Ветры и грозы в атмосфере Земли


Л.В. ТАРАСОВ





                ВЕТРЫ И ГРОЗЫ
                В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ











Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

    Л.В. Тарасов
      Ветры и грозы в атмосфере Земли: Учебное пособие / Л.В. Тарасов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 280 с.
      ISBN 978-5-91559-112-6

      В учебно-популярной форме рассматривается богатая картина никогда не прекращающихся движений и превращений воздушных масс в атмосфере нашей планеты. Описываются и объясняются циркуляции воздушных масс (глобальные и местные ветры, циклоны и антициклоны, тайфуны и смерчи), фазовые переходы в атмосфере (образование туманов и облаков и выпадение осадков), электричество в атмосфере (токи хорошей погоды, грозы, линейные и шаровые молнии, а также спрайты, синие струи, эльфы).
      Для школьников, преподавателей, студентов, лекторов.


























ISBN 978-5-91559-112-6

      © 2011, Л.В. Тарасов
      © 2011, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ














Предисловие.............................................. 5

Глава 1
ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В АТМОСФЕРЕ.....................8
   1.1. Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения).....................................8
   1.2. Конвекция и ветер................................28
   1.3. Эоловые геологические процессы...................46
   1.4. Общая циркуляция атмосферы.......................58
   1.5. Циклоническая деятельность атмосферы.............71
   1.6. Тропические циклоны (тайфуны и ураганы)..........87
   1.7. Смерчи (тромбы, торнадо)........................101

Глава 2
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АТМОСФЕРЕ............................114
   2.1. Оксид водорода в земной атмосфере...............114
   2.2. Нарушения равновесия в системе водяной пар-вода.131
   2.3. Туманы..........................................142
   2.4. Образование облаков и выпадение осадков.........151
   2.5. Атмосферные осадки..............................165
   2.6. Метели..........................................183

Оглавление

Глава 3

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В АТМОСФЕРЕ..................194

    3.1. Атмосферное электричество.........................194
    3.2. Огни святого Эльма — коронный разряд в атмосфере..203
    3.3. Грозовое облако...................................211
    3.4. Линейная молния — искровой разряд в атмосфере.....221
    3.5. Шаровая молния....................................232
    3.6. Высотные грозовые разряды в атмосфере: спрайты и джеты........................................253
    3.7. Экскурс в ионосферу земли.........................266

            ПРЕДИСЛОВИЕ










           Мы живем на дне воздушного океана, называемого земной атмосферой. Этот океан своеобразен: у него нет поверхности, а значит, нельзя указать его глубину. Впрочем около 80 % всей массы атмосферы сосредоточено в тропосфере — самом нижнем, приповерхностном слое. Он имеет толщину от 10 км (над полярными областями) до 17 км (над экватором). Над тропосферой располагается слой стратосферы, верхняя граница которого находится на высотах 50—55 км от уровня океана. На стратосферу приходится примерно 20 % всей массы земной атмосферы. А во всех более высоких атмосферных слоях присутствует не более 0,4 % массы атмосферы. Казалось бы, можно считать, что воздушный океан (наша атмосфера) имеет глубину около 50 км. Действительно, именно на высотах до 50 км над уровнем океана совершается практически все многообразие атмосферных процессов, определяющих, в частности, погоду на нашей планете. Вместе с тем многие интересные явления наблюдаются на высотах выше 50 км — в области ионосферы, которая простирается до высот 500—600 км.

                  У природы нет плохой погоды, Всякая погода — благодать.

    Так поется в песне из хорошо известного рязановского кинофильма. Заметим, что подобная оптимистическая точка зрения вообще достаточно характерна для поэтов. Вспомним, например, стихи Ф.И. Тютчева:

                  Как весел грохот летних бурь, Когда, взметая прах летучий, Гроза, нахлынувшая тучей, Смутит небесную лазурь

\r Предисловие

                 И опрометчиво-безумно Вдруг на дубраву набежит, И вся дубрава задрожит Широколиственно и шумно!..

    Этот оптимизм поэта можно объяснить тем, что он глубоко верил в

                 Невозмутимый строй во всем, Созвучье полное в природе.

