Учение об атмосфере

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. И. Мазуров, В. И. Акселевич, А. Р. Иошпа

УЧЕНИЕ ОБ АТМОСФЕРЕ

Учебное пособие для студентов вузов по направлениям:

физика, география, экология и природопользование, 
гидрометеорология, прикладная гидрометеорология, 

метеорология специального назначения

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2019

М13

УДК 551.51 (075.8)
ББК 26.233
         М13

Утверждено к печати на заседании кафедры океанологии ЮФУ 

(базовой кафедры ЮНЦ РАН), протокол № 5 от 09.02.2018

Рецензенты:

зав. кафедрой экспериментальной физики атмосферы Российского 

государственного гидрометеорологического университета Министерства 

образования и науки РФ, д. ф.-м. н., проф. А. Д. Кузнецов

научный сотрудник ГГО им. А. И. Воейкова, д. ф.-м. н., проф. Л. С. Ивлев

Мазуров, Г. И.
Учение об атмосфере / Г. И. Мазуров, В. И. Акселевич, 
А. Р. Иошпа : учебное пособие ; Южный федеральный 
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2019. – 132 с.
ISBN 978-5-9275-2863-9

Учебное пособие содержит информацию об основных понятиях общей 

метеорологии (физики атмосферы). Приводятся определения основных 
метеорологических величин и их градиентов, явлений погоды, а также изложены основы термодинамики атмосферы и радиации в ней, причины 
движения воздуха. Даются понятия воздушных масс, атмосферных фронтов, барических образований. Представлены варианты приземных и высотных карт погоды, а также фотоснимки подстилающей поверхности из 
космоса, которые используются в оперативной работе метеорологических 
организаций.

В приложениях приведены краткий словарь некоторых гидрометеоро
логических и экологических терминов и значения основных геофизических 
постоянных.

Учебное пособие полезно для широкого круга читателей и специали
стов, занимающихся метеорологическими, экологическими вопросами и 
проблемами рационального природопользования.

УДК 551.51 (075.8)

ББК 26.233

ISBN 978-5-9275-2863-9           © Южный федеральный университет, 2019
                                                        ©  Г. И. Мазуров, В. И. Акселевич, 
                                                        А. Р. Иошпа, 2019
 
 
 
        © Оформление. Макет. Издательство 

 
 
 
        Южного федерального университета, 2019

СОДЕРЖАНИЕ

Введение .......................................................................................................... 5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ ........................................... 6
1.1. Общие понятия и основные характеристики атмосферы ........... 6
1.2. Газовый состав атмосферы .................................................................. 9
1.3. Строение атмосферы по вертикали ................................................11
1.4. Погода и климат ...................................................................................14

1.4.1. Воздушные массы и атмосферные фронты ..........................15
1.4.2. Основные барические образования .......................................24
1.4.3. Метеовеличины и единицы их измерения ...........................26
1.4.4. Карты погоды и вертикальные разрезы ................................31

2. РАДИАЦИЯ (ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ) В АТМОСФЕРЕ ...........37
2.1. Основные понятия и определения ..................................................37
2.2. Солнечная радиация ...........................................................................40
2.3. Основные законы излучения ............................................................41
2.4. Виды солнечной радиации и другие ее характеристики ............42
2.5. Излучение Земли и атмосферы ........................................................46
2.6. Радиационный баланс ........................................................................48

3. ОСНОВЫ СТАТИКИ АТМОСФЕРЫ ..............................................50
3.1. Основное уравнение статики и его анализ ....................................50
3.2. Барическая ступень .............................................................................51 
3.3. Барометрические формулы и их практические 
использования .............................................................................................51
3.4. Уравнение первого начала термодинамики...................................54
3.5. Сухоадиабатический градиент .........................................................56
3.6. Критерии устойчивости атмосферы по отношению 
к сухоадиабатическому градиенту ..........................................................57
3.7. Кривая состояния ................................................................................59
3.8. Уровни конденсации и конвекции ..................................................59
3.9. Влажноадиабатический градиент ....................................................60
3.10. Условия термической устойчивости атмосферы 
по отношению к сухо- и влажноадиабатическому градиенту .........61
3.11. Аэрологическая диаграмма .............................................................66

4. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОЧВЫ И АТМОСФЕРЫ .......................68
4.1. Факторы, влияющие на температуру почвы и воздуха ..............68
4.2. Уравнение теплового баланса земной поверхности ....................69
4.3. Закономерности теплового режима почвы и слоев
атмосферы .....................................................................................................70
4.4. Инверсии температуры ......................................................................81

