какие газы содержатся в атмосфере
Атмосфера и климат
Сайт об атмосфере, климате и метеорологии
Газы атмосферы
Самый распространенный в атмосфере газ — азот. В нижних слоях атмосферы содержится 78% этого газа. Будучи в газообразном состоянии химически инертным, азот в соединениях, называемых нитратами, играет важную роль в обмене веществ в растительном покрове и животном мире.
В биологическом отношении самый активный газ атмосферы — кислород. Его содержание в атмосфере — около 21 % — сравнительно неизменно. Это объясняется тем, что непрерывное использование кислорода животными уравновешивается выделением его растениями. Животные поглощают кислород в процессе дыхания. Растения же выделяют его как побочный продукт фотосинтеза, но и поглощают его при дыхании. В результате этих и других взаимосвязанных процессов общее количество кислорода в земной атмосфере, по крайней мере в настоящее время, более или менее сбалансировано, т. е. приблизительно постоянно.
С точки зрения метеоролога и климатолога одной из самых важных составных частей атмосферы является углекислый газ. Хотя по объему он занимает всего 0,03%, изменение его содержания может коренным образом изменить погоду и климат Земли. Позднее мы рассмотрим более подробно основные атмосферные процессы, в которых углекислый газ играет важную роль. Однако сейчас интересно отметить, что удвоение содержания углекислого газа в атмосфере, т. е. увеличение его объема до 0,06%, может повысить температуру на земном шаре на 3°С. На первый взгляд такое повышение кажется незначительным. Но оно стало бы причиной коренного изменения климата на всей Земле. Приблизительно в течение 120 лет, прошедших после начала великой промышленной революции прошлого века, человечество непрерывно увеличивало выброс в атмосферу не только углекислого, но и других газов. И хотя количество углекислого газа в атмосфере пока не удвоилось, средняя температура воздуха на Земле за период с 1869 по 1940 г. тем не менее выросла на 1°С. Правда, предполагают, что содержание углекислого газа на Земле менялось и в прошлом. Изменения эти безусловно могут влиять на климат и потому приковывают к себе внимание метеорологов и климатологов всего мира.
В атмосфере есть газы, которые не участвуют в биологических процессах, однако некоторые из них играют важную роль в переносе энергии в высоких слоях. К числу таких газов относятся аргон, неон, гелий, водород, ксенон, озон (трехатомная разновидность кислорода — О3).
Какие газы содержатся в атмосфере
Атмосфера — газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней. Совокупность разделов физики и химии, изучающих атмосферу, принято называть физикой атмосферы. Атмосфера определяет погоду на поверхности Земли, изучением погоды занимается метеорология, а длительными вариациями климата — климатология.
Толщина атмосферы 1500 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха, то есть смеси газов, составляющих атмосферу: около 5,3 * 10 15 т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха составляет 29. Давление при 0°С на уровне моря 101 325 Па, или 760 мм. рт. ст.; критическая температура 140,7 °С; критическое давление 3,7 МПа. Растворимость воздуха в воде при 0 °С — 0,036 %, при 25 °С — 0,22 %.
Атмосферное давление — давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и земную поверхность. Нормальным атмосферным давлением является показатель в 760 мм рт. ст. (101 325 Па). При повышении высоты на каждый километр давление падает на 100 мм.
Строение атмосферы.
Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы : плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои : тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т.д.
Тропосфера — нижний, основной, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80—90 % всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъеме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65 °С и достигает —53 °С в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, сосредоточена преобладающая часть водяного пара, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны.
Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте 11—50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение ее в слое 25—40 км от —56,5 до 0,8 °С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения 273 К (0 °С), температура остается постоянной до высоты 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой.
Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой», на высоте от 15—20 до 55— 60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и мезосферы — озон, образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте равной 30 км. Общая масса озона составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Озон (О3) — аллотропия кислорода, образуется в результате следующей химической реакции, обычно после дождя, когда полученное соединение поднимается в верхние слои тропосферы; озон имеет специфический запах.
В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и других свечений. В стратосфере почти нет водяного пара.
