Лекции по "Навигационной гидрометеорологии"

Умение работать с картами погоды и знание визуальных (местных) признаков погоды позволит самостоятельно прогнозировать погоду в своем районе промысла или на маршруте перехода и корректировать полученные прогнозы с берега.

На следующем этапе нашей работы мы приступим к изучению той части НГМ, которая касается непосредственно метеорологии. Вспомним, что метеорологией называется наука об атмосфере – воздушной оболочке земли. Наблюдения ведутся на метеорологических станциях и постах, где фиксируются метеорологические величины и атмосферные явления.

Методы и средства изучения атмосферы и океана

Методами исследования атмосферы и океана являются:

1. Натурные наблюдения (основной метод). Они производятся:

- на опорных  гидрометеостанциях (ГМС), которых насчитывается  около 10 тыс., и временных, к которым  относятся и станции на судах, находящихся в море.

-в экспедициях, которые проводят комплексные  исследования атмосферы и океана  с научно-исследовательских судов  и на полярных станциях;

- с искусственных  спутников Земли (ИСЗ).

2. Эксперимент. К  числу метеорологических экспериментов  относятся опыты осаждения облаков и рассеяние туманов путем различных физико-химических воздействий на них. Такие опыты предусматривают практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, сооружение плотин в морских проливах, орошение местности и т.п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха, тем самим и они в которой степени являются средствами метеорологического эксперимента.

3. Синоптический метод. На карту  условными значками наносятся результаты натурных наблюдений опорной сети ГУС за один и тот же срок. Такая карта называется синоптической. Она позволяет видеть, как распределились условия погоды и каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных сроков наблюдений можно проследить развитие атмосферных процессов во времени и пространстве и делать выводы о будущей погоде. В основу этого метода положено учение о погодообразующих системах атмосферы: воздушных массах, атмосферных фронтах, циклонах, антициклонах.

4. Теоретический метод. На основе  законов физики составляются  системы дифференциальных уравнений, описывавших атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения  исходные натурные данные, полученные из наблюдений, решив систему уравнений, можно найти количественные значения атмосферных параметров на будущее, т.е. спрогнозировать их значение.

5. Климатология. Оперирует многолетними  данными, например: средняя температура, среднее количество осадков, дни с туманами и т.п. Если нанести на карты результаты статистической обработки многолетних наблюдений, то получим климатологические карты. Климатологические карты облегчают дальнейший анализ фактов, позволяют делать выводы о пространственном распределении особенностей или типов климата. Главное их назначение - выбор наиболее выгодных морских путей и сроков промысла. 

 

Вопросы для самопроверки

1. Какие задачи решает навигационная  и промысловая гидрометеорология?

2. Какова роль отечественных  и зарубежных мореплавателей  в развитии гидрометеорологических  знаний?

3.Международная организация метеорологической  службы и ее функции. Основные  задачи гидрометеорологического  обеспечения морского и рыбопромыслового  флота СССР.

4. Что представляют собой судовые  гидрометеорологические наблюдения?

К оглавлению. 

 

ЧАСТЬ 1. НАВИГАЦИОННАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ

1. ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИИ

1.1. Общие сведения об атмосфере

1.1.1. Состав и строение атмосферы

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, ее нижней границей является земная поверхность, точной верхней границы указать нельзя, так как плотность атмосферы, непрерывно убывая, с высотой приближается к плотности вещества межпланетного пространства. Поэтому о высоте атмосферы можно говорить лишь условно. По последним данным разреженные слои атмосферы простираются до высоты 1500-2000 км, - выше  этого расположена магнитосфера. В противоположную от солнца сторону простирается так называемый "газовый хвост", шлейф магнитосферы длиной на многие сотни тысяч километров. В целом атмосфера — система не замкнутая. Масса атмосферы составляет 5,3 1015 т. Это в миллион раз меньше массы Земли и в 250 раз меньше массы гидросферы.

Небольшая толщина основного слоя атмосферы приводит к тому, что вертикальные масштабы процессов в ней значительно меньше горизонтальных. Атмосферу следует рассматривать как тонкую воздушную плену вокруг земного шара.

