Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Ядра конденсации. Обычно в атмосфере в том или ином количестве во взвешенном состоянии находятся аэрозоли - мельчайшие твердые и жидкие частички, на которых и происходит и конденсация водяного пара. Эти частички и называются ядрами конденсации. В чистом воздухе, лишенном всяких примесей, конденсация водяного пара на наступает даже при перенасыщении его в несколько раз.

Ядрами конденсации над океанами в основном являются частички солей, которые попадают в воздух в больших количествах при испарении брызг морской воды в воздухе. Еще большее число ядер конденсации попадает в атмосферу при распылении почвы,, а также в виде продуктов горения.

Ядрами конденсации над океанами в основном являются частички солей, которые попадают в воздух в больших количествах при испарении брызг морской воды в воздухе. Еще большее число ядер конденсации попадает в атмосферу при распылении почвы, а также в виде продуктов горения.

По своей природе ядра конденсации подразделяются на четыре группы: наземные (частицы вулканической пыли, почвы, пыльца растений и пр.), промышленного происхождения (продукты горения, пары кислот, щелочей, солей и т. д.), частицы морской соли и неизвестные частицы (космические, продукты фотосинтеза и атмосферных химических реакций и пр.).

По размеру ядра конденсации подразделяются на ядра Айткена (10-4 см), метеорологические (от 10-4до 10 -3см) и гигантские (:>10 -3 см). Наиболее активными ядрами являются более крупные частицы, в первую очередь частицы морской соли, капли растворов кислот, щелочей и солей, а также твердые гигроскопические частицы. В 1 см3 воздуха содержится огромное число частиц, способных выполнять роль ядер конденсации. Над промышленными городами средняя концентрация ядер составляет около 150 000 в 1 см3. Сельский воздух содержит таких частиц около 10 000, морской и горный — до 1000 единиц в 1 см3. Вот почему туманы в городах возникают чаще и бывают интенсивнее, чем в сельской местности.

С высотой концентрация ядер конденсации быстро падает и на высотах 10 км, например, составляет не более одного на 1 см3 (т. е. соответствует числу капель в облаках на этих высотах).

Насыщение воздуха водяным паром, приводящее к конденсации, обычно происходит при его охлаждении. Есть еще один очень важный процесс, который иллюстрируется рис. 3.2. Рассмотрим два объема воздуха, представленные точками D и Е. Ни один из них не насыщен водяным паром, но если их тщательно смешать в равных количествах, то смесь будет характеризоваться точкой F и представлять собой насыщенный воздух. Таким образом, можно сделать вывод, что смешение двух различных типов воздушных масс может привести к насыщению и конденсации водяного пара.

Однако чаще насыщение воздуха водяным паром происходит при охлаждении, которое может произойти на контакте с холодной поверхностью или же при подъеме воздуха вверх. В том случае, если воздух соприкасается с поверхностью, температура которой ниже его точки росы, и находится почти без движения, будет образовываться роса или иней. Но если поднимется слабый ветер, охлажденный воздух будет перемешиваться в тонком поверхностном слое. При достаточном охлаждении весь этот слой насыщается водяным паром, в результате чего образуется туман.

Более сильный ветер будет перемешивать более мощный слой воздуха, и поэтому едва ли можно предположить, что вся его масса охладится до точки росы. Следовательно, сильный ветер препятствует образованию тумана. По международной конвенции, о появлении тумана говорят в том случае, если дневная горизонтальная видимость за счет капель воды становится менее 1 км. Если имеется помутнение воздуха, но дальность видимости за счет капель воды несколько превышает 1 км, это явление называют дымкой. Если ухудшение видимости вызывается присутствием в воздухе твердых частиц пыли, такое явление называется мглой. Частицы дыма и твердые частицы пыли, выбрасываемые промышленными предприятиями, уменьшают видимость как непосредственно, так и косвенно в связи с тем, что они представляют собой гигроскопические ядра, способствующие конденсации. Этот густой смешанный туман называется смогом.

Туманы. При конденсации или сублимации водяного пара в воздухе образуются мельчайшие капли воды или ледяные кристаллы. Скопление таких частиц непосредственно у земной поверхности называется туманом, если дальность видимости меньше -1 км, или туманной дымкой, если дальность видимости меньше 10 км.

Туманы представляют серьезную угрозу для мореплавания. Они относятся к часто повторяющимся явлениям, поэтому изучение условий их образования, а также географическое распределение имеют большое практическое значение.