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до 88 °С. Верхней границей мезосферы является мезопауза.
Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация).
Структура атмосферы
На высоте около 2000—3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.
На долю тропосферы приходится около 80 % массы атмосферы, на долю стратосферы — около 20 %; масса мезосферы — не более 0,3 %, термосферы — менее 0,05 % от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000—3000 км.
В зависимости от состава газа в атмосфере выделяют гомосферу и гетеросферу. Гетеросфера — это область, где гравитация оказывает влияние на разделение газов, т.к. их перемешивание на такой высоте незначительно. Отсюда следует переменный состав гетеросферы. Ниже ее лежит хорошо перемешанная, однородная по составу часть атмосферы называемая гомосферой. Граница между этими слоями называется турбопаузой, она лежит на высоте около 120 км.
Состав атмосферы
Атмосфера Земли — воздушная оболочка Земли, состоящая в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно. Основным газами являются азот (78 %), кислород (21 %) и аргон (0,93 %). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением углекислого газа CO2 (0,03 %).
Также в атмосфере содержатся SO2, СН4, N, СО, углеводороды, НСl, НF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твердых и жидких частиц (аэрозоль).
Конспект урока «Атмосфера: строение. структура, состав». Продолжение темы АТМОСФЕРА в следующих конспектах:
Основные газы, входящие в состав атмосферы Земли
Атмосфера Земли заполнена воздухом. Однако ещё в 1754 г. было доказано, что воздух – это не химическое вещество, а смесь множества газов.
Особняком стоит водяной пар. Его концентрация сильно зависит от температуры воздуха. При 0°С в одном кубометре воздуха может содержаться до 5 г водяного пара, но при повышении температуры всего на 10°С максимальная доля пара удваивается. При этом воздух не всегда насыщен водой. Есть характеристика – относительная влажность воздуха, которая показывает, насколько воздух близок к насыщению водяным паром. В целом его доля в атмосфере может колебаться от 0,2 до 2,5%.
Концентрации газов в атмосфере отличаются в зависимости от места и высоты измерения. Например, доля углекислого газа выше в городах и особенно вблизи промышленных районов. На большой высоте, в частности в горах, концентрация легких газов (азот) повышается, а тяжелых (кислород) падает.
В целом средняя концентрация основных газов в атмосфере очень стабильна. Исключение – углекислый газ, чья доля постояно возрастает последние два века. Если в 1958 г. концентрация углекислого газа составляла 0,0315%, то к 2015 г. она достигла 0,0403%. Ученые полагают, что именно рост доли этого газа ведет к глобальному потеплению на планете.
Естественно, что в атмосфере есть ещё сотни различных газов, однако их доля невероятна мала. Также в воздухе находится пыль, водяные капли и кристаллики льда, аэрозоли.
Список использованных источников
Какие газы содержатся в атмосфере
(состав, строение, общая циркуляция и прогноз погоды)
1. Атмосфера – безбрежный воздушный океан планеты Земля
Атмосфера – неотъемлемая часть природной среды планеты Земля. Она окружает весь земной шар и постоянно движется относительно Земли. Мы живем на дне этого воздушного океана, поэтому практическая деятельность людей требовала объяснения атмосферных явлений и их предсказания. Однако процесс познания был очень медленным. Книга Аристотеля (IV в. до н.э.) была большим достижением в изучении атмосферы и способствовала повороту от мифологии к реальности. Русские летописи также содержат немало сведений о чрезвычайных метеорологических явлениях. Многолетний опыт обобщался людьми в виде народных примет, позволяющих иногда «угадать» погоду. Но прогресс был очень медленным. Попытки научно обоснованного прогноза начались лишь в XVIII в. после изобретения измерительных приборов и открытия физических законов, определяющих поведение газов. Ведь атмосфера – газовая оболочка Земли и, пожалуй, самая важная для жизни. Достаточно затаить на некоторый момент дыхание, чтобы понять эту важность. Из-за постоянного движения воздух можно считать «международной собственностью»!