Состав воздуха, его физические характеристики

Воздух представляет собой механическую смесь газов. До высоты около 100 км, в пределах слоя, называемого гомосфера, процентное соотношение газов в сухом воздухе остается таким же, как у земной поверхности: азота (N2) - 78,08%; кислорода ( 02 ) - 20,95%; аргона (Ag) - 0,93%, остальные 0,04% приходятся на различные природные (водород, гелий, озон и др.) и промышленные газы.

Постоянство состава атмосферного воздуха объясняется перемешиванием атмосферы в этом слое.

Водяной пар (Н2О), его количество в атмосфере колеблется от 0 до 7%. Поднимаясь вверх, водяной пар конденсируется, поэтому его количество с высотой быстро уменьшается и выше 10-15 км содержание водяного пара ничтожно. Роль водяного пера в атмосфере большая, так как, во-первых, при его конденсации образуются облака; во-вторых, переход воды из одного агрегатного состояния в другое сопровождается поглощением (выделением) большого количества тепла и, в-третьих, водяной пар сильно поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности и атмосферы. Все эти процессы оказывают существенное влияние на тепловой режим системы Земля-атмосфера.

Углекислый газ (СО2) поступает в атмосферу при процессах окисления. В крупных промышленных центрах его количество может достигать 0,05 %, В среднем у поверхности Земли количество углекислого газа около 0,033 %. Углекислый газ хорошо поглощает длинноволновую тепловую радиацию, усиливая тепличный эффект. Считают, что увеличение углекислого газа в атмосфере приведет к повышению температуры воздуха. Углекислота энергично потребляется растениями при фотосинтезе. Значительное количество углекислого газа поглощается океаном, в котором его растворено примерно в 50 раз больше, чем находится в атмосфере.

Растворимость углекислоты, как и всякого газа, в морской воде убывает с ростом температуры, поэтому холодные течения, идущие из полярных в тропические широты, выделяют в воздух некоторое количество СО2 и повышают в тропиках его концентрацию, а теплые течения, охлаждающиеся в высоких широтах, поглощают СО2 из атмосферы, уменьшая его концентрацию.

Кроме того, в течение года в северном полушарии концентрация СО2 уменьшается детом от мая к октябрю из-за поглощения его растениями в вегетационный период.

Озон (О3) составляет в атмосфере в среднем 4*10-5%. В нижних слоях атмосферы образуется при грозовых разрядах и при окислении некоторых органических веществ, в верхних слоях - в результате фотохимического действия ультрафиолетовых лучей солнца на кислород. При этом молекулы кислорода разлагаются на атомы; соединяясь с молекулярным кислородом они образуют озон. Затем он вновь превращается в кислород в результате реакций с различными компонентами атмосферы.

Озон образуется, в основном, в экваториальной зоне в верхней стратосфере, а затем переносится к полюсам, где он может накапливаться особенно интенсивно зимой. Более 90 % озона сосредоточено в слое, удаленном от поверхности нашей планеты на 10-50 км с максимальной концентрацией на высотах 20-35 км. Слой этот иногда называют -озоносферой. Если весь озон в вертикальном столбе атмосферы привести к температуре 0 °С и давлению 1000 гПа, то толщина слоя окажется в пределах 2 мм на экваторе и до 4 мм в полярных областях. Основным, весьма важным для жизни на Земле, свойством озона является его способность поглощать ультрафиолетовые лучи Солнца, губительные для живой клетки.

Аэрозоль. Совокупность взвешенных в атмосферном воздухе частичек объединяют под общим названием "аэрозоль". Это взвешенные в воздухе капли воды, кристаллы льда, частички морской соли, золы и пыли. С высотой количество частичек значительно убывает. Некоторые из них (продукты неполного сгорания, соль морской вода и т.п.) обладают свойством собирать (абсорбировать) на себе влагу, такие частички называют ядрами конденсации, они играют роль центров при образования водяных капель из пара.

В верхних слоях атмосферы (выше 100 км) в гетеросфере под влиянием ультрафиолетового излучения происходит диссоциация молекул кислорода на атомы, и на высотах более 100 км кислород почти полностью диссоциирован. Вследствие этого относительная молекулярная масса воздуха начинает уменьшаться с высотой. Предполагается, что выше 400-500 км все газы, составляющие атмосферу, находятся в атомарном состоянии. Здесь наблюдается значительная ионизация газов.

Строение атмосферы по вертикали

Наиболее часто атмосферу по вертикали делят на слои по значению вертикального градиента температуры. По этому признаку в атмосфере выделяется пять основных слоев-сфер: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Между ними имеются небольшие по толщине переходные слои-паузы: тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза (рис. 2).