Содержащиеся в воздухе капли воды и кристаллы льда уменьшают его прозрачность, и поэтому дальность видимости в тумане может быть очень малой. В зависимости от интенсивности тумана или дымки по условиям видимости различают:

сильный туман, дальность видимости менее 50 м

умеренный      50-500 м

слабый      500-1000 м

умеренная дымка     1-2 км

слабая       2-10 км

Иногда ухудшение, видимости вызывается присутствием в воздухе твердых частиц пыли, дыма и т. д., при этом относительная влажность бывает небольшой. Такое явление называют мглой. По своему происхождению мгла не имеет ничего общего с туманом.

Радиус частичек дымки менее 1 мкм. Радиус капель тумана колеблется от 1 до 50 мкм. Большинство капель в тумане при положительных температурах имеет радиус 7—15 мкм, при отрицательных 2—5 мкм,. Число капель в 1 см3 колеблется от 50—100 (при слабом тумане) до 500—600 (при сильном тумане).

При положительных и отрицательных температурах воздуха (до —20°С) туман состоит из капель воды (при отрицательных температурах капли находятся в переохлажденном состоянии). При дальнейшем понижении температуры появляются ледяные кристаллы и туман становится смешанным. При очень низких температурах туман может стать целиком кристаллическим, однако наблюдались случаи капельно-жидкого тумана даже при температурах ниже —30°.

В приземных слоях всегда в большом количестве имеются ядра конденсации. Вследствие их высокой гигроскопичности образование тумана начинается при относительной влажности меньше 100% (около 90—95%). Образование тумана при температурах ниже —30°С возможно при относительной влажности 80% и меньше.

Обычно туман образуется в результате охлаждения водяного пара, находящегося в воздухе (туманы охлаждения), реже — вследствие испарения с теплой поверхности в холодный воздух, когда образуются так называемые туманы испарения. Туманы могут возникнуть также при смешении двух воздушных масс, близких к состоянию насыщения, но имеющих разную температуру. В дополнение к перечисленным причинам образования тумана над морем следует упомянуть случаи, когда туман образуется над сушей или ледяными полями и относится, ветром к морю, а также случаи, когда туман образуется в результате опускания слоистых облаков.

Туманы охлаждения делятся на адвективные и радиационные.

Адвективные туманы возникают в теплых воздушных массах, движущихся на более холодную поверхность. На море такие туманы образуются обычно весной и летом, когда воздушная масса перемещается с теплой суши на холодное море, или в любое время года при перемещении воздушной массы с теплых участков морской поверхности на холодные (например, у Ньюфаундленда при переносе воздуха с теплых вод Гольфстрима на холодные воды Лабрадорского течения).

Адвективные туманы занимают обширные пространства и постираются в высоту на сотни метров. Они возникают при значительных скоростях ветра, поэтому в них может происходить коагуляция капель и наиболее крупные капли из них выпадают.

Радиационные туманы образуются над сушей и над районами сплошных льдов, как следствие выхолаживания подстилающей поверхности путем излучения. Возникновение радиационных туманов происходит при ясном небе и небольшом (до 2 м/с) ветре. Ясное небо способствует повышенному радиационному охлаждению, а слабый ветер, вызывает небольшую турбулентность обусловливающую распространение охлаждения и туманообразовання вверх.

Радиационные туманы бывают двух типов: поземные и высокие. Первые возникают в слое инверсии и после восхода Солнца исчезают вместе с ней. Высокие туманы могут наблюдаться и над сушей, и над морем в устойчивых антициклонах в холодное время года в результате постепенного выхолаживания воздуха в нижних слоях антициклонов. Такой туман может сохраняться неделями над большими районами, сплошь их захватывая.

Туманы испарения. Кроме этих двух основных типов существует несколько менее распространенных разновидностей туманов. Паровой туман, или “курение моря”, возникает, когда масса холодного воздуха перемещается над морем и происходит постоянное быстрое испарение водяных паров. Воздух, соприкасающийся с поверхностью моря, получает тепло и одновременно насыщается водяными парами по отношению к температуре поверхностных вод. Затем он поднимается и смешивается с более холодными слоями, которые в очень незначительной степени могут насыщаться водяным паром, так что образуется перенасыщенная смесь и начинается конденсация. Такие туманы обычно стелются очень низко, и, так как для их образования нужно, чтобы разность температур между водой и воздухом была порядка 10 °С, они, как правило, образуются на краю поля пакового льда при направлении ветра со стороны ледового поля.

Туман испарения обычно клубится, но строго локализован над теплой испаряющей поверхностью. Такие туманы возникают в холодную часть года в заливах Мурманского побережья, в районах Одессы, Стамбула.

Фронтальный туман, или туман смешения, образуется на границе между двумя воздушными массами с различными температурой и влажностью, каждая из которых близка к насыщению. Образование такого тумана иллюстрируется линией DFE (рис. 1.5).

Туман склонов (восхождения) образуется вдоль склонов холмов или гор. В действительности это низкие облака, поэтому такой тип туманов лучше рассматривать в главе, посвященной облакам.