2. Состав атмосферы
Важную роль играют взвешенные частицы (пыль, капли воды, кристаллы льда и другие, называемые аэрозолями). Они попадают в атмосферу как естественным путем (выветривание), так и в результате деятельности человека.
В последние 100 лет под влиянием хозяйственной деятельности человека произошло изменение в химической составе атмосферы: увеличились выбросы парниковых газов – углекислого газа, метана, закиси азота и др. Особенно велики выбросы промышленно развитых стран. Дело в том, что установлена корреляционная связь между содержанием в атмосфере этих газов (особенно СО2) и увеличением температуры приземного воздуха. Поэтому в мировом сообществе делаются попытки принять соглашения об ограничении выбросов парниковых газов. Промышленные аэрозоли загрязняют атмосферный воздух вредными примесями, т.к. различные химические элементы интенсивно поглощаются при дыхании.
Газы, входящие в состав атмосферы имеют определенную плотность и поэтому оказывают на каждый кв.см земной поверхности давление, равное массе воздуха. Поэтому воздух постоянно движется, это давление часто изменяется, и человек физически (особенно метеочувствительный) ощущает на себе изменение давления (погоды). Благодаря сжижаемости воздуха, изменение (понижение) давления с высотой происходит неравномерно. Так, в слое до высоты 5 км находится примерно половина массы атмосферы, а до высоты 10 км – около ¾. Из-за уменьшения плотности воздуха с высотой у атмосферы нет четкой верхней границы, и она постоянно переходит в межпланетное пространство.
3. Строение атмосферы
Атмосфера термически расслоена как по вертикали, так и по горизонтали.
Основные слои атмосферы по вертикали общеизвестные (тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера).
Тропосфера формируется благодаря нагреву солнечными лучами поверхности Земли, от которой и нагревается воздух, подобно нагреву воды в кастрюле от электрической плиты. В тех местах, где воздух нагревается больше, он расширяется, становится легче окружающего воздуха и поднимается вверх, и на его место опускается более холодный. Такое круговое (по вертикали) движение воздуха получило название конвекции. Именно благодаря конвекции, температура воздуха в тропосфере падает примерно на 0,65°С на каждые 100 м высоты. На экваторе Земля получает гораздо больше тепла, чем на полюсах, поэтому теплый воздух над экватором постоянно поднимается, а на его место приходит более холодный с севера и с юга. Поэтому над экватором тропосфера всегда более мощная, чем над полюсами.
Выше тропосферы, до высоты 50 км, расположена стратосфера. В ней имеется еще одна поверхность нагрева – слой озона. Озон концентрируется в слое 15-25 км и поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, поэтому температура в стратосфере вначале остается почти постоянной, а затем даже повышается. Поглощая ультрафиолетовое излучение, озоновый слой не только нагревает стратосферу, но и защищает людей и животных от ее вредоносного воздействия (оно вызывает тяжелые заболевания). В стратосфере из-за отсутствия конвекции и сильных вертикальных движений нет облаков, и всегда светит солнце. Нет и опасных явлений погоды, поэтому самолеты предпочитают летать в стратосфере.
Выше стратосферы расположены мезосфера и термосфера – слои почти не оказывающие влияния на погоду из-за небольшой массы воздуха, содержащегося в них.
4. Глобальное, региональное и локальное расслоение тропосферы
Глобальное расслоение тропосферы по горизонтали связано с неравномерностью притока тепла по долготам. Различают тропический воздух, субтропический воздух и полярный (умеренных широт и арктический). Внутри этих глобальных воздушных масс приток тепла также неравномерен, поскольку суша (континенты) нагревается быстрее, чем океан. Морские воздушные массы летом холоднее, чем континентальные, а зимой, наоборот, теплее.
Вследствие различной отражательной способности подстилающей поверхности, пустыни, леса, горы, луга, степи, пастбища также нагреваются от солнца по разному, что приводит к формированию региональных воздушных масс и локальной погоды. Иначе говоря, нагрев нижнего слоя атмосферы происходит большим количеством «электрических плит» различных размеров и мощности.
На границах воздушных масс с разными характеристиками возникают атмосферные фронты – поверхности раздела. Фронты между глобальными воздушными массами обычно называют главными фронтами или климатическими (тропический, полярный), а более мелкими – просто атмосферными фронтами. При больших контрастах метеовеличин, главным образом, температуры воздуха, на фронтах зарождаются вихри с вертикальной осью – циклоны и антициклоны, которые, в конце концов, сглаживают контрасты и приводят к однородному распределению температуры между воздушными массами.
5. Западно-восточный перекос
6. Общая циркуляция атмосферы
Совокупность основных воздушных течений в атмосфере называют общей циркуляцией. Важнейшими ее звеньями являются зональный и меридиональный перекосы в тропосфере, муссоны, пассаты, циклическая деятельность, струйные течения, центры действия атмосферы и др.
Схема простой двумерной циркуляции свое начало берет еще со времен Гадлея (1735 г.). Сам Гадлей знал о некоторых, связанных с нею, противоречиях. Так, например, известную засушливость субтропиков от постарался учесть, введя частичное опускание воздуха, направленного к полюсу в южных широтах. Затем единственная ячейка циркуляции – экватор-полюс была замечена тремя колесами. Феррель заметил, что в средних широтах северного полушария ветры в основном не северо-западные, а юго-западные. Таким образом, в средних широтах появилась обратная ячейка. Появилась классическая теоретическая модель глобальных механизмов самого крупного масштаба.
Современные наблюдения показывают, что воздушные движения осуществляются не в форме замкнутых между экватором и полюсам ячеек циркуляции, а в виде неупорядоченного, турбулентного перемещения крупных воздушных масс в направлении меридиана. Одни воздушные массы, сформировавшиеся в низких широтах, прорываются далеко к полюсу. Другие, возникшие в высоких широтах, приникают далеко в направлении к экватору. Микротурбулентное перемешивание порождает потоки всех физических величин, стремящихся выровнять их градиенты.
7. Погода и погодные системы
Погодой принято называть состояние атмосферы, оказывающее воздействие на жизнь и деятельность людей. Оценить это состояние в заданной точке можно путем измерения метеорологических величин (температуры воздуха, атмосферного давления, ветра и др.), а также наличием или отсутствием явлений погоды (дождь, снегопад, гроза и др.).
Причиной изменчивости погоды является перемещение воздушных масс, формирование атмосферных вихрей (циклонов, антициклонов), также перемещающихся под влиянием общей циркуляции атмосферы. Циклоны бывают фронтальные, формирующиеся на атмосферных фронтах в умеренных широтах, и нефронтальные или тропические. Явления погоды и погодные системы отличаются друг от друга своими масштабами, а также степенью опасности для человеческой деятельности. Некоторые явления (смерч, бора) по масштабу невелики, но разрушительная сила их огромна.
В настоящее время установлено, что возникновение любого опасного явления связано с глобальными, региональными и локальными атмосферными процессами, а также местными воздействиями (рельефом и особенностями подстилающей поверхности).
Еще в конце XVIII века были сформулированы основные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных процессов. В конце XIX века была высказана идея предвычисления погоды с помощью уравнений гидротермодинамики на основе анализа первоначального состояния атмосферы. Эта идея впервые была осуществлена Л.Ричардсоном в 1922 году, но его расчеты доказали бесперспективность такого подхода, прежде всего, из-за необходимости огромного объема вычислений. По подсчетам Ричардсона даже для получения одного прогноза на сутки требовалось 64 000 человек!
Вследствие такой бесперспективности развитие прогностической метеорологии пошло по пути создания физических и статистических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем и определения закономерностей в общей циркуляции атмосферы. Развивать численные модели атмосферы стало возможным только после появления ЭВМ.
В настоящее время на основе гидродинамической теории такие модели созданы. Эти модели позволяют в глобальном масштабе предвычислять основные поля метеорологических величин на срок до 10 суток с точностью, приемлемой для многих потребителей. Есть и региональные и даже мезомасштабные модели или модели по ограниченной территории. Успехи в гидродинамическом моделировании атмосферы привели к созданию целой «прогностической индустрии» и изменению ранее существовавшей технологии подготовки прогнозов погоды.