Тропосфера - нижний слой атмосферы, прилегающий непосредственно к земной поверхности. Высота ее в высоких широтах 6-7 км; в средних - 10-12 км в тропиках - 17-18 км.

Рис. 1.1. Строение атмосферы 

 

Характерной особенностью тропосферы является уменьшение температуры с высотой: в среднем она понижается на 0,66 К на каждые 100 м. Но в тропосфере встречается и слои, в которых температура с высотой не меняется или даже растет. Эти слои называется изотермическими и инверсионными - соответственно.

В тропосфере образуется туманы, облака, осадки, так как здесь содержится почти весь водяной пар.

Тропопауза - переходный слой к стратосфере, характеризуется изотермией. Ниже тропопаузы наблюдается максимальные скорости ветра в виде струйных течений. Высота тропопаузы испытывает периодические (сезонные и суточные) и непериодические колебания, связанные с похолоданиями и потеплениями в тропосфере.

Стратосфера (11-50 км) - слой над тропосферой, в котором температура на высоте до 25 км постоянная, а выше и до ее верхней границы (50 км) растет и повышается в среднем до 0 °С. Это объясняется поглощением ультрафиолетовой радиации озоном, основная масса которого находится в этом слое.

В стратосфере водяного пара очень мало и облака там не образуются. Однако на высотах 22-27 км иногда появляется тонкие светящиеся ночью облака, называемые перламутровыми. Эти облака никакого отношения к погоде не имеют.

Стратосфера сверху ограничивается стратопаузой.

Мезосфера (50-80 км) - слой над стратосферой с верхней границей - мезопаузой, находящейся примерно на высоте 80 км. Здесь наблюдается понижение температуры с высотой в среднем 0,3 К на 100 м и на верхней границе она равна в среднем - 85-90 °С. Это самая низкая температура на Земле. Для мезосферы так же как и для тропосферы, характерна значительная турбулентность и вертикальное перемешивание воздуха, плотность которого здесь незначительна.

Вблизи верхней границы мезосферы в сумерки летом при ясной погоде наблюдаются блестящие тонкие облака, ярко освещаемые солнцем, находящимся за горизонтом, которые называются серебристыми.

Термосфера (90-450 км)- очень мощный слой, расположенный выше мезопаузы. Для термосферы характерен рост температуры с высотой, который связан с поглощением солнечной энергии атмосферным кислородом; на высоте 200-250 км она достигает от 1000 до 2000 К. Однако следует помнить, что тело, помещенное в весьма разреженной (в 1012-1014раз) газовой среде этого слоя, не может принять температуру окружавшего воздуха, так как общая энергия разреженного газа очень мала. Здесь термодинамическое значение температуры теряет смысл. Температуру в данном случав не измеряют, а вычисляют. Переходный слой между термосферой и вышележащей экзосферой называют термопаузой.

Экзосфера - слой выше термосферы, ее характерной чертой является рассеяние атомов атмосферных газов в ее верхней части в межпланетное пространство. В основном наблюдается рассеяние наиболее легких газов - водорода и гелия, которые могут достигать критической скорости (11,2 км/с) и, преодолевая силу земного тяготения, ускользать из атмосферы, поэтому экзосферу называют также сферой рассеяния.

По электрическому состоянию атмосферу делят на две части:

- относительно плохо проводящую - нижние слои до высот примерно 40 км - нейтросферу;

- ионизированную область выше 60-30 км - ионосферу.

Ионосфера состоит из ряда слоев-областей (D, Е, F1, F2,), в которых наблюдаются максимумы концентрации ионов. Каждый из этих слоев играет определенную роль при распространении радиоволн различной длины.

Отражение средних и коротких волн от областей ионосферы к Земле и затем от Земли снова к ионосфере, повторение этих циклов способствует распространению радиоволн на большие расстояния вдоль поверхности Земли. Ультракороткие волны (УКВ) длиной менее 10 м почти пронизывают ионосферу и используются для радиосвязи со спутниками и космическими кораблями. В полярных и околополярных областях высокие слои атмосферы под влиянием бомбардировки корпускулярными потоками Солнца начинают светиться, возникают полярные сияния. Верхняя граница полярных сияний может находиться на высоте 2000-1200 км, а нижняя всего на 60 км.