    Однако существуют поистине грозные природные явления, которые сопровождаются значительными разрушениями и приводят к гибели многих людей. Случаются длительные засухи, когда погибает весь урожай, высыхают водоемы и исчезает растительность. Случаются длительные проливные дожди, когда реки выходят из берегов и затопляют значительные территории. А случаются также тайфуны и смерчи, оставляющие после себя разрушения и многочисленные смерти. Учитывая все это, можно, пожалуй, усомниться в том, что существует «созвучье полное в природе».
    Впрочем, не будем спешить и зададимся вопросом: а что такое созвучье? В узком понимании это — гармония. В широком понимании это — взаимосвязь, взаимообусловленность. Не будем гадать, как именно понимал Тютчев «созвучье в природе». Вполне возможно, что он имел в виду взаимосвязанность атмосферных явлений, обусловленную некоей общей первопричиной.
    Над этой первопричиной задумался Е.А. Баратынский, который, в отличие от многих поэтов, не испытывал излишнего восторга в отношении атмосферных явлений. Он писал:

                 Завыла буря, хлябь морская
                 Клокочет и ревет, и черные валы Идут, до неба восставая, Бьют, гневно пеняся, в прибрежные скалы. Чья неприязненная сила, Чья своевольная рука Сгустила в тучи облака
                 И на краю небес несчастье зародила?

    Что же представляет собой эта «неприязненная сила»? Сразу скажем: современному человеку известен ответ на вопрос, постав

Предисловие

Л

7

ленный Баратынским. «Неприязненная сила» — это солнечное излучение , воздействующее на земную атмосферу. Именно оно ответственно за взаимосвязь погодных явлений, обеспечивающую, по словам Тютчева, «созвучье полное в природе».
   Но как всё это совершается? Как именно «работает» такая первопричина? Чтобы ответить на эти непростые вопросы, мы должны обратиться к науке, исследующей первоначала и первопричины в окружающем нас мире. Речь идет о физике. Мы должны познакомиться с физикой атмосферных явлений.
   Именно этим мы и будем заниматься в данной книге. С точки зрения физики, удобно выделить три группы вопросов. Хотя все они взаимосвязаны, тем не менее их можно в первом приближении рассматривать как вполне самостоятельные. Соответственно разобьем книгу на три главы.
   В первой главе мы рассмотрим циркуляцию воздушных масс в атмосфере Земли. Мы поговорим о конвекции и ветрах, обсудим общую циркуляцию атмосферы и циклоническую деятельность, а затем отдельно остановимся на строении и физической природе тайфунов и смерчей.
   Во второй главе рассмотрим происходящие главным образом в нижних слоях атмосферы фазовые переходы оксида водорода Н₂О, приводящие, одной стороны, к образованию туманов, облаков и грозовых туч, а с другой стороны, к выпадению разнообразных осадков.
   Третья глава посвящена электрическим явлениям в атмосфере и прежде всего молниям (как линейным, так и шаровым). Здесь мы не будем ограничиваться тропосферой и стратосферой, а выйдем также в ионосферу и рассмотрим сравнительно недавно обнаруженные электрические явления — такие, как спрайты, джеты (синие струи), эльфы.
   Автор выражает благодарность Тарасовой Татьяне Борисовне за ценные обсуждения рукописи в процессе ее написания и за помощь в подготовке рукописи к изданию.

ГЛАВА

1



            ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В АТМОСФЕРЕ







        1.1. СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
         И АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ (общие сведения)