5. ВОДА В АТМОСФЕРЕ .........................................................................85
5.1. Диаграмма равновесия фаз воды .....................................................85
5.2. Особенности фазовых переходов воды в атмосфере ..................87
5.3. Испарение воды и факторы, влияющие 
на скорость испарения ...............................................................................88
5.4. Облачность ............................................................................................89
5.5. Осадки ....................................................................................................93
5.6. Туманы ....................................................................................................94
5.7. Физические основы, методы и технические средства 
воздействия на облака и туманы ............................................................96

6. ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ ......................................99
6.1. Основные силы, действующие в атмосфере ..................................99
6.2. Ламинарный и турбулентный потоки. 
Характер движения воздуха ...................................................................103
6.3. Градиентный, геострофический 
и геоциклострофический ветер .............................................................104
6.4. Влияние силы трения на ветер .......................................................105
6.5. Закономерности ветрового режима в слоях атмосферы .........107
6.6. Сдвиг ветра и турбулентность .......................................................108
6.7. Местные ветры ...................................................................................110
6.8. Понятие об общей циркуляции атмосферы ................................113

Заключение .................................................................................................117
Список литературы ..................................................................................118
Приложение 1 .............................................................................................121
Приложение 2 .............................................................................................122
Приложение 3 .............................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Человечество живет на дне воздушного океана, который назы
вается атмосферой. В целом планета Земля состоит из 3-х сфер: 
атмо-, гидро- и литосферы. Последняя – это твердая часть планеты, ее грунты и почва.

Гидросфера – это вода в океанах, морях, реках, озерах, болотах, 

а также подземные воды. Сюда примыкают и ледники (криосфера), 
свойства которых изучаются в науке гляциологии.

К сожалению, пресной воды на планете мало. Ее потребление не
прерывно увеличивается и возникает проблема, где ее взять, особенно в странах с жарким климатом. Опреснение морской и океанической воды в настоящее время экономически нецелесообразно 
(слишком дорого). 

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли.
В процессе длительной эволюции планеты Земля на ней возникла 

4-я сфера – биосфера. Человек создал 5-ю сферу – техносферу. Она 
стала в основном отрицательно воздействовать на все 4 предыдущие, задымляя, загрязняя и разрушая их. Появились такие науки, 
как экология, природопользование, охрана окружающей среды, экономика природопользования и целый ряд других. Они изучаются во 
многих институтах и университетах. Кроме того, существуют другие 
науки, связанные с атмосферой и ее влиянием на различные виды 
деятельности человека: синоптическая метеорология (рассматривает прогнозы будущего состояния атмосферы), динамическая или 
теоретическая метеорология, прикладная метеорология, аэрология 
(изучает свойства высоких слоев атмосферы) и ряд других наук [24].

К прикладной метеорологии следует отнести авиационную, ар
тиллерийскую, морскую, строительную, транспортную метеорологию, а также биометеорологию и другие науки, которые рассматривают влияние погодных, а также климатических условий на 
соответствующие виды деятельности человека и плоды его труда. 
Практически все соответствующие специалисты должны быть знакомы с основами метеорологии и в своей практической деятельности уметь оперировать ее основными понятиями и положениями. 
Невозможно рационально и экономно пользоваться тем, с чем не 
ознакомился хотя бы поверхностно [32]. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ

1.1. Общие понятия и основные характеристики 

атмосферы

Метеорология – это наука об атмосфере, ее строении и процес
сах, протекающих в ней. «Метеор» в Древней Греции означало всякое 
небесное явление (движение звезд, облаков и т. п.). «Логос» – изучение, познание. Для современной науки об атмосфере более соответствовал бы термин «аэрология» («аэро» – атмосфера, воздух) [33].

Всех людей на работе, в быту и тем более на отдыхе интересует 

погода, т. е. состояние атмосферы в данный момент или в ближайшем будущем. Поэтому все внимательно слушают по радио или смотрят по телевизору прогнозы погоды. Их разрабатывают синоптики, 
то есть специалисты по прогнозу будущего состояния атмосферы.

Осредненные за много (>20–30) лет параметры погоды называют 

климатом. Этим занимаются климатологи, а изучающая климат наука называется климатологией.

