Неоднорідність фізичних властивостей повітря в тропосфері

Атмосфера неоднорідна не тільки по вертикалі, але і в горизонтальному напрямку. Сильне розходження фізичних властивостей повітря на однакових висотах часто можна виявити на близькій відстані. Особливо різання ці відмінності для тропосфери.

Властивості повітря безперервно змінюються через неоднакового припливу сонячної енергії в низьких і високих широтах Землі та впливу підстильної поверхні. Маси повітря, переміщаючись над різної за своїм характером підстилаючої поверхнею землі (материки або океани, пустелі і степи, лісові масиви та болота), набувають нові фізичні властивості, притаманні тим географічним районам, над якими вони рухаються. Цей процес називається трансформацією повітря. Оскільки повітря ніколи не залишається в спокої, то трансформація його відбувається безперервно. При трансформації найпомітніше змінюються температура і вологість повітря. Особливо значні ці зміни при переміщенні повітря з одних широт в інші або при переході на іншу підстилаючої поверхню, наприклад з океану на сушу або назад.

При русі над однорідною поверхнею з півночі на південь повітря зазвичай нагрівається і віддаляється від стану насичення — стає, як прийнято говорити, сухим, хоча його здатність поглинати і утримувати вологу при цьому зростає. Навпаки, при русі з півдня на північ повітря охолоджується, а отже, наближається до стану насичення і при малому запасі вологи стає насиченим — вологим. При відповідних умовах циркуляції частина вологи, що міститься в повітрі, конденсується і випадає у вигляді опадів. Тоді вологовміст повітря знижується. Вміст вологи в повітрі швидко підвищується, коли він переміщається над великими водними басейнами, і повільніше — над малоувлажненной підстильною поверхнею.

Крім безперервних змін температури і вологості повітря, обумовлених теплообміном і вологообміном з підстильною поверхнею, змінюються і оптичні властивості. Проходячи над пустелями і індустріальними районами, повітря мутніє через надходження різних механічних домішок — зважених частинок пилу і продуктів згоряння. Поглинання частинками пилу сонячної радіації сприяє більш інтенсивному нагріванню повітря. Проходячи над океанами, він збагачується солями морської води.

Якщо повітря тривалий час затримується над однаковою підстильною поверхнею, він на величезному просторі набуває відносну однорідність. Такі порівняно однорідні маси повітря називаються повітряними масами. Вони зазвичай отримують назву того географічного району, звідки приходять на ту чи іншу територію: з Арктики — арктичний, з помірних широт — помірний, з тропіків — тропічний і т. п. По температурному ознакою повітряні маси поділяються на холодні і теплі. Теплою називають повітряну масу, що надходить на більш холодну підстилаючої поверхню, а холодної — повітряну масу, що надходить на більш теплу підстилаючої поверхню.

Умови для утворення холодних повітряних мас є в полярних областях, де відбувається інтенсивне охолодження повітря, особливо взимку. У низьких широтах — субтропічній і тропічній зонах — протягом усього року відбувається прогрівання повітря та умови циркуляції сприяють формуванню теплих повітряних мас. Раніше припускали, що повітряні маси рухаються як єдине ціле. Однак дані зондування температури, вологості і вітру показали, наприклад, що при штилі біля поверхні землі вітри на висотах можуть досягати великої сили. З висотою часто змінюється не тільки швидкість, але і напрямок вітру. Одночасно з горизонтальними здійснюються і вертикальні рухи.

При русі маса повітря прагне придбати властивості, притаманні повітрю в тій чи іншій широтної зоні, над сушею або океаном. Швидкість, з якою змінюються фізичні властивості рухомої маси повітря, т. е, трансформація, залежить головним чином від різниці температур повітря, та підстилаючої поверхні. Чим більше ця різниця, тим швидше повітря нагрівається і охолоджується. Тепло і холод від поверхні землі у верхні шари передаються шляхом турбулентного (хаотичного) перемішування, причому при прогріві нижніх шарів повітря і розвитку нестійкості передача тепла здійснюється швидше, ніж при стійкому стані, коли з-за охолодження приземного шару повітря виникає інверсія.

Хоча сонячні промені пронизують атмосферу зверху, температура повітря з висотою знижується. Пояснюється це тим, що для короткохвильового випромінювання Сонця атмосфера майже непрозора і значна частина сонячної радіації вільно проникає до поверхні Землі. Повітря нагрівається від випромінюваної радіації земною поверхнею, і шляхом турбулентного перемішування тепло поширюється в вищерозміщені шари, в основному в межах тропосфери.

Якщо простежити за рухом великої одиничної маси повітря, то при переході з районів Арктики в помірну зону, наприклад на Європейську територію СРСР або в Західну Сибір, можна виявити, що температура підвищується на 4-5° за добу. Коли ж він досягає Кавказу чи Середньої Азії, то температура його (через 3-5 діб) у порівнянні з початковою зростає на 15-20°. Ці величини характерні для нижнього шару тропосфери. З висотою приріст температури запізнюється і величина його зменшується. Тому по мірі руху на південь характер розподілу температури з висотою піддається істотним змінам і повітря стає нестійким. При зворотному русі повітря в бік Арктики відбувається зниження його температури, найбільше біля поверхні Землі. Внаслідок цього маса повітря зазвичай набуває стійку стратифікацію, і нерідко утворюється приземна інверсія температури.

Слід зауважити, що по мірі руху повітря на південь і прогрівання він віддаляється від стану насичення, і якщо поверхня, що підстилає порівняно суха, збагачення його вологою незначно. Особливо інтенсивно повітря нагрівається і віддаляється від насичення у весняні місяці. При деяких атмосферних процесах виникає атмосферна посуха, часто супроводжується сухими і сильними східними вітрами, так званими суховіями, які згубні для посівів та врожаю.

Крім радіаційного припливу тепла, великі зміни температури повітря в тропосфері відбуваються за рахунок його внутрішньої енергії, тобто адіабатичного стиснення і розширення, а також фазових перетворень води: перетворення водяної пари у воду або води в лід.

Зміни температури, пов’язані з впливом цих факторів, що можуть призвести до істотної зміни характеру розподілу температури повітря з висотою. Інакше кажучи, він може придбати стійку стратифікацію.

Обчислення величини зміни температури та вологості, тобто трансформації рухомого повітря, — завдання досить складне. Проте вже проводяться розрахунки по визначенню можливого розподілу температури по висоті з добової завчасністю. На основі таких розрахунків будують прогностичні криві зміни температури з висотою в різних пунктах. Для прогнозу погоди на 1-2 доби ці розрахунки дуже важливо справити своєчасно і точно. Вони потрібні також для прогнозу поля тиску і вітру на великих висотах і прогнозу виникнення та розвитку атмосферних вихрів.

ПОДІЛИТИСЯ: