Атмосферное давление

Воздух имеет вес и давит на поверхность. Нормальное давление — на уровне моря, на широте 45°, при 0 °C: 760 мм рт. ст. (≈ 1013 гПа). Давление измеряют барометром. С высотой столб воздуха над нами становится тоньше, и давление падает:

Нагретый воздух расширяется, становится легче и поднимается — у поверхности возникает низкое давление; холодный воздух уплотняется и опускается — высокое давление. Точки с одинаковым давлением соединяют изобары.
На Земле чередуются пояса давления: у экватора низкое, около 30° широты (у тропиков) высокое, в умеренных широтах (около 60°) низкое, у полюсов высокое.

Пример

У подножия давление 750 мм, на вершине 690 мм. Какова относительная высота горы?

1. Разница давлений: 750 − 690 = 60 мм.
2. На 1 мм — 10,5 м: 60 · 10,5 = 630 м.
3. Ответ: около 630 м.

§4. Ветер

Ветер — горизонтальное движение воздуха из области высокого давления в область низкого. Чем больше разница давлений, тем сильнее ветер. Из-за вращения Земли сила Кориолиса отклоняет ветры в Северном полушарии вправо, в Южном — влево.

• Пассаты — постоянно дуют от тропических поясов высокого давления к экватору; в Северном полушарии северо-восточные, в Южном — юго-восточные.
• Западные ветры — в умеренных широтах, приносят влажный воздух с океана.
• Муссоны — сезонные ветры: летом с океана на сушу (влажные, дождливые), зимой с суши на океан (сухие). Ярко выражены в Южной и Восточной Азии.
• Бриз — днём с моря на сушу, ночью с суши на море; результат разного нагрева суши и воды.
• Фён — тёплый сухой ветер, спускающийся с гор: опускающийся воздух сжимается и нагревается.
• Местные ветры Узбекистана: гармсиль (горячий сухой ветер), Кокандский и Бекабадский ветры.

§5. Влажность, облака и осадки

• Абсолютная влажность — количество водяного пара в 1 м³ воздуха (г/м³).
• Относительная влажность — отношение имеющегося пара к насыщающему при данной температуре, %:

Тёплый воздух вмещает больше пара: при +20 °C в 1 м³ может быть около 17 г пара, при 0 °C — около 5 г. Если воздух нагревается, насыщающее количество растёт, и относительная влажность падает. Если воздух охлаждается до 100% — начинается конденсация: облака, туман, роса, иней. Осадки — вода, выпадающая из облаков: дождь, снег, град.
Много осадков там, где воздух поднимается: у экватора, на наветренных склонах гор, в циклонах.

• Циклон — в центре низкое давление, воздух стекается к центру и поднимается: облачно, осадки; в Северном полушарии вращается против часовой стрелки.
• Антициклон — в центре высокое давление, воздух опускается и растекается: ясно, сухо, зимой морозно, летом жарко.

Пример

При +20 °C в 1 м³ воздуха может содержаться около 17 г пара. Фактически содержится 8,5 г. Какова относительная влажность?

1. Формула: относительная = абсолютная / насыщающая · 100%.
2. 8,5 / 17 = 0,5.
3. 0,5 · 100% = 50%. Ответ: 50%.

Проверьте себя

1. В каком слое находится озоновый слой?

2. У подножия +18 °C. Какова температура на 2 км выше?

3. У подножия 760 мм, на вершине 718 мм. Относительная высота?

4. Какая погода в циклоне?

5. Абсолютная влажность 6 г/м³, насыщающая 12 г/м³. Относительная влажность?

6. Куда дует бриз ночью?

7. Максимум +31 °C, минимум +12 °C. Амплитуда?

8. Постоянные ветры от тропиков к экватору?

Типичные ошибки

• Помещать озоновый слой в тропосферу — он в стратосфере.
• Считать, что воздух нагревается прямо от Солнца — он нагревается от поверхности, поэтому наверху холодно.
• Путать погоду в циклоне и антициклоне.
• Путать делимое и делитель при расчёте относительной влажности: фактическое количество делят на насыщающее.
• В задаче на давление и высоту делить миллиметры на 10,5 вместо умножения.