Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли

Л.В. Тйрасов Ветры и грозы в атмосфере Земли: Учебное пособие / Л.В. Тарасов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект«, 2011.— 280 с. 1БВХ 978-5-91559-1 12-6 В учебно-популярной форме рассматривается богатая картина никогда ие прекращающихся дввскеиий и превращений воздушных масс в атмосфере нашей планеты. Описываются и объясняются циркуляции воздушных масс (глобальные и местные ветры, циклоны и антициклоны, тайфуиы и смерчи), фаювые 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, стул«язов, лекюров.

1БВХ 978-5-91559-! 12-6 © 2011, Л.В. Тарасов © 2011, ООО «Издательский Дом «Интеллект, оригинал-макет, оформление ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие .. 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 Глава 1 ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В АТМОСФЕРЕ ... 1.1. Солнечное излучение и атмосфера Земли (общие сведения) . 1.2. Конвекцня и ветер. 1.3. Эоловые геологические процессы ..................... 1.4. Общая циркуляция атмосферы 1.5. Циклоническая деятельность атмосферы ......... 1.6. Тропические циклоны (тайфуны и ураганы) ... 1.7. Смерчи (тромбы, торнадо) . 8 .......

28 . 58 ....... 7 1 ....... 8 7 . 1 О 1 4 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 . .21! 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 тролосфере — самом нижнем, приповерхностном слое. Он имеет толщину от 1О 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 6 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, взаииоабусловленнасспь.

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 Илут, ло 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 ленный Баратынским.

«Неприязненная сил໠— это солнечное излучете, воздействующее на земную атмосферу. Именно оно ответственно за взаимосвязь погодных явлений, обеспечивающую, по словам Тютчева, «созвучье полное в природе». Но как все 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 Н,О, 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. ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУШНЫХ МАСС В АТМОСФЕРЕ 1.1. СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ (общие сведения) Солнечная постоянная и спектр Солнца Е, = лйзИ",= 1,76.

1О" Дж/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 1Озь Дж/с. 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 плошади поверхности, ориентированной перпендикулярно к направлению излучения. Интенсивность излучения измеряют в единицах Вт/м'. В дальнейшем будем обозначать эту величину через И' или Е Интенсивность солнечного излучения, которую оно имеет перед поступлением в земную атмосферу (т. е. на верхней границе атмосферы), называют солнечной постоянной. Будем обозначать ее через Ие По новейшим данным, полученным с использованием ракет, И', = 1380 Вт/м'.

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; плошадь этого круга равна л1Р, где Я = 6370 км — радиус Земли.