Следует отметить, что в природе туманы образуются в большинстве случаев в результате совместного влияния рассмотренных выше факторов, значение каждого из которых в развитии тумана в большой степени зависит от синоптических условий и местных особенностей.

Туманы на морях и океанах носят преимущественно адвективный характер; для их образования необходим приток влажного воздуха на холодную подстилающую поверхность. Такие условия внутри тропической части океанов отсутствуют, и образование туманов характерно поэтому для морей и океанов умеренной и полярной зоны обоих полушарий.

Рис. 1.6. Среднее годовое число дней с туманами. 

 

Общая особенность распределения туманов по земной поверхности — увеличение их повторяемости к высоким широтам (рис. 1.6). Особенно часты туманы в Арктике, где число дней с туманами в году более 80. Причинами тумана здесь являются, с одной стороны, перенос теплых воздушных масс с материков на холодную поверхность моря и льда, а с другой — перемещение холодного воздуха со льда или с холодных материков на открытую воду. Высока повторяемость туманов и над водами, омывающими Антарктиду. В умеренных широтах северного полушария туманы особенно характерны для района острова Ньюфаундленд (до 80 дней в году и более). Высока повторяемость туманов вдоль побережий, омываемых холодными течениями (у западных берегов Северной Америки, на Дальневосточном побережье России). В Северном море и прилегающих к нему проливах повторяемость туманов также велика. Наиболее продолжительны и интенсивны туманы в этом районе в холодную половину года.

В субтропических широтах Южного полушария туманы часто также до 80 дней в году и более образуются над водами, омывающими Южную Америку и Южную Африку, где теплый воздух прибрежных пустынь попадает на холодные океанические течения.

Повторяемость туманов имеет хорошо выраженный суточный и годовой ход. Особенно четко выражен суточный ход повторяемости радиационных туманов: они развиваются ночью, достигают наибольшей интенсивности к утру (во время минимума температуры и максимума относительной влажности) и рассеиваются после восхода Солнца. Туманы других видов усиливаются радиационными процессами, поэтому и общая их повторяемость имеет максимум ночью и минимум днем.

Повторяемость туманов увеличивается с широтой. Наиболее часты туманы в Арктике и у берегов Антарктиды, где число дней с туманами превышает 80—90. Часты туманы в районе Ньюфаундленда, у юго-западных берегов Африки и Южной Америки, у о-ва Мадагаскар и др.

Годовой ход повторяемости туманов зависит от географических условий. В умеренных широтах наблюдается два максимума повторяемости: осенью и весной. При этом над континентами туманы образуются чаще всего осенью, над морями и океанами — весной, когда водная поверхность наиболее холодная.  

 

Облака.

Образование облаков. Облаками называются системы взвешенных в атмосфере и находящихся на некоторой высоте продуктов конденсации водяного пара - капель воды или кристаллов льда, или тех и других.

Облака принадлежат к числу важнейших атмосферных явлений. Состояние погоды в значительной степени характеризуется облачностью. Из облаков выпадают осадки. Облачный покров днем уменьшает приток солнечного тепла и света, а ночью резко ослабляет охлаждение земной поверхности. Тем самым облака сильно влияют на изменение температуры, в частности, на ее суточный ход, препятствуют возникновению заморозков и туманов, ослабляют дневное нагревание.

Облачность имеет важное значение для мореплавателей. Так, если облаков мало или их нет совсем, то можно определить место судна астрономическим путем, определить поправку компаса по светилам. При пасмурном небе эти возможности отпадают; кроме того, уменьшается освещенность, а, следовательно, и видимость, особенно в сумерки и ночью. Различные формы облаков служат важными местными признаками предсказания погоды.

Облака образуются, когда конденсация или сублимация водяного пара происходит на некоторой высоте над земной поверхностью. Облака имеют много общего с туманами, но отличаются от них тем, что располагаются на некоторой высоте и имеют разнообразные внешние формы. Образование облаков происходит главным образом в результате адиабатического охлаждения поднимающегося влажного воздуха; понижение температуры может произойти также вследствие излучения и турбулентного перемешивания.

Отдельные облака существуют подчас очень короткое время, иногда 10—15 мин. Это значит, что возникшие капли, из которых состоит облако, снова быстро испаряются, но даже когда облако наблюдается очень долго, это не означает, что оно состоит из одних и тех же частичек, так как конденсация и испарение происходят непрерывно.

Классификация облаков. Наиболее общей классификацией облаков является их деление на внутримассовые и фронтальные. Внутримассовые облака являются - результатом процессов, развивающихся в одной воздушной массе, фронтальные развиваются в результате движения воздуха на поверхностях раздела воздушных масс различного происхождения и свойств.