Метрология и климатология

Лекция1

Метрология и климатология

Изучение атмосферы

Метеорология как наука об атмосфере, о ее составе, строении, свойствах и происходящих в ней процессах сформиро­валась во второй половине XVIII в. С тех пор начались систематические наблюдения за отдельными метеорологическими эле­ментами. Основные сведения о физическом состоя­нии приземных слоев атмосферы, о погоде и климате получают на метеорологических стан­циях с помощью инструментальных и визуаль­ных наблюдений. В мире более 8000 метео­станций и 800 аэрологических станций. Есть и автоматические метеостанции в труднодос­тупных районах (во льдах Арктики, высоко в горах).

С 30-х гг. нашего столетия начали осуще­ствляться аэрологические наблюдения за со­стоянием свободной атмосферы с помощью воздухоплавательных аппаратов -- аэроста­тов и стратостатов. Стратосфера была первой трудной ступенькой на дороге в Космос. Одновременно стали применяться шары-зонды, поднимающиеся до высоты 15—16 км, и радиозонды до высоты 40 — 50 км. После Второй мировой войны по­явились метеорологические ракеты, подни­мающиеся до 100—120 км с весом научной аппаратуры до 1,5 т. Для исследования ионо-сферы начали применяться геофизические ра­кеты (в том числе с подопытными животны­ми), достигшие высоты почти 500 км с весом научной аппаратуры более 1,5 т. Первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР 4 октяб­ря 1957 г. на высоту 947 км (в апогее), а 12 апреля 1961 г. -- первый космический ап­парат «Восток», пилотируемый Ю. А. Гагари­ным. Начиная с 60-х гг. высокие слои атмо­сферы исследуются ИСЗ серии «Космос», си­стематически запускаются метеорологические спутники и др.

С конца 90-х гг. XX столетия постоянные наблюдения из Космоса осуществляют четыре полярно-орбитальных спутника, движущиеся вокруг Земли на высоте от 800 до 1000 км, и пять геостационарных спутников — на вы­соте около 36 000 км. Орбита последних сов­падает с плоскостью экватора, они движутся с той же угловой скоростью, что и Земля, на меридианах 0° в. д., 74° в. д., 140° в. д., 75° з. д. и 135° з. д. Они как бы подвешены над одной и той же точкой Земли и своими наблюдениями охватывают широтный пояс от 50° с. ш. до 50° ю. ш. и передают из Космо­са на Землю непрерывную информацию о тем­пературе земной и морской поверхности, об­лачности, ведут наблюдения за снежным и ле­довым покровом и т. д.

Происхождение и эволюция атмосферы

Состав атмосферы не всегда был таким, как сейчас. Предполагают, что первичная ат­мосфера состояла из водорода и гелия, кото­рые были самыми распространенными газами в Космосе и входили в состав протопланетного газово-пылевого облака.

Результаты исследований М. И. Будыко с количественными оценками изменения массы кислорода и углекислого газа на протяжении жизни Земли дают основание считать, что ис­торию вторичной атмосферы можно разделить на два главных этапа: бескислородной атмо­сферы и кислородной атмосферы - - на рубе­же примерно 2 млрд лет тому назад.

Первый этап начался после завершения об­разования планеты, когда началось разделе­ние первичного земного вещества на тяжелые (преимущественно железо) и относительно лег­кие (в основном кремний) элементы. Первые образовали земное ядро, вторые - - мантию. Эта реакция сопровождалась выделением теп­ла, в результате чего стала происходить дега­зация мантии --из нее стали выделяться раз­личные газы. Сила тяготения Земли оказалась способной удержать их возле планеты, где они стали скапливаться и образовали атмосферу Земли.

Состав этой начальной атмосферы сущест­венно отличался от современного состава воз­духа (табл. 1 ).

Таблица 1 Состав воздуха при образовании атмосферы Земли

в сравнении с современным составом атмосферы

(по В. А. Вронскому и Г. В. Войткевичу)

Кроме этих газов, в атмосфере присутст­вовали метан (СН₄), аммиак (ЗNН₃), водород (Н₂) и др.