9. Международные метеорологические центры
Крупные метеорологические центры, оснащенные мощной вычислительной техникой, ежедневно на основе глобальных моделей общей циркуляции атмосферы производят расчет на 5-7 суток полей давления, высот изобарических поверхностей, полей ветра и температуры и другой продукции и автоматически, в кодированном виде, распространяют ее в оперативные прогностические организации.
Такие метеорологические центры, подобно промышленным, выпускают продукцию, используемую более мелкими организациями, так же как, к примеру, продукцию металлургического комбината используют для изготовления каких-либо изделий на заводах и фабриках. Поэтому выражение «прогностическая индустрия» вполне соответствует действительности. Конечно, такие центры существуют только в развитых странах (США, Австралия, Англия, Франция, Россия, Япония, Китай, Германия) или же финансируются совместными усилиями ряда стран на кооперативной основе, например, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды в Рединге (Англия). В России функции такого центра выполняет Гидрометцентр России совместно с Главным радиометцентром Росгидромета и Вычислительным центром Росгидромета.
Естественно, что, как и промышленным комбинатам, метеорологическим центрам нужно «сырье» для выпуска продукции. Сырьем в данном случае являются данные круглосуточных метеорологических наблюдений за погодой и о вертикальном строении тропосферы и стратосферы. Численное прогнозирование доказало на практике, что для предвычисления погодообразующих процессов на срок более 2-3 дней необходимо иметь данные наблюдений со всего земного шара.
Благодаря международному сотрудничеству в прогностические «комбинаты» непрерывным потоком поступает метеорологическое «сырье», в результате переработки которого любая страна получает необходимую ей продукцию для составления прогнозов по всей территории. При этом обмен осуществляется бесплатно!
Центры «прогностической индустрии» обладают, как правило, также мощным научным потенциалом, что позволяет постоянно совершенствовать модели, разрабатывать новые методы прогнозирования и после проведения испытаний, быстро внедрять их в производственный процесс. Кроме того, эти центры одновременно могут выполнять функции региональной и национальной оперативной прогностической организации, осуществлять централизованное обеспечение информацией и прогнозами органы исполнительной власти и т.д.
Так, в ФГБУ «Гидрометцентр России», головной организации Росгидромета в сфере прогнозирования погоды, выполняются как научные исследования, так и весь оперативный цикл подготовки прогнозов.
10. Функции автоматизированной технологии численного прогноза
Оперативные технологические системы численного прогноза зависят от особенностей разработанных моделей, их сложности, информационного и программного обеспечения, а также конфигурации и мощности вычислительной техники. В связи с этим, в каждом метеорологическом центре имеются отличия в технологии выпуска прогнозов. Вместе с тем, в любой автоматизированной оперативной системе численного прогноза можно выделить функции, свойственные всем существующим системам.
К этим функциям относятся:
— сбор данных наблюдений с распознаванием метеорологических сводок и архивацией;
— подготовку базы данных, обеспечивающую декодирование сводок, контроль их качества, подготовку форматов данных для их анализа;
— усвоение данных, их объективный анализ и инициализацию;
— прогноз с помощью гидродинамической модели (решение уравнений, учет неадиабатических процессов);
— заключительную обработку выходных данных модели.
В численных моделях метеорологические величины для расчетов, как правило, представляются в точках регулярной сетки. При этом атмосфера подразделяется на серию слоев, число которых может быть различным, но обычно около 30.
Многие процессы, особенно в пограничном слое имеют мелкий масштаб, меньше шага сетки модели. Поэтому их необходимо определять на основе усредненных по территории величин, рассчитываемых по модели. Эта процедура получила название параметризации физических процессов. Современные численные модели, как правило, включают в себя параметризацию следующих характеристик и процессов:
— состояние планетарного пограничного слоя;
— основные характеристики подстилающей поверхности (орография, распределение температуры поверхности моря, распределение морского льда, альбедо и др.);
— разрушение гравитационных волн;
11. Глобальные системы наблюдения и телесвязи
В целях получения надежных данных о метеорологических величинах и явлениях погоды, которые можно использовать для обеспечения оперативной деятельности, а также для изучения атмосферы и подготовки прогнозов, существует государственная сеть гидрометеорологических станций, на которых проводятся инструментальные и визуальные наблюдения по стандартным практикам и процедурам, принятым Всемирной метеорологической организацией.
