Атмосфера. Ее состав, строение и граница

Адвективные туманы возникают в теплых воздушных массах, движущихся на более холодную поверхность. Это значит, что воздушная масса движется из низких широт в высокие, или зимой с теплого моря на холодную сушу, или летом с теплой суши на холодное море, или с теплых участков морской поверхности на холодные (например, у Ньюфаундленда при переносе воздуха из области Гольфстрима в область Лабрадорского течения). Во всех этих случаях туманы носят определенные названия, которые здесь не приводятся.

На суше адвективные туманы наблюдаются чаще всего осенью и зимой, когда существуют особенно значительные различия в температуре между низкими и высокими широтами и когда суша охлаждена в сравнении с морем. Наблюдаются они, как указано, и над морем, причем чаще весной и летом Адвективные туманы простираются в вышину на сотни метров Они возникают при значительных скоростях ветра; поэтому в них может происходить коагуляция капелек, и они принимают моросящий характер: наиболее крупные капельки из них выпадают.

Радиационные туманы различаются  двух типов: поземные и высокие. Поземные туманы наблюдаются только над сушей  в ясные и тихие ночи. Они  связаны с ночным радиационным выхолаживанием почвы или снежного покрова. Вверх  они распространяются невысоко, на десятки метров. Распределение их носит локальный характер: они  могут возникать пятнами, особенно в низинах, вблизи болот, на лесных полянах. Над большими реками они не возникают  вследствие конвекции над теплой (в ночные часы) водой Туманы образуются в тихую погоду; но все же небольшая скорость ветра должна быть для того, чтобы возникла хотя бы небольшая турбулентность, обусловливающая распространение охлаждения и туманообразования вверх.

Поземные туманы возникают  в слое приземной инверсии и после  восхода солнца исчезают вместе с  ней.

Высокие радиационные туманы могут наблюдаться и над сушей, и над морем в устойчивых антициклонах в холодное время года. Это результат  постепенного, день за днем, выхолаживания  воздуха в нижних слоях антициклона. Вследствие турбулентного переноса водяного пара вверх сначала развиваются  слоистые облака на высоте нескольких сотен метров, под инверсией оседания. Затем эти облака распространяются сверху вниз до земной поверхности, и  тогда их уже называют высоким  радиационным туманом. Такой туман  может сохраняться неделями над  большими районами, сплошь их захватывая.

Географическое  распределение туманов

Особенно часты туманы в Арктике: число дней с туманом  в Арктическом бассейне превышает 80. Причиной является, с одной стороны, перенос теплых воздушных масс на холодную поверхность льда, с другой — перемещение холодного воздуха  со льда или с холодной суши на открытую воду. Высока повторяемость туманов  и над водами Южного океана в высоких  широтах.

В умеренных широтах северного  полушария туманами отличается район  Ньюфаундленда (до 80 дней и более). Туманы здесь связаны с переносом  воздуха с теплых вод Гольфстрима  на холодные воды Лабрадорского течения. В субтропических широтах южного полушария особенно богаты туманами (также до 80 дней и более) прибрежные пустыни Южной Африки и Южной Америки и омывающие их воды. Теплый воздух здесь попадает на холодные океанические течения.

Увеличенную повторяемость  туманов мы находим также в  Средней Европе, на берегах Калифорнии, на Атлантическом побережье Южной  Америки, на Мадагаскаре. И в этих областях высокую повторяемость  туманов можно объяснить термическими особенностями подстилающей поверхности, над которой проходят преобладающие  воздушные течения.

Мало туманов во внутренних частях материков, особенно в пустынях, где содержание водяного пара в воздухе  невелико, а температуры высоки. Мало туманов в Сибири и в Канаде. Здесь теплым летом воздух далек  от насыщения, а в холодную зиму влагосодержание  воздуха настолько мало, что даже при насыщении значительные туманы редки. Их интенсивность и повторяемость  увеличиваются зимой в населенных пунктах.

27. Осадки, выпадающие из облаков

При определенных условиях из облаков выпадают осадки, т. е. капельки или кристаллы  настолько крупных размеров, что  они уже не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее известны и важны дождь и снег. Однако имеется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.

Как дождь, так и снег выпадают в основном из облаков восходящего скольжения и из облаков конвекции. В зависимости  от этого и характер выпадения  осадков будет различным.

Из  облаков восходящего скольжения (слоисто-дождевых и высоко- слоистых), связанных с фронтами, выпадают обложные осадки. Это длительные осадки средней интенсивности. Они выпадают сразу на больших площадях, порядка сотен тысяч квадратных километров, сравнительно равномерно и достаточно продолжительно (часами и десятками часов). Осадки отмечаются на всех станциях или на большинстве станций на большой территории; при этом суммы осадков на отдельных станциях не слишком сильно отличаются одна от другой. Наибольший процент в общем количестве осадков в умеренных широтах составляют именно обложные осадки.

Из  кучево-дождевых облаков, связанных  с конвекцией, выпадают ливневые осадки, интенсивные, но малопродолжительные. Сразу же после начала они могут получить большую интенсивность, но так же резко и обрываются. Их сравнительная непродолжительность объясняется тем, что они связаны с отдельными облаками или с узкими зонами облаков. В холодных воздушных массах, движущихся над теплой земной поверхностью, отдельные ливневые дожди иногда продолжаются над каждым данным пунктом всего несколько минут. При местной конвекции летом над сушей, когда кучево-дождевые облака особенно обширны, или при прохождении фронтов ливни иногда продолжаются часами. По наблюдениям в США, средняя площадь, одновременно захватываемая одним и тем же ливневым дождем, около 20км².

При кратковременном выпадении ливневые осадки могут дать и небольшое  количество воды. Интенсивность их сильно колеблется. Даже в одном  и том же случае дождя количество осадков может различаться на 50 мм на расстоянии всего 1—2 км. Ливневые осадки являются основным видом осадков в низких тропических и экваториальных широтах.

Кроме обложных и ливневых осадков, различают  еще осадки моросящие. Это внутримассовые осадки, выпадающие из облаков слоистых и слоисто-кучевых, типичных для  теплых или местных устойчивых воздушных  масс. Вертикальная мощность этих облаков  невелика; поэтому в теплое время  года осадки могут выпадать из них  только в результате взаимного слияния  капелек. Выпадающие жидкие осадки —  морось - состоят из очень мелких капелек. Зимой при низких температурах указанные облака могут содержать  кристаллы. Тогда вместо мороси из них  выпадают мелкие снежинки и так называемые снежные зерна.

Как правило, моросящие осадки не дают существенных суточных количеств. Зимой они не увеличивают заметно снежного покрова. Только в особых условиях, например в горах, морось может быть более интенсивной и обильной.

Формы осадков

Дождь состоит из капель диаметром более 0,5 мм, но не более 8 мм. При более значительных размерах капель они при падении  разбиваются на части. В ливневых дождях величина капель больше, чем в обложных, особенно в начале дождя. При отрицательных температурах дождь иногда выпадает в переохлажденном виде; соприкасаясь с земной поверхностью, переохлажденные капли замерзают, покрывая ее ледяной коркой.

Морось  состоит из капелек диаметром  порядка 0,5—0,05 мм с очень малой  скоростью выпадения; они легко  переносятся ветром в горизонтальном направлении. Снег состоит из сложных  ледяных кристаллов (снежинок). Формы  их очень разнообразны в зависимости  от условий их образования. Основная форма снежных кристаллов — шестилучевая звезда. Звезды получаются из шестиугольных пластинок потому, что сублимация водяного пара наиболее быстро происходит на углах пластинок, где и нарастают лучи; на этих лучах, в свою очередь, создаются разветвления. Диаметры выпадающих снежинок могут быть очень различными, в общем же — порядка миллиметров. Снежинки при выпадении часто слипаются в крупные хлопья. При температурах, близких к нулю и выше нуля, выпадает мокрый снег или снег с дождем. Для него характерны крупные хлопья.

Из  слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков при отрицательных температурах выпадает еще крупа, снежная и  ледяная. Она имеет вид округлых (иногда конусообразных) ядрышек диаметром 1 мм и больше. Чаще всего крупа  наблюдается при температурах, не очень далеких от нуля, особенно осенью и весной. Снежная крупа  имеет снегоподобное строение: крупинки легко сжимаются пальцами. Ядрышки ледяной крупы имеют оледеневшую поверхность; раздавить их трудно, при падении на землю они подскакивают.

Из  слоистых облаков зимой вместо мороси выпадают еще снежные зерна —  маленькие крупинки диаметром менее 1 мм, напоминающие манную крупу.

При низких зимних температурах иногда выпадают из облаков нижнего или среднего яруса ледяные иглы — кристаллы  в виде шестиугольных призмочек и пластинок без разветвлений. При значительных морозах такие кристаллы могут возникать в воздухе вблизи земной поверхности; они особенно хорошо видны, когда сверкают своими гранями, отражая солнечные лучи. Из подобных ледяных игол построены и облака верхнего яруса.