Характерной чертой этого этапа было убы­вание углекислого газа и накопление азота, который к концу эпохи бескислородной атмо­сферы стал основным компонентом воздуха.

3—5612. Любушкина

Согласно исследованиям В. И. Бгатова, тог­да же появился в качестве микропримеси и эндогенный кислород, возникший при дегаза­ции базальтовых лав. Кислород возникал и в результате диссоциации молекул воды в верх­них слоях атмосферы под действием ультра­фиолетовых лучей. Однако весь кислород ухо­дил на окисление минералов земной коры, и его не хватало на накопление в атмосфере. Более 3 млрд лет назад появились фото-синтезирующие синезеленые водоросли (ци-анобактерии), которые для синтеза органиче­ского вещества начали использовать световую энергию Солнца. В реакции фотосинтеза уча­ствует углекислый газ, а выделяется свобод­ный кислород. Вначале он расходовался на окисление железосодержащих элементов ли­тосферы, но около 2 млрд лет назад этот про­цесс завершился, и свободный кислород на­чал накапливаться в атмосфере. Начался вто­рой этап развития атмосферы — кислородный.

Сначала рост содержания кислорода в атмосфере был медленным: около 1 млрд лет назад оно достигло 1% от современного {точ­ка Пастера), но этого оказалось достаточным для появления вторичных гетеротрофных ор­ганизмов (животных), потребляющих кислород для дыхания. С появлением растительного по­крова на континентах во второй половине палеозоя прирост кислорода в атмосфере уско­рился, поскольку резко повысилась глобаль­ная продуктивность фотосинтеза. Так, в сере­дине палеозоя количество кислорода в атмо­сфере составляло только 10 % от современного, а уже в карбоне кислорода было столько же, сколько и сейчас. Фотосинтетический кисло­род вызвал большие изменения и в атмосфе­ре, и в живых организмах планеты. Содержа­ние углекислого газа в процессе эволюции ат­мосферы существенно снизилось, так как значительная его часть вошла в состав углей и карбонатов

Атмосфера и ее границы. Состав воздуха

Атмосфера (греч. а1то5 пар и зр(га1га -- шар) -- воздушная оболочка Зем­ли, связанная с ней силой тяжести и прини­мающая участие во вращении планеты. Ниж­ней границей атмосферы является земная поверхность, а верхняя граница размыта, так как с увеличением высоты воздух становится все разреженнее. Косвенными доказательства­ми существования атмосферы на больших вы­сотах служат серебристые облака на уровне 70 — 80 км, метеоры, сгорающие из-за трения о воздух на высоте 100 — 300 км, полярные сияния на высотах до 1000 км. С помощью искусственных спутников и ракет установле­но, что атмосфера простирается вплоть до 20 000 км, но близ верхней границы она весь­ма разрежена и постепенно переходит в меж­планетное пространство. Условно за верхнюю границу атмосферы принимают высоту 1000 — 2000 км над поверхностью Земли, а более вы­сокие слои считают земной короной.

Атмосферный воздух — смесь газов. В нем. во взвешенном состоянии находятся жидкие и твердые частицы. По химическому составу в атмосфере различают два слоя: нижний гомосферу (однородный слой) - - примерно до 100 км и верхний -- гетеросферу (неод­нородный слой) выше 100 км. В сухом (т. е. полностью обезвоженном) чистом воз­духе у земной поверхности содержится по объему 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, а также есть диоксид углерода, озон и другие газы. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна 28,96.

Процентное соотношение основных газов в гомосфере почти не меняется при перемеши­вании воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. В гетеросфере содержание легких газов возрастает, а тяжелых уменьшается: нет аргона, озона, диоксида углерода. К тому же сначала молекулы кислорода, а потом азота разлагаются на атомы. Выше 1000 км основ­ными газами становятся атомарный водород и гелий.

Каждый газ воздуха выполняет в геогра­фической оболочке определенные функции.