         Солнечная постоянная и спектр Солнца

          Введем в рассмотрение физическую величину, называемую интенсивностью излучения (а также плотностью потока излучения или плотностью потока радиации). Это есть энергия излучения (радиации), поступающая в единицу времени на единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно к направлению излучения. Интенсивность излучения измеряют в единицах Вт/м². В дальнейшем будем обозначать эту величину через W или I.
   Интенсивность солнечного излучения, которую оно имеет перед поступлением в земную атмосферу (т. е. на верхней границе атмосферы), называют солнечной постоянной. Будем обозначать ее через Wc. По новейшим данным, полученным с использованием ракет, Wc = 1380 Вт/м². Солнечная постоянная определяется мощностью излучения, испускаемого Солнцем, и расстоянием от Земли до Солнца.
   Зная солнечную постоянную, легко оценить энергию Е, солнечного излучения, поступающую ежесекундно на освещенную половину земного шара. Она равна энергии, проходящей в секунду через большой круг земного шара; площадь этого круга равна пЕ², где Е = 6370 км — радиус Земли. Итак,
Е₂ = пЕ²W= 1,76 ■ 10¹⁷Дж/с.       (1.1)
   Такова энергия, приходящая к нашей планете вместе с лучами Солнца каждую секунду. Она в два миллиарда раз меньше мощности излучения, испускаемого Солнцем; последняя составляет 3,6 ■ 10²⁶ Дж/с.

1.1. Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения)

Л

9

    Треть приходящей к Земле энергии солнечного излучения отражается от атмосферы и земной поверхности, а оставшиеся две трети поглощаются Землей и ее атмосферой. Это поистине гигантская энергия, равная 2Е,/3 = 1,17 ■ 10¹⁷ Дж/с. Для сравнения заметим, что энергия, выделившаяся при взрыве атомной бомбы на атолле Бикини в 1946 г., составляла примерно 10¹² Дж. Как видим, энергия световых лучей, поглощаемая нашей планетой каждую секунду, оказывается в 100 000 раз больше всей энергии, выделившейся при ядерном взрыве!
    Примерно 0,01 % от энергии 2Ес/3 ежесекундно поглощается живой биомассой; она расходуется на все процессы, происходящие в живых организмах. Из остальных 99,9 % энергии около 0,85 ■ 10¹⁷ Дж поглощаются ежесекундно в гидросфере и литосфере Земли и 0,3 ■ 10¹⁷ Дж — в земной атмосфере. Воздушные массы атмосферы все время находятся в движении. На кинетическую энергию их движения ежесекундно расходуется примерно 10¹⁵ Дж энергии. Таким образом, атмосферу можно рассматривать как гигантскую тепловую машину с коэффициентом полезного действия, приблизительно равным


10¹⁵ 0,3 • 10¹⁷

« 3 %.

   Обратим внимание: перемещения воздушных масс в атмосфере являются по своему характеру циркуляционными — они представляют собой замкнутые или почти замкнутые воздушные потоки, имеющие размеры от метров до тысяч километров. Существование циркуляций воздушных масс объясняется условием стационарности их движения. В противном случае масса воздуха в одной области пространства возрастала бы за счет уменьшения массы воздуха в другой области. Фактически всякое наблюдаемое движение воздуха в атмосфере — это некая циркуляция воздушных масс или же часть (элемент) какой-то достаточно крупной циркуляции.
   Как распределена энергия солнечного излучения по длинам волн? Иными словами, как выглядит спектр Солнца? Ответ на этот вопрос дает рис. 1.1. Здесь штриховкой выделена область спектра, в пределах которой солнечное излучение поглощается атмосферным озоном. На интервал длин волн между 0,1 и 4 мкм приходится 99 % всей энергии солнечного излучения. При этом 46 % приходится на видимые лучи, 47 % на инфракрасные, 1 % на ультрафиолетовые. Максимум интенсивности излучения реализуется вблизи 0,47 мкм (зелено-голубые лучи).

¹⁰ -V

Глава 1. Циркуляция воздушных масс в атмосфере

Рис. 1.1


           Парниковый эффект

           Часть приходящего к Земле солнечного излучения поглощается атмосферой и земной поверхностью. Поглощая излучение, тела нагреваются, а остывая, испускают собственное излучение, т. е. сами становятся источниками излучения. Излучение, которое испускают атмосфера и земная поверхность, почти полностью попадает в интервал длин волн между 4 и 100 мкм. Обратим внимание: на этот интервал приходится менее 1 % интенсивности солнечного излучения, но практически 100 % интенсивности излучения Земли и ее атмосферы!
   Солнечное излучение в интервале длин волн от 0,32 до 4 мкм относительно легко (с небольшими потерями на поглощение) проходит сквозь земную атмосферу и достигает поверхности Земли. А вот излучение с длинами волн в интервале от 4до 100 мкм испытывает заметное поглощение в атмосфере. Для солнечного излучения этот факт значения не имеет, поскольку в спектре Солнца указанному диапазону соответствует менее 1 % интенсивности. Зато это весьма важно для излучения испускаемого земной поверхностью.
   Проходя через атмосферу, инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, в значительной степени поглощается молекулами водяного пара (Н₂О), углекислого газа (СО₂), метана

1.1. Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения)

-^ ¹¹

(СН₄), озона (О₃) и некоторых других газов. Заметим, что азот (N₂) и кислород (О₂ и О) для этого излучения прозрачны. Поглощенная энергия подогревает атмосферу, и в результате возникает излучение, распространяющееся обратно к поверхности Земли; его называют противоизлучением атмосферы. Происходит подогрев земной поверхности в данном случае уже не излучением Солнца, а излучением атмосферы. Атмосфера уподобляется своеобразному одеялу, накрывающему земную поверхность и тем самым препятствующему ее охлаждению. Это напоминает парник. Поэтому и возник термин «парниковый эффект». Газы, поглощающие излучение земной поверхности и испускающие противоизлучение, получили название парниковых газов.
   Суть парникового эффекта такова: испускаемое земной поверхностью излучение не уходит полностью в космос, а частично поглощается парниковыми газами, которые, в свою очередь, становятся источником излучения, возвращающегося обратно к поверхности Земли.


Рис. 1.2

    Схема парникового эффекта дана на рис. 1.2. Для лучшего понимания происходящих процессов атмосфера условно изображена на рисунке как бы приподнятой над поверхностью Земли. Через 1₁, 1₂, I} здесь обозначены интенсивности (плотности потока), соответственно, собственного излучения земной поверхности, противоизлучения ат

¹² -V

Глава 1. Циркуляция воздушных масс в атмосфере

мосферы, излучения, избежавшего поглощения в атмосфере и «прорвавшегося» в космос (его называют эффективным излучением). Доля эффективного излучения (величина а> = IJ1₁) будет тем меньше, чем выше концентрация парниковых газов. С уменьшением w увеличивается интенсивность противоизлучения I₂, поскольку
Iг=11 - I, = 11(1 - «).              (1.2)
А это, в свою очередь, должно приводить к повышению температуры земной поверхности вследствие ее подогрева за счет поглощения энергии противоизлучения.
   В настоящее время среднеглобальная и среднесезонная температура земной поверхности равна +15 °С (288 К). Расчеты показывают, что если бы не было парникового эффекта, то средняя температура земной поверхности была бы на 33° ниже, т. е. равнялась бы -18 °С (255 К). Для существования жизни на Земле наличие парникового эффекта является, таким образом, счастливым обстоятельством. Без него земная поверхность была бы сильно переохлаждена, ее средняя температура была; бы на двадцать градусов ниже точки замерзания воды. Вряд ли оказалось бы возможным развитие растительного мира на суше.
   Однако было бы весьма опасным также и перегревание земной поверхности в том случае, если бы парниковый эффект существенно усилился. Примером последствий такого перегрева служит Венера. Ее атмосфера практически целиком состоит из углекислого газа (а он является парниковым газом) и, к тому же, отличается весьма высокой плотностью (давление у поверхности достигает 90 атм). Вследствие наличия на Венере мощного парникового эффекта температура ее поверхности достигает 460 °С.
   В наше время все чаще высказывается тревога по поводу возможного перегревания земной поверхности из-за усиления парникового эффекта, которое может произойти вследствие увеличения концентрации в атмосфере техногенных парниковых газов. Основным парниковым газом является водяной пар, а следующими по значимости идут углекислый газ и метан. Обусловленное производственной деятельностью людей увеличение в атмосфере углекислого газа (и ряда других газов) действительно чревато заметным возрастанием температуры земной поверхности и, как следствие, настоящей глобальной катастрофой — повышением уровня Мирового океана.