Слава Кан - Океан и атмосфера

Изучение температуры в высоких слоях атмосферы в последние десятилетия производится с помощью искусственных спутников Земли и космических кораблей. До начала 1950-х годов температуру воздуха на высоте больше 30–40 км определяли косвенными методами. Оказалось, что результаты обоих методов между собой согласуются. Небольшое повышение температуры с высотой существует до 50 км. Летом здесь около 0°, а зимой — 20… —30°. Выше температура быстро убывает и на высоте 80 км (на верхней границе мезосферы) составляет —75…—90°. Здесь отсутствует озон, поглощающий солнечную радиацию. Далее вверх температура вновь повышается — вначале быстро, а между высотами 200–300 км медленнее. Выше 400 км температура непрерывно увеличивается с высотой. Наблюдения со спутников показали, что на больших высотах существует большой суточный ход температуры — на высоте 800 км днем 2000°, ночью 1000°. Это явление сейчас исследуется. Предполагают, что разогревание осуществляется благодаря ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению Солнца.

За многолетние периоды Земля в целом, и в том числе ее атмосфера, не испытывают систематического разогревания или выхолаживания от притока тепла, и средние температуры почти не изменяются. Солнечное тепло поглощается и отдается — баланс в среднем равен нулю. В последние годы произведены большие исследования теплового баланса, позволяющие судить о режиме солнечной радиации и ее преобразованиях на поверхности Земли и в атмосфере. В частности, удалось установить, что в Арктике благодаря отражательной способности льдов при большой радиации очень мала поглощаемая часть. Не будь ледяного покрова, среднегодовая температура воздуха была бы здесь на 20° выше.

Одна из наиболее существенных характеристик атмосферы — давление. Когда атмосфера спокойна, оно равно весу вертикального столба воздуха с единичным сечением, простирающегося до верхних слоев атмосферы. Когда воздух движется, то при восходящих потоках давление немного меньше, а при нисходящих — немного больше, но разница эта невелика. Физическая единица давления — давление ртутного столба высотой 760 мм на широте 45° над уровнем моря при температуре воздуха 0°. Такой столб давит с силой 1033,3 Г/см 2.

В синоптической практике для определения давления обычно используются миллибары (мб). Это — доли бара, которым в метеорологии называют давление, равное 10 6дин/см 2. Значение давления в миллиметрах ртутного столба также употребляется часто. Для перевода из одной системы в другую существуют специальные таблицы. В Международной системе единиц (СИ) атмосферное давление определяется как гектопаскаль (гПа). 1 гПа = 10 2Па = 1 мб.

Атмосферное давление очень изменчиво. Оно зависит от высоты столба воздуха, плотности и ускорения силы тяжести, в свою очередь изменяющейся в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. Поскольку вес ртути и воздуха представляет собой силу тяжести, действующую на них, как и на всякое тело на Земле, надо учитывать, что сила тяжести увеличивается от экватора к полюсам и уменьшается с высотой. Плотностью воздуха называется масса единицы его объема. Плотность влажного и сухого воздуха мало различается, и только при высокой температуре и большой влажности разница в плотности сухого и влажного воздуха заметна.

Под наиболее сильным давлением, естественно, находятся нижние силы воздуха. С увеличением высоты вместе с давлением убывает и плотность воздуха, которая зависит также и от его температуры, причем влияние температуры и давления на плотность противоположны.

С высотой давление изменяется всегда, а температура в нижних 10–15 км уменьшается только в среднем. При понижении температуры плотность увеличивается, следовательно, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность в отдельных случаях увеличивается с высотой или не меняется вовсе. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных температуры и давления.

Сведения о плотности еще совсем недавно получали косвенно из наблюдений за полярными сияниями, метеорами, распространением радиоволн. С появлением искусственных спутников Земли плотность воздуха начали определять по их торможению. Используются также наблюдения за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, которые создаются метеорологическими ракетами. В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м 3, на высоте 5 км — 0,735, на высоте 20 км — 0,087, на высоте 40 км — 0,004 кг/м 3. Чем короче столб воздуха, т. е. выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой вносит свои коррективы, и поэтому закон изменения давления по вертикали сложнее. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное и при подъеме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь, однако, принадлежит изменениям плотности воздуха. Значит, чем выше, тем меньше падает давление при подъеме на одну и ту же высоту. В теплом воздухе давление уменьшается меньше, чем в холодном — на одной и той же высоте в теплой воздушной массе давление выше, чем в холодной.