Свободный кислород, который химически очень активен, играет огромную роль в жиз­ни, без него невозможно дыхание, горение, окисление. Кислород атмосферы в основном биогенного происхождения, так как образо­вался в процессе фотосинтеза растений и дру­гих автотрофных организмов.

Азот химически весьма инертен и играет в атмосфере роль разбавителя кислорода, ре­гулируя темп окисления. Азот тоже в основ­ном имеет биогенное происхождение. Значе­ние азота для живых организмов определяет­ся тем, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, его соединения обеспе­чивают минеральное питание растений.

Диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере немного (0,03%). Его содержание в приземных слоях воздуха подвержено есте­ственным колебаниям в течение года и суток. Диоксид углерода — своеобразный утеплитель Земли, поскольку в основном пропускает ко­ротковолновую солнечную радиацию, но за­держивает тепловое излучение земной поверх­ности, обусловливая так называемый парни­ковый эффект. По оценкам ученых, с середины прошлого века глобальное содержание диок­сида углерода возросло на 12—15% за счет сжигания ископаемого органического топлива. Его увеличение способствовало повышению температуры воздуха на Земле. Диоксид угле­рода служит основным строительным матери­алом для создания органического вещества в процессе фотосинтеза.

Весьма важна роль озона (О₃), хотя его в атмосфере немного. Толщина слоя озона при нормальном давлении и температуре О°С составила бы всего 3 мм. Количество его по абсолютному значению и в процентном от­ношении возрастает с высотой и достигает максимума на высотах 15—20 км в поляр­ных широтах, 20 — 25 км в умеренных, 25 — 30 км в тропических и сходит на нет на высоте 70 км. Слой повышенной концентра­ции озона на высотах в среднем 25 — 30 км называют нередко озоновым экраном. Озон является своеобразным фильтром атмосферы, ибо он поглощает значительную долю (97%) ультрафиолетовой радиации (с длинами волн 0,15—0,29), которая губительно действует на живые организмы. Поглощая солнечную ради­ацию, озон повышает температуру воздуха в стратосфере.

Исследования показывают, что толщина слоя озона испытывает пространственные и временные колебания. Наибольшее колебание содержания озона в воздухе в течение года от­мечается в полярных широтах. Здесь его мень­ше зимой, в условиях полярной ночи, из-за отсутствия солнечной радиации, под влиянием которой он образуется в результате фотодис­социации молекул кислорода, больше — в пе­риод полярного дня. К тому же озон легче уничтожается при низких температурах. Эти колебания значительнее над Антарктидой, где количество озона зимой резко сокращается (так называемая озоновая дыра над Антарк­тидой). Метеорологическая гипотеза связыва­ет это явление со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктиде: образова­нием там зимой устойчивого высотного цик­лонического вихря и выносом вверх озона из антарктической стратосферы. В последние го­ды замечено глобальное сокращение озона, что некоторые исследователи связывают с выбро­сом в атмосферу фреонов и окислов азота. Уменьшение толщины озонового слоя вредно для всего живого. Поэтому нужна коллектив­ная мудрость человечества для его сохранения.

Важной составной частью воздуха являет­ся невидимый газ — водяной пар. Это весь­ма переменный компонент атмосферы: его со­держание в воздухе над земной поверхностью колеблется от 0,2% в ледяных пустынях до 3—4% во влажных экваториальных лесах (по объему). Поскольку водяной пар поступает в воздух за счет испарения с водной поверхно­сти, почвы и транспирации растений, его ко­личество зависит от температуры: чем она вы­ше, тем его больше. С высотой количество водяного пара уменьшается, около 90% его заключено в нижнем пятикилометровом слое воздуха. Значение водяного пара исключитель­но велико. Он представляет собой важное зве­но влагооборота, так как при определенных условиях происходит его конденсация или суб­лимация¹, образуются облака и осадки. Вели­ка роль водяного пара (наряду с диоксидом

Сублимация в метеорологии и гляциологии понима­ется как переход из газообразного состояния (водяной пар) в твердое с образованием кристаллов («ледяные» облака, иней), что сопровождается выделением тепла. Об­ратный процесс -- возгонка. (В физике сублимация и возгонка обозначают одно и то же, т. е. процесс перехо­да вещества из кристаллического состояния непосредст­венно в газообразное, минуя жидкую фазу, что сопровож­дается поглощением тепла.)