Средние за много лет параметры атмосферы называют «нор
мой». Поэтому в прогнозах часто указывают отклонение от нормы в 
данном месяце или сезоне. Например, указывают: температура или 
осадки «выше» или «ниже» нормы. При переезде в другой район мы 
интересуемся, какой там климат. Переезд в район с жарким климатом для здоровья целесообразно осуществлять осенью, а с холодным  – весной. Тогда процесс адаптации (приспособления) организма к изменившимся условиям произойдет менее болезненно. 

Регулярные наблюдения за состоянием атмосферы проводят ме
теорологи, аэрологи и другие специалисты.

На сетевых метеорологических станциях наблюдения за пого
дой проводятся 8 раз в сутки: в 00; 03; 06; 09; 12; 15; 18; 21 час (Всемирное согласованное время – UTC), т. е. через каждые 3 часа. При 
этом определяются следующие характеристики окружающей среды: 
температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, дальность видимости, параметры облачности, направление 
и скорость ветра, наличие явлений погоды, барическая тенденция, 
а также некоторые другие. При наблюдениях за облачностью опре

1. Общие сведения об атмосфере

деляют количество (по степени закрытости небосвода облаками), 
форму, высоту верхней и нижней границ облаков, а при наблюдениях за осадками – их вид, интенсивность, количество, а также время 
начала и окончания [8, 22].

Наблюдения за облачностью и связанными с ней явлениями 

(грозами, осадками) проводятся также с использованием метеорологических радиолокаторов (МРЛ).

На аэрологических станциях 2 или 4 раза в сутки (00; 12; или 00; 

06; 12; 18 час UTC) проводят температурно-ветровое зондирование 
атмосферы с целью измерения метеорологических величин на различных высотах.

На актинометрических станциях измеряют характеристики сол
нечной радиации (прямую, рассеянную, отраженную, суммарную и 
другие).

Кроме того, при анализе и прогнозе состояния атмосферы ис
пользуется информация с метеорологических искусственных спутников земли (МИСЗ).

Дадим определение некоторым из этих метеорологических ве
личин.

Температура характеризует степень нагретости тела (т. е. возду
ха, воды или почвы).

Подстилающая поверхность характеризуется как сухая, влаж
ная, покрытая снегом или льдом, а также могут даваться другие 
уточнения ее состояния.

Кроме метеорологических величин погода характеризуется ря
дом атмосферных явлений, которые в стандартных атмосферах не 
отражаются. Многие из них также оказывают различное влияние на 
жизнедеятельность людей. Поэтому их называют опасными. 

К опасным явлениям погоды относят: грозу, ливневые осадки, 

град, шквал, метель, пыльную бурю, смерч, туман и др. 

Кроме перечисленных опасных явлений погоды на формиро
вание уровней загрязнения могут оказывать влияние и некоторые 
иные параметры. Поэтому экологу при прогнозе возможных уровней загрязнения и выработке рекомендаций по времени производства аварийных выбросов необходимо тщательно изучать метеорологическую обстановку в обслуживаемом районе, а также учитывать 

Учение об атмосфере: учебное пособие

распределение барических систем и атмосферных фронтов по синоптической карте с консультацией у специалистов метеослужбы.

Дадим определение некоторым из опасных явлений погоды.
Гроза – комплексное атмосферное явление, связанное с интен
сивным облакообразованием, необходимой частью которого являются электрические разряды между облаками или между облаком и 
землей (молнии), сопровождающиеся звуковым явлением – громом. 
При грозе может наблюдаться ливневой дождь или ливневой снег 
(зимой), град (летом), а также шквал.

Шквал – это резкое усиление скорости ветра до 20–30 м/с в тече
ние нескольких минут.

Метель – выпадение снега и его перенос над поверхностью зем
ли ветром при достаточной скорости. Различают низовую и общую 
метель, а также поземок.

В последнем случае выпадения снега нет, а сильный ветер подни
мает сухой снег с поверхности земли не выше человеческого роста.

В случае пыльной и песчаной бури сильным ветром в воздух под
нимается пыль или песок.

Видимость при метели, поземке, пыльной и песчаной буре может 

ухудшаться до 1000 м и менее.

Смерч – это сильный мелкомасштабный атмосферный вихрь под 

кучево-дождевым облаком с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. Давление в нем понижено. Он имеет вид темного облачного столба с диаметром в несколько десятков метров. 
Скорость ветра в смерче может достигать 50–100 м/с при сильных 
восходящих потоках воздуха. Синонимами смерча в США являются 
тромб и торнадо. На пути их следования наблюдаются катастрофические разрушения, иногда с человеческими жертвами. 

Туман – скопление продуктов конденсации и сублимации водя
ного пара (капелек воды или ледяных кристаллов) у подстилающей 
поверхности (земли или воды), ухудшающее видимость до величины 1000 м и менее. 

Дымка – то же самое, только видимость в ней колеблется от 1 до 

10 км. 

Мгла – сплошное помутнение атмосферы, вызываемое множе
ством находящихся в воздухе мелких твердых частиц (пыли, дыма). 

1. Общие сведения об атмосфере

Мгла ухудшает видимость, как правило, до величины 10 км и менее. 
Относительная влажность воздуха при мгле чаще всего составляет 
менее 50 %.

Схожее явление с мглой, происходящее за счет выбросов антро
погенного происхождения, называется смогом, или фотохимическим туманом.

1.2. Газовый состав атмосферы

Основная часть человеческой деятельности осуществляется в 

самой нижней части (на дне) воздушного океана. Газовая оболочка 
Земли называется атмосферой. Она играет исключительно важную 
роль в жизни и деятельности человека. 

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь 

газов: азота, кислорода, аргона и др. Наиболее важными из них являются азот, входящий в состав белков, с которыми неразрывно 
связано происхождение и развитие жизни на Земле, и кислород, который необходим для осуществления дыхания всех живых организмов и поддержания процессов горения.

Имеющийся в атмосфере углекислый газ является одним из «пар
никовых» газов и играет важную роль в жизни растений. Их листья 
под действием солнечных лучей усваивают углерод, входящий в состав углекислого газа, и выделяют в атмосферу кислород. Другими 
«парниковыми» газами являются водяной пар, всегда имеющийся в 
атмосфере, а также метан [31].

У поверхности Земли сухой атмосферный воздух представляет 

собой смесь следующих газов: азота – 78,09 %, кислорода – 20,95 %, 
аргона – 0,93 % и углекислого газа – около 0,03 %. В ничтожных количествах в атмосфере содержатся также такие газы, как водород, 
гелий, озон, ксенон, криптон и другие. Их содержание составляет 
менее 0,01 %. Однако эти малые газовые составляющие играют важную роль, особенно в радиационных процессах. Водяного пара в атмосфере в среднем содержится 1016 кг, или 0,001 % от массы воды на 
Земле (см. Приложение 1) [22].

В атмосферном воздухе, кроме того, имеются в переменных ко
личествах и различные примеси (пыль естественного и производ

Учение об атмосфере: учебное пособие

ственного происхождения, мельчайшие капли воды, кристаллы 
льда, морские соли, продукты горения, частицы космической пыли). 
Эти примеси вызывают в настоящее время сильное загрязнение, которое называется аэрозольным. Наиболее ярко оно проявляется в 
крупных городах и промышленных центрах и приводит к образованию смогов, т. е. фотохимических туманов, когда над городом формируется аэрозольная шапка [20].

Загрязнение воздуха происходит под влиянием выбросов про
мышленных предприятий, всех видов транспорта, при дорожно- 
строительных и сельскохозяйственных работах и в ряде других 
случаев, в том числе и природного происхождения (пыльные бури, 
извержение вулканов и др.). Определенную лепту в загрязнение воздуха вносят полеты летательных аппаратов (ЛА). Кроме того, они 
своими мощными воздушными потоками при взлете и посадке нарушают состояние подстилающей поверхности и даже провоцируют 
возникновение ряда атмосферных явлений. Это может приводить к 
ухудшению прозрачности атмосферы за счет подъема пыли летом и 
возникновению морозных туманов зимой [1, 5, 24].

На состояние атмосферы и развитие атмосферных процессов у 

поверхности Земли большое влияние оказывает водяной пар, который попадает в атмосферу в результате испарения воды с поверхности суши, рек, озер, морей и океанов. Фазовые его переходы приводят к образованию туманов, облаков и выпадению осадков.

Водяной пар, так же, как и углекислый газ, поглощая тепло, по
ступающее от Солнца, предохраняет поверхность Земли от чрезмерного перегрева днем. Поглощая тепло, излучаемое подстилающей 
поверхностью, он предохраняет ее от сильного охлаждения ночью 
и зимой.

Если бы не было атмосферы, то средняя температура воздуха у 

поверхности Земли была бы равна не 288 К, а 250 К.

