Физик а лукина Галина Степановна


с. 1
Ф И З И К А

Лукина Галина Степановна,

Методист ХКЗФМШ
Учащимся 7-10 класса

Погодные условия в жизни че­ловека играют огромную роль, по­этому очень важно заранее знать обо всех ожидаемых изменениях погоды. Сейчас во всех странах существуют метеорологические стан­ции, ведущие наблюдения за состо­янием атмосферы - измеряются температура, влажность, ко­личество осадков, сила ветра и дав­ление воздуха на различных высо­тах.

Целью нашего очередного занятия является начало разговора о тех основных физических величинах, которые являются составляющими показателями состояния и прогноза погоды.

Поговорим немного о погоде


  1. Давление атмосферы

Одним из основных факторов, определяющих погодные условия, является давление воздуха. Напомним, что давление определяется как сила, с которой газ или жидкость, заключен­ные в резервуар, действуют на еди­ницу площади стенки этого резер­вуара: р =. За единицу измерения давления в СИ принят 1 паскаль – то есть давле­ние, создаваемое силой в 1 ньютон, равномерно распределенной на площади в 1 м2; 1 Па = 1 Н/м2.

Часто используют внесистемную единицу измерения давления – атмосферу.

Введение этой единицы измерения давления связано с обнаружением, что воздух, составляющий атмосферу Земли, имеет вес. Ученики Галилео Галилея Эванджелиста Торричелли (1608 - 1647) и Винченцо Вивиани (1622-1703) по поручению Галилея поставили опыт, который сейчас хо­рошо известен: запаянная с одного конца метро­вая стеклянная трубка заполняется ртутью, открытый конец зажима­ется пальцем, после чего трубка пе­реворачивается и опускается в чаш­ку с ртутью, Если отнять палец, то уровень ртути в трубке упадет до 76 см. Торричелли делает два утверж­дения: во-первых, пространство над ртутью в трубке пусто (потом его назовут «торричеллевой пустотой»), а, во-вторых, ртуть из трубки не вы­ливается полностью, поскольку это­му препятствует столб воздуха, да­вящий на поверхность ртути в чаш­ке.

При­нять гипотезы Торричелли было не­просто. Лишь немногие из его сов­ременников смирились с тем, что воздух имеет вес; некоторые, исходя из этого, поверили в возможность получения вакуума, но поверить, что легчайший воздух удерживает в труб­ке тяжелую ртуть, было почти не­возможно.

В 1647 году Блез Паскаль (1623-1662) повторил и усовершенствовал опыт Торричелли, а в 1654 году Отто фон Герике (1602-1686), бургомистр города Магдебурга, опытом с магдебургскими колоколами подтвердил наличие атмосферного давления.

Для выполнения опыта было изготовлено два медных полушария диаметром около 35,5 см, одно из которых было снабжено трубкой для откачивания воздуха. Эти полушария сложили вместе, а между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. Затем с помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелись железные кольца, в которые были впряжены две упряжки лошадей. Все попытки разъеди­нить полушария не увенчались успехом, однако когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без усилия.

Развивая эту темати­ку, Герике построил первый водяной барометр и ис­пользовал его для метеорологических наблюдений (гигрометр, воздушный термометр, манометр – тоже изобретения Герике).

Итак, доказано, что воздух весом, и атмосфера Земли оказывает на ее поверхность давление, равное давлению столба ртути высотой 76 см.

Но воздушный океан нашей планеты неспокоен. Воздушные течения и циклоны меняют высоту и плотность атмосферы. Атмосферное давление колеблется в широких пределах и, безусловно, не может быть принято за эталон. Условились за «физическую атмосферу» принимать давление, ко­торое производит на горизонтальную плоскость столб ртути (эквивалент воздушной атмосферы) плотностью 13,595 г/см3 высотой 760 мм при 00 С и ускорении силы тяжести 980,665 см/с2. Вычисления показывают, что 1 атм ≈ 105 Па  100 кПа. Называют эту величину - нормальное атмосферное давление.

Еще одной внесистемной, но привычной единицей измерения давления является миллиметр ртутного столба