Государственная сеть любой страны входит в Глобальную систему наблюдений Всемирной метеорологической организации (ВМО), которая существует и развивается уже более 100 лет. Сейчас она стала не только глобальной, но и комплексной.
Метеорологические спутники, принадлежащие теперь уже многим странам, отслеживают явления погоды, изменения в растительном покрове, пространственное распределение льда и снега, водяного пара, измеряют температуру и ветер. Наземная подсистема наблюдений, кроме метеорологических станций, получила новые средства непрерывного слежения за погодой – метеорологические радиолокаторы, морские буи, автоматизированные устройства для измерения температуры и ветра на рейсовых самолетах, профилемеры и др. Современная технология, а также Интернет позволяют обеспечивать более быстрое распространение данных наблюдений, прогнозов и предупреждений по глобальной системе телесвязи.
12. Прогноз локальной погоды
Важно отметить, что прогресс в численном моделировании относится, главным образом, к крупномасштабным погодным системам. Прогнозы локальной погоды все еще связаны с некоторой неопределенностью в отношении конкретного местоположения, времени и интенсивности метеорологических явлений.
Поэтому локальные прогнозы составляются на основе результатов численного моделирования, но с использованием синоптического анализа карт погоды, различных физико-статистических методик прогноза, а также новых средств наблюдений за погодой.
Наиболее значимыми новыми средствами наблюдений являются искусственные спутники Земли (ИСЗ) и метеорологические радиолокаторы (МРЛ). Используются также местные признаки и климатические данные.
13. Анализ данных и ИСЗ
Со спутников поступает значительное количество информации, и ее анализ является неотъемлемой частью любых методик прогноза. Спутниковые данные позволяют следить за перемещением и развитием фронтальных систем, скоплений облаков, зон тумана, за подветренными волнами и другими опасными явлениями.
Полярно-орбитальные спутники совершают оборот вокруг земного шара примерно за 100 мин. на высоте около 800 км. Они проходят над одним и тем же пунктом у поверхности Земли лишь два раза в сутки, но охватывают экваториальные и полярные районы с одинаковым разрешением.
Геостационарные спутники висят над одной и той же точкой на высоте 36 000 км и каждые 30 мин. передают обновленные изображения. Недостаток их заключается в том, что они дают искаженное изображение районов, находящихся к северу и к югу от субтропиков. Эти спутники часто используются в качестве ретранслятора для сбора и передачи данных наблюдений.
Спутники обеспечивают получение изображений облачности в видимом (0,4-1,1 мкм) и инфракрасном диапазонах. Комплексное рассмотрение двух типов снимков позволяет получить трехмерную структуру облаков. По спутниковым снимкам удается воссоздать общую картину пространственного распределения облачности и по ее характерным структурным особенностям определить довольно большое количество возмущений различного масштаба.
14. Анализ данных с МРЛ
Информация, поступающая от МРЛ, является важным дополнением к наблюдениям, осуществляемым на метеорологических станциях. Она предоставляет метеорологу возможность «заглянуть» за видимый горизонт. Радиолокационные измерения облачности и определение осадков основаны на отражении электромагнитных волн частицами, находящимися в воздухе. Мощность обратного отражения зависит от размеров частиц и веществ, из которых они состоят. Степень отражательной способности частиц, из которых состоят облака и осадки, характеризуется коэффициентом отражения. По величине радиолокационного эхосигнала, которая пропорциональна диаметру водяных капель и кристаллов льда, определяется тип облачности. Так, грозовые облака, которые содержат большие водяные капли, дают более яркое радиоэхо, чем слоистые, состоящие из капель сравнительно небольшого размера. Дождь обычно дает более яркий сигнал, чем снег. Таким образом, по величине радиоэха идентифицируются осадки, их интенсивность, грозы и другие явления.