Особый  характер имеет ледяной дождь  в виде прозрачных ледяных шариков  от 1 до 3 ммв диаметре. Это замерзшие в воздухе капли дождя. Их выпадение ясно говорит о наличии инверсии температуры. Где-то над земной поверхностью есть слой воздуха с положительной температурой, в котором выпадающие сверху кристаллы растаяли и превратились в капельки, а под ним — слой с отрицательной температурой, где капельки замерзли.

Летом, в достаточно жаркую погоду, иногда выпадает град в виде более или  менее крупных кусочков льда неправильной формы (градин), от горошины до 5—8 см в диаметре, иногда и больше. Вес градин в отдельных случаях превышает 300 г. Часто они обнаруживают неоднородное строение, именно состоят из последовательных прозрачных и мутных слоев льда. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах и, как правило, вместе с ливневым дождем.

Вид и размеры градин говорят о  том, что градины в течение  своей «жизни» многократно увлекаются то вверх, то вниз сильными токами конвекции, наращивая свои размеры путем  столкновения с переохлажденными каплями. В нисходящих токах они опускаются в слои с положительными температурами, где подтаивают сверху; потом снова  поднимаются вверх и замерзают с поверхности и т. д.

Для образования градин необходима большая  водность облаков, почему град выпадает только в теплое время года при  высоких температурах у земной поверхности. Наиболее часты выпадения града  в умеренных широтах, а наиболее интенсивны — в тропиках. В полярных широтах град не наблюдается. Случалось, что град надолго оставался лежать на земле слоем в десятки сантиметров. Он часто вредит посевам и даже уничтожает их (градобития); в отдельных  случаях от него могут пострадать животные и даже люди. 

31. Характеристики режима осадков

Измерение осадков на метеорологических станциях производится простыми приборами —  дождемерами (осадкомерами). Они собирают осадки, выпадающие на верхнюю, открытую (приемную) поверхность сосуда (ведра) определенной площади. Количество накопленных осадков измеряется особым градуированным стаканом, который показывает толщину слоя выпавших осадков в миллиметрах.

В зимнее время точность показаний  дождемера недостаточна. Турбулентные завихрения, образующиеся около прибора, могут препятствовать попаданию  снежинок в дождемерное ведро  или даже «выдувать» снег из него. С  другой стороны, при ветре в ведро  может попадать снег, поднятый с  поверхности снежного покрова. Для  уменьшения выдувания осадков из дождемера применяются различные  защиты, окружающие дождемерное ведро.

Существуют  и самопишущие приборы — плювиографы, непрерывно регистрирующие прирост  осадков, а также суммарные дождемеры, приспособленные для накопления осадков в течение длительного  времени.

Таким образом, количество осадков, выпавших в том или ином месте за определенное время, выражается в миллиметрах  слоя выпавшей воды. Утверждение, что  выпало 68 мм осадков, означает, что если бы вода осадков не стекала, не испарялась и не впитывалась почвой, она покрыла  бы подстилающую поверхность слоем  толщиной 68 мм.

Твердые осадки (снег и др.) также выражают толщиной слоя воды, который они  образовали бы растаяв.

Одному  миллиметру осадков соответствует  объем выпавшей воды в количестве одного литра на один квадратный метр, или одного миллиона литров на один квадратный километр. В весовых единицах это с достаточной точностью  равно одному килограмму на квадратный метр, или 1000 тонн на квадратный километр.

Для характеристики климата подсчитывают многолетние средние количества (суммы) осадков по месяцам и за год. Иногда подсчитывают осадки по десятидневкам  или пятидневкам. Для выяснения  суточного хода осадков определяют их средние часовые суммы по записям  самописцев. По многолетним средним  месячным суммам осадков определяют их годовой ход.

Кроме средних месячных и годовых сумм, представляет большой интерес изменчивость осадков. По отклонениям месячных и  годовых сумм в отдельные годы от многолетних средних величин  вычисляют среднюю изменчивость и крайние отклонения.

В дополнение к средним суммам осадков  подсчитывают еще среднее число  дней с осадками за месяц и за год, среднюю месячную и годовую  продолжительность осадков в  часах, общую или в течение  дня с осадками. Вычисляют и  вероятность осадков, т. е. отношение  числа часов с осадками к общему числу часов в месяце или в  году. Определяют также вероятность  осадков для различных градаций их количества.

Определяют  еще плотность осадков, т. е. среднюю  интенсивность осадков в миллиметрах  за сутки с осадками, а также  интенсивность осадков в миллиметрах  за минуту или за час для осадков  различной продолжительности.