углерода) и в создании парникового эффекта, так как именно он задерживает основную часть теплового излучения земной поверхно­сти. В свою очередь, водяной пар сам излу­чает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности, являясь для нее дополнительным источником тепла. В то же время облака, возникающие в ре­зультате конденсации и сублимации водяного пара, отражают и поглощают солнечную энер­гию на ее пути к земной поверхности. Надо учитывать и фазовые превращения водяного пара и воды, сопровождающиеся поглощени­ем тепла (при испарении и таянии снега и льда) или выделением тепла (при конденсации и сублимации), что отражается на температу­ре окружающего воздуха. Такова роль водяно­го пара в тепло- и влагообороте на Земле. Он выполняет определенные функции и в жиз­недеятельности организмов, влияя, например, на скорость транспирации, которая возраста­ет при понижении влажности воздуха.

В воздухе много твердых частиц, причем большинство их не видимо простым глазом. Мельчайшие твердые и жидкие частицы есте­ственного и антропогенного происхождения, находящиеся в воздухе во взвешенном состо­янии, называют аэрозолями. Это космичес­кая, вулканическая и минеральная пыль, дым, пыльца растений, микроорганизмы, частицы морской соли и т. д. Особо опасны среди аэрозолей продукты искусственного радиоак­тивного распада. Твердые частицы выполняют в атмосфере роль ядер конденсации и субли­мации, их обилие ускоряет образование тума­нов и облаков. Аэрозоли уменьшают прозрач­ность атмосферы, ослабляя солнечную радиа­цию и ухудшая видимость. Аэрозоли обычно не задерживаются долго в тропосфере, где вы­падают осадки. В стратосфере, куда иногда по­падает вулканическая пыль, она остается там годами. Недаром после извержений вулканов, особенно таких интенсивных, как Кракатау в 1883 г. или Катмая в 1912 г., на протяжении нескольких лет отмечалось помутнение атмо­сферы и уменьшение солнечного тепла, осо­бенно ощутимое летом. Самым катастрофиче­ским взрывным извержением за последние 500 лет было извержение вулкана Тамбора (остров Сумбава в Зондском архипелаге) 10.—11 апреля 1815 г. Выбросы вулканичес­кого материала при взрыве вулкана, в резуль­тате чего его высота уменьшилась с 4000 м до 2820 м, создали завесу в воздухе, ставшую экраном для солнечного излучения. Это при­вело к охлаждению атмосферы в течение не­скольких последующих лет. В северном полу­шарии в тот и следующий годы сезонный снег лежал до середины июня, а в августе в За-падйой Европе были отмечены заморозки.

31

Газы, входящие в состав атмосферы, обла­дают определенной плотностью, а воздух -массой. Общая масса атмосферы достигает т, что составляет одну миллионную

5.27Х10¹⁵

часть массы земного шара. При этом полови­на всей массы атмосферы находится в ниж­них 5 км, 75% - - в нижних 10 км, 95% -в нижних 20 км.

Строение атмосферы

По характеру изменения температуры в вер­тикальном направлении и другим физическим свойствам атмосферу делят на пять концент­рических оболочек: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые разделены тонкими (1—2 км) переходными слоями: тропо-, страто-, мезо- и термопауза­ми (рис. 21).

