Программа наблюдений на метеорологических станциях

Флюгер — прибор для  определения направления и измерения  скорости  ветра. Направление ветра  определяется по положению двухлопастной  флюгарки, состоящей из 2 пластин 1, расположенных углом, и противовеса 2. Флюгарка, будучи укреплена на металлической трубке 3, свободно вращается на стальном стержне. Под действием ветра она устанавливается по направлению ветра так, что противовес направлен ему навстречу ему. На стержень надета муфта 4 со штифтами, ориентированными соответственно основными румбами. По положению противовеса относительно этих штифтов и определяют направление ветра.

Скорость ветра измеряется при помощи отвесно подвешенной  на горизонтальной оси 5 металлической пластины (доски) 6. Доска вращается вокруг вертикальной оси вместе с флюгаркой и под действием ветра всегда устанавливается перпендикулярно потоку воздуха. В зависимости от скорости ветра доска флюгера отклоняется от отвесного положения на тот или иной угол, отсчитываемый по дуге 7. Флюгер ставят на мачте на высоте 10–12 м. от поверхности земли.

 

 

Барическая ступень.

Распределение давления характеризуется  барическим градиентом  , где dp и dz — изменение давления и высоты. Величина обратная барическому градиенту называется барической (или бараметрической) ступенью. Эта величина, обратная вертикальному барическому градиенту, представляет прирост высоты, при котором атмосферное давление падает на единицу. Для практического использования барическую ступень вычисляют по формуле:

,

где, P — давление (гПа);

t — температура () в той же точке, для которой вычисляется барическая ступень;

 — температурный коэффициент  расширения воздуха, равный .

Зная барическую ступень  атмосферного давления, температуру  воздуха и высоту над уровнем  моря в одном из двух пунктов, лежащих  на разной высоте, можно по разности давления в этих пунктах определить разность их высот, а отсюда найти и высоту второго пункта над уровнем моря. Этот способ определения высоты пункта называется барометрическим нивелированием.

Из положения о барической ступени следует важный вывод: в тёплом воздухе, где барическая ступень больше, давление падает с высотой медленнее, чем в холодном воздухе. Поэтому на определённой высоте давление в холодном и тёплом воздухе становится неодинаковым, и тёплые области в атмосфере являются неодинаковыми, и тёплые области в атмосфере являются областями высокого давления, а холодные — областями низкого давления.

 

 

Тепловой баланс земной поверхности.

Нижние слои атмосферы  нагреваются и охлаждаются больше всего путём радиационного и нерадиационного обмена теплом с верхними слоями почвы и воды. Поэтому изменения температуры в нижних слоях атмосферы земной поверхности, следует за этими изменениями.

Земная поверхность, т. е. поверхность почвы или воды (а  также растительного, снежного, ледяного покрова), непрерывно и разными способами получает и теряет тепло. Через земную поверхность тепло передаётся вверх — в почву или в воду.

Во-первых, на земную поверхность  поступают суммарная радиация и  встречное излучение атмосферы. Они в большей или меньшей  степени поглощаются поверхностью, т. е. идут на нагревание верхних слоёв почвы и воды. В то же время земная поверхность излучает сама и тем самым теряет тепло.

Во-вторых, к земной поверхности  приходит тепло сверху, из атмосферы, путём турбулентной теплопроводности. Тем же способом тепло уходит от земной поверхности в атмосферу. Путём теплопроводности тепло также уходит от земной поверхности вниз, в почву, в воду, либо приходит к земной поверхности из глубины почвы и воды.

В-третьих, земная поверхность  получает тепло при конденсации  на ней водяного пара из воздуха  или теряет тепло при испарении  с неё воды. В первом случае выделяется скрытая теплота, во втором теплота переходит в скрытое состояние.

Будем считать земную поверхность  идеализированной геометрической поверхностью, не имеющей толщины, теплоёмкость которой, следовательно, равна нулю. Тогда  ясно, что в любой промежуток времени  от земной  поверхности будет уходить вверх и вниз в совокупности такое же количество тепла, какое она за это время получает сверху и снизу. Естественно, что если рассматривать не поверхность, а некоторый слой земной поверхности, то здесь равенства приходящих и уходящих потоков тепла может и не быть. В таком случае избыток приходящих потоков тепла над уходящими потоками в соответствии с законом сохранения энергии пойдёт на нагревание этого слоя, а в обратном случае — на его охлаждение.

Таким образом, алгебраическая сумма всех приходов и расходов тепла на земной поверхности должна быть равной нулю. Это и выражается уравнением теплового баланса земной поверхности.

Чтобы написать уравнение  теплового баланса, объединим поглощённую радиацию и эффективное излучение в радиационный баланс:

 

Приход тепла из воздуха  или отдачу его в воздух путём  теплопроводности обозначим буквой. Такой же приход или расход путём теплообмена с более глубокими слоями почвы или воды обозначим через . Потерю тепла при испарении или приход его при конденсации на земную поверхность обозначим , где —удельная теплота испарения и — масса испарившейся или сконденсировавшейся воды. Тогда уравнение теплового баланса земной поверхности примет вид:

 

 Уравнение действительно для любого промежутка времени, в том числе и для многолетнего периода.

 

 

Измерение лучистой энергии.

Лучистая энергия Солнца является основным, а практически единственным источником тепла для поверхности Земли и для ее атмосферы. Радиация, поступающая от звезд и от Луны, ничтожно мала по сравнению с солнечной радиацией. Также ничтожно мал и поток тепла, направленный к земной поверхности и в атмосферу из глубин Земли.

Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света, важного для жизни на земной поверхности.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло отчасти  в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Она идет здесь на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от их и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера в свою очередь сами излучают невидимую инфракрасную радиацию. Отдавая эту радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются.

Опыт показывает, что средние годовые температуры земной поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. За историческое время в этих весьма ограниченных изменениях, по-видимому, не было никакой определенной направленности; были лишь колебания около средних значений. Таким образом, если рассматривать Землю за более или менее длительные многолетние промежутки времени, то можно сказать, что она находится в тепловом равновесии: приход тепла уравновешивается его потерей

Но так как Земля (с  атмосферой) получает тепло, поглощая солнечную радиацию, и теряет тепло путем собственного излучения, то можно заключить, что она находится и в лучистом равновесии: приток радиации к ней уравновешивается отдачей радиации в мировое пространство.

Спектральный состав солнечной  радиации

На интервал длин волн между  0,1 и 4 мк приходится 99% всей энергии солнечной радиации. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновых лучей и радиоволн.

Видимый свет занимает узкий  интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,75 мк. Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной лучистой энергии (46%). Почти столько же (47%) приходится на инфракрасные лучи, а остальные 7% — на ультрафиолетовые.

Распределение лучистой энергии  в спектре солнечной радиации до поступления в атмосферу (сплошная линия) и в спектре абсолютно черного тела при температуре 6000° (прерывистая линия). 
Области спектра: УФ — ультрафиолетовая, В — видимая, ИК — инфракрасная. Интенсивность радиации дана в 10 в -3 степени кал/см2 мин. для интервала длин волн 0,01 мк.

Интенсивность прямой солнечной  радиации

Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от солнечного диска, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже Земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием от Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.

Приток прямой солнечной  радиации на земную поверхность или  на любой вышележащий уровень  в атмосфере характеризуется  интенсивностью радиации I, т. е. количеством лучистой энергии, поступающим за единицу времени (одну минуту) на единицу площади (один квадратный сантиметр), перпендикулярной к солнечным лучам. Эту величину называют еще потоком радиации, а также плотностью потока радиации.

Приток прямой солнечной  радиации на горизонтальную поверхность часто называют инсоляцией, хотя этот термин применяется и в более общем значении.

Лучистую энергию можно выразить в единицах любого вида энергии, например в тепловых или механических. Естественно выражать ее в тепловых единицах, потому что измерительные приборы основаны на тепловом действии радиации: лучистая энергия, почти полностью поглощаемая в приборе, переходит в тепло, которое и измеряется. Таким образом, интенсивность прямой солнечной радиации будет выражаться в калориях на квадратный сантиметр в минуту (кал/см2мин). Интенсивность радиации для определенной длины волны λ (вернее, для узкого участка спектра около длины волны λ) будет дальше обозначаться Iλ . Калория на квадратный сантиметр (кал/см2) носит еще название ланглей.

Солнечная постоянная и общий приток солнечной радиации  
к Земле

Интенсивность солнечной  радиации перед вступлением ее в  атмосферу (обычно говорят: «на верхней  границе атмосферы» или «в отсутствии атмосферы») называют солнечной постоянной. Смысл слова постоянная состоит здесь в том, что эта величина не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Она относится к радиации, на которую атмосфера еще не повлияла. Солнечная постоянная, зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем.

Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течение года меняется на ±3,5%. При среднем расстоянии Земли от Солнца солнечная постоянная, по новейшим определениям, с использованием ракетных измерений, равна 2,00±0,04 кал/см2мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см2 мин.

В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 2,6∙10 в 15 степени кал. Чтобы получить такое количество тепла искусственно, нужно было бы сжечь свыше 400 тыс. т каменного угля. Все существующие на Земле запасы каменного угля равноценны тридцатилетнему притоку солнечной радиации к Земле. За 1,5 суток Солнце дает Земле столько же энергии, сколько дают электростанции всех стран в течение года. При этом солнечная радиация, приходящая к Земле, — менее чем одна двухмиллиардная доля всего излучения Солнца.

Несмотря на постоянную потерю огромного количества лучистой энергии, температура Солнца, по-видимому, не понижается. Это объясняется тем, что расход лучистой энергии постоянно пополняется освобождением энергии при термоядерных реакциях преобразования водорода в гелий, происходящих в глубинах Солнца, при очень высоких температурах и давлениях.

Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной  
поверхности

Проходя сквозь атмосферу, солнечная  радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями  к воздуху и переходит в  особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

В результате поглощения и  рассеяния радиации в атмосфере  прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что  было на границе атмосферы. Интенсивность  радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному

В самом лучшем случае, т. е. при наиболее высоком стоянии  солнца и при достаточной чистоте  воздуха, можно измерить на уровне моря интенсивность прямой радиации около 1,5 кал/см2 мин. В горах, на высотах порядка 4-5 км, наблюдалась интенсивность до 1,7 кал/см2мин и более. По мере приближения солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, интенсивность прямой радиации все более убывает.

Поглощение солнечной  радиации в атмосфере

В атмосфере поглощается  сравнительно небольшое количество солнечной радиации, при этом главным образом в инфракрасной части спектра. Это поглощение — избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в  ультрафиолетовой части спектра

В большей степени, но все  же очень мало поглощает солнечную радиацию кислород — в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части.