С конца 70-х годов прошлого столетия для расширения зоны охвата используются сети радиолокаторов с автоматизированной обработкой данных на компьютерах. Такие системы позволяют создавать составные цветные изображения по результатам наблюдений, поступающим от нескольких радиолокаторов, а также объединять радиолокационные данные с информацией других типов, например, со спутниковой.
15. Автоматизированное рабочее место прогнозиста
Автоматизация прогноза погоды часто воспринимается как средство замены человека в деятельности ОПО. Однако опыт показывает, что машина и человек вместе могут достигнуть гораздо лучших результатов, чем каждый в отдельности. Роль человека в современных технологиях прогнозирования зависит от типа прогностического центра и объема выпускаемой им прогностической продукции. В крупном метеорологическом центре, каким, например, является Гидрометцентр России, выполняется весь технологический цикл оперативной подготовки прогнозов, начиная от численного прогноза на суперЭВМ и заканчивая подготовкой специализированных прогнозов с использованием автоматизированного рабочего места синоптика. В небольших ОПО, в которых основная часть информации приходит из более крупных метеорологических центров, основная задача сводится к мониторингу погоды, обработке и анализу данных и интерпретации имеющейся прогностической продукции, т.е. составлению прогнозов. При этом очень важно иметь автоматизированный доступ прогнозиста к информационной базе данных для более широкого его использования при составлении прогноза погоды.
Использование вычислительных возможностей персональных ЭВМ и доступ к информационной продукции и, в частности, выходных данных моделей, способствует:
— более правильному диагнозу физических процессов, определяющих развитие метеорологических явлений;
— пониманию сильных и слабых сторон численных прогнозов;
— концентрации внимания на более важных процессах;
— комплексному использованию данных наблюдений и численной продукции.
16. Специализированные прогнозы погоды
Из специализированных прогнозов погоды наиболее широко применяются прогнозы погоды для авиации и для морских отраслей. Метеорологи и авиаторы, как на национальном, так и на международном уровнях совместно разрабатывают регламентирующие документы, определяющие порядок и форму метеорологического обеспечения и оценки прогнозов.
Морское гидрометеорологическое обслуживание выполняет две основные функции:
— обеспечение различных видов деятельности в прибрежных районах;
— обеспечение международного мореплавания, рыбного промысла и прочих видов деятельности в открытых океанических районах.
В течение последних лет появилась необходимость в предоставлении специализированной гидрометеорологической информации для обеспечения разработки нефти и газа на континентальном шельфе, планировании и возведении инженерных конструкций и установок в прибрежной и удаленной от берега зонах; буксировки судов в сложных метеорологических условиях и т.д. Общие процедуры гидрометеорологического обеспечения морской деятельности приведены в соответствующих руководящих документах Росгидромета, а также в «Наставлении по морскому метеорологическому обслуживанию» ВМО.
Некоторые прогнозы не относятся напрямую к категории метеорологических, но используют в качестве основы метеорологические прогнозы. Так, прогноз перемещения и эволюции вредных выбросов в атмосферу базируется на прогнозе траекторий перемещения воздуха, предвычисленных по моделям общей циркуляции атмосферы. Рекомендованные курсы для морских судов определяются на основе прогноза поля давления у поверхности земли. Планирование полетов воздушных судов осуществляется по прогнозам ветра на высотах.
17. Долгосрочные прогнозы погоды и климата
Современное прогнозирование глобальной динамики климата осуществляется путем проведения численных экспериментов на климатических моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО). Более сложные модели используют активные химические и биологические связи. Сравнение результатов моделирования с историческими данными показало, что они способны адекватно отображать крупномасштабную годовую цикличность. Благодаря этим моделям появилась уверенность, что глобальные изменения климата связаны с деятельностью человека (выбросами парниковых газов). Нужно иметь в виду, что сейчас предсказуемые результаты нельзя рассматривать как прогноз на каждый конкретный год. Тем не менее они дают физически согласованную картину будущих изменений климата и их роль в его предсказании будет возрастать!