Тропосфера (греч. 1горо$ — поворот) про­стирается от земной поверхности до высоты 16—18 км в экваториально-тропических ши­ротах и до 8 — 9 км над полюсами. В ней за­ключено почти 80% воздуха атмосферы. Физические свойства воздуха тропосферы и происходящие в ней процессы находятся в

большой зависимости от земной поверхности. От нее воздух получает тепло, поэтому с подъ­емом вверх температура его понижается в среднем на 0,6° на каждые 100 м и достига­ет близ тропопаузы в умеренных широтах око­ло — 55 °С (она неодинакова на разных ши­ротах и в разные сезоны года). Величина 0,6 °С/100 м называется вертикальным тем­пературным градиентом. Для тропосферы характерны интенсивные вертикальные и го­ризонтальные движения воздуха и его пере­мешивание. В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы (99%), количе­ство которого быстро убывает с высотой. Здесь происходит образование облаков, выпадают

серебристые облака; 12 — отражение средних радиоволн; 13 — метеоры; 14 и 15 — полярные сияния; 16 — отражение корот­ких радиоволн; !7 — геофизическая ракета; 18 — искусствен­ные спутники Земли; 19 — пилотируемые космические корабли осадки, наблюдаются оптические, световые и звуковые метеорологические явления.

Стратосфера (лат. х^га^из -- слоистый) простирается от тропопаузы до 50 — 55 км. Здесь сосредоточено около 20% воздуха, в ко­тором много озона. В нижней стратосфере температура более или менее постоянна, но выше 30 км она быстро растет за счет по­глощения озоном ультрафиолетовой солнечной радиации и достигает близ стратопаузы сред­негодового значения около О °С с отклонени­ем ±20 °С в зависимости от широты и вре­мени года. Возрастание температуры с высо­той приводит к большой устойчивости стратосферы. Водяного пара в стратосфере ни­чтожно мало. На высоте 22 — 25 км наблю­даются капелыю-жидкие перламутровые об­лака. Раньше стратосферу считали спокойной средой, но оказалось, что в ней происходит интенсивная горизонтальная циркуляция и на­блюдаются небольшие вертикальные переме­щения типа подъема и оседания, захватываю­щие большие пространства.

Мезосфера (греч. тезоз средний)

простирается от стратопаузы до 80 км. В ней температура понижается до —80 °С... -85 °С, с чем связана турбулентность. Здесь образуются тонкие ледяные серебристые облака.

В целом в трех нижних слоях заключено 99,5% всей массы атмосферы.

Термосфера (греч. Нгегте - - тепло) -слой от мезопаузы до 800 км. Температура в нем возрастает до 1500°С, но в разреженном воздухе она характеризует лишь кинетическую энергию движения частиц и не ощущается, по­этому летающие здесь искусственные спутни­ки от воздуха не нагреваются и не сгорают. В нижней термосфере сгорают метеоры.

Экзосфера (греч. ехо снаружи)

внешний (800—1000 км) крайне разрежен­ный слой атмосферы с температурой около 2000 °С. Здесь скорость движения атомов во­дорода и гелия более 11,2 км/с и они час­тично ускользают в межпланетное простран­ство, за что этот слой называют сферой рас-сеяния.

С точки зрения ионизации, т. е. по элект­рическому составу, атмосфера делится на нейтросферу (три нижних слоя) и ионосфе­ру (два верхних слоя). В ионосфере наблю­даются полярные сияния, магнитные бури. Благодаря ей обеспечивается дальняя радио­связь.

.

Значение атмосферы. Охрана воздуха

Значение атмосферы исключительно вели­ко и многообразно, поскольку она, с одной стороны, является посредником между Землей и Космосом, с другой - тесно взаимодейст­вует со всеми земными оболочками -- гидро­сферой (особенно океаносферой), литосферой, биосферой.

Атмосфера защищает органический мир Земли от пагубного воздействия ультрафиоле­товой солнечной радиации, корпускулярных по­токов, космических лучей различного проис­хождения. Она служит броней для железока-менных метеорных потоков. Атмосфера создает благоприятные тепловые условия для жизни на земной поверхности, предохраняя ее от гу­бительного зноя и леденящего холода, а так­же огромных суточных и годовых колебаний температур. Без атмосферы не было бы ни осадков, ни ветра, ни звука, ни сумерек, ни полярных сияний и никаких других метеоро­логических явлений, а небо было бы абсолют­но черным. Воздух атмосферы современного состава, будучи сам в значительной степени продуктом жизнедеятельности организмов, ну­жен всему живому, а кислород поддерживает жизнь на Земле.