В настоящее время в связи с интенсивной вырубкой лесов и сжи
ганием огромного количества ископаемого топлива содержание 
углекислого газа в атмосфере увеличивается. Это может привести 
к повышению средней температуры воздуха за счет «парникового» 
эффекта, что способно вызвать таяние континентальных ледников 
и повышение уровня Мирового океана. Тогда планета может «пре

1. Общие сведения об атмосфере

вратиться в Венецию». Однако некоторые ученые имеют и противоположное мнение. Например, К. Я. Кондратьев, Л. Т. Матвеев и 
др. считают, что может наступить похолодание, а из-за эффекта «белой» Земли (увеличение отражательной способности заснеженной 
поверхности) и слабый ледниковый период. Эта неопределенность 
в возможном изменении климата практически исключает ориентацию работы заводов и промышленности на выпуск и развитие плавательных средств либо различных снегоходов. Это может иметь 
негативные экономические последствия [17, 22].

Для жизни на Земле и развития процессов, происходящих на 

высотах до 20–25 км, большое значение имеет газ озон. Он отличается от кислорода тем, что его молекула состоит не из двух атомов 
кислорода, а из трех. Поглощение озоном ультрафиолетовой части 
лучистой энергии Солнца приводит к значительному нагреванию 
стратосферы. Зато тропосфера под районами, где наблюдается избыточное содержание озона, имеет пониженную температуру. Выявлена «озонная дыра» над Южным полушарием и в частности над 
Антарктидой, а также в Северном полушарии. Это районы с низким 
содержанием озона. Такое положение представляет угрозу животному и растительному миру. Последние исследования показали, что 
содержание озона может изменяться на несколько десятков процентов в течение 2–3 суток. Поэтому дело не в химических озонообразующих и разрушающих веществах, а в атмосферно-динамических 
и радиационных процессах. К ним можно, например, отнести колебание положения оси струйного течения и «блокирование» газообмена в атмосфере между высокими и умеренными географическими 
широтами [29].

1.3. Строение атмосферы по вертикали

Атмосфера имеет слоистое строение по высоте и неоднородное 

по горизонтали. По вертикали выделяют пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Переходные слои от одной сферы к другой соответственно называются 
тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой и термопаузой. Эти паузы 
называются по нижнему слою и являются задерживающими. Над 

Учение об атмосфере: учебное пособие

экзосферой паузы нет, так как она постепенно переходит в космическое пространство.

Рассмотрим некоторые характеристики первых двух слоев атмосферы.
Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся от 

подстилающей поверхности до высоты 10–12 км в умеренных широтах, до 16–18 км в тропических и до 8–10 км в полярных областях.

Характерной особенностью тропосферы является понижение 

температуры с высотой, которое в среднем составляет 6,5 °С на каждый километр высоты, или 0,65 °С на 100 м. Это вертикальный градиент температуры γ. Тропосфера получает тепло главным образом 
от подстилающей поверхности, нагреваемой солнечными лучами. 
Поэтому прилегающие к ней слои тропосферы значительно теплее, 
чем более высокие. Вследствие неравномерного распределения тепла тропосфера оказывается неустойчивой – в ней происходит непрерывное движение воздуха, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Более теплый воздух поднимается вверх, 
расширяется и охлаждается, а более холодный опускается вниз, 
сжимается и нагревается [22].

Однако в тропосфере, особенно в нижнем ее слое ночью и утром 

над сушей, а зимой почти круглые сутки, часто наблюдается рост 
температуры с высотой. Такие слои называются инверсиями и являются задерживающими, так как препятствуют развитию вертикальных движений. Под этими слоями сосредотачиваются различные атмосферные примеси, в том числе капли воды и ледяные 
кристаллы, которые ухудшают видимость и способствуют образованию слоистообразных облаков. Летом днем воздух над сушей нагревается и инверсии разрушаются.

Тропосфера условно подразделяется на три слоя. Нижний слой 

располагается от подстилающей поверхности до высоты 2 км. В нем 
располагаются облака нижнего яруса. Самая нижняя его часть называется слоем трения или возмущения, который простирается до высоты 1,0–1,5 км. Его обычно называют атмосферным пограничным 
слоем. На него оказывает сильное тепловое и механическое влияние 
подстилающая поверхность. В нем образуются все виды туманов и 
низкие облака. Условия погоды в нижней тропосфере обычно наиболее сложные [22, 33].