Между атмосферой, с одной стороны, и гид­росферой и литосферой - - с другой, проис­ходит непрерывный обмен теплом и влагой, т. е. это своеобразная термодинамическая сис­тема. Причем основным аккумулятором тепла и поставщиком влаги является Мировой оке­ан. Кроме того, Мировой океан, наряду с зе­леным покровом суши, выполняет функции лег­ких нашей планеты: он активный поглотитель

диоксида углерода, содержащегося в воздухе, и в то же время место обитания водорос­лей, вносящих большой вклад в снабжение ат­мосферы кислородом. Тем самым Океан под­держивает постоянный состав воздуха. Эти вза­имосвязи столь значительны и многогранны, что атмосфера и Океан сейчас рассматрива­ются как единая сложная взаимодействующая система. К тому же эта связь обусловлена ге­нетически, ибо эволюция атмосферы и гидро­сферы, по существу, представляет собой еди­ный процесс.

Атмосфера в своем развитии тесно связа­на и с литосферой. Благодаря геологическим и геохимическим процессам она получила и продолжает получать из недр Земли значи­тельную часть газов. В то же время и атмо­сфера всегда оказывала влияние на литосфе­ру, развитие которой совершалось под мощ­ным влиянием физического и химического выветривания. Колебания температур, ветер, осадки, кислород и другие газы существенно видоизменяли и переотлагали горные породы, являясь экзогенным фактором рельефообразо-вания.

Атмосфера играет важную роль в жизни человека и его хозяйственной деятельности, но испытывает серьезное антропогенное воз­действие, особенно в последние десятилетия. Оно чаще всего отрицательное. Тому много примеров глобального масштаба. Загрязняю­щие вещества попадают в атмосферу в виде аэрозолей и газов. Аэрозоли поступают в воздух при открытой добыче угля и руд, при производстве цемента и стройматериалов, от предприятий черной металлургии и т. д. Об­щее количество аэрозолей составляет около 60 млн т.

На долю газов приходится до 80 — 90% всех антропогенных выбросов. Загрязнение атмо­сферы диоксидом углерода и другими газами способствует поглощению земного излучения и повышению температуры воздуха. Соедине­ния таких ядовитых газов, как сера (сернис­тый газ) и азот (окись и перекись), образуют в атмосфере кислотные дожди, т. е. фактиче­ски на землю выпадают осадки в виде разбав­ленной серной и азотной кислот. Такие осад­ки представляют угрозу жизни и здоровью лю­дей и животных, способствуют высыханию лесов, увеличивают кислотность почв, угнета­юще действуют па флору и фауну водоемов, разрушают различные постройки и т. д. Об­щее количество поступлений сернистого газа в атмосферу достигает, по разным оценкам, 100—150 млн т в год. Поэтому актуальной задачей является запрет использования высо­косернистых угля, нефти и газа, утилизация отходов при производстве серной кислоты.

Рост концентраций аэрозолей и газов, раз­рушение озонового слоя, уничтожение лесов, особенно экваториальных, поставляющих в ат­мосферу кислород, изменения в характере по­верхности суши (распашка земель, мелиора­ция и др.) и Океана (нефтяная пленка и др.), военные действия - - все это влияет на атмо­сферу и климат и может вызвать цепную реакцию ряда нежелательных природных явлений.

Но самыми страшными климатическими (и не только климатическими!) последствиями могут обернуться ядерные войны, которые спо­собны вызвать загрязнение атмосферы пылью и дымом пожарищ, т. е. аэрозольную клима­тическую катастрофу. Климатическим эффек­том станет быстрое (за несколько дней), глу­бокое (на несколько десятков градусов) и дли­тельное (до нескольких месяцев) похолодание суши до минусовых значений даже в эквато­риальных широтах. На планете может насту­пить «ядерная зима» -- таковы расчеты груп­пы ученых _ под руководством академика Н. Н. Моисеева. Все это свидетельствует о необходимости разумного сочетания хозяйст­венной и политической деятельности с тща­тельной охраной атмосферы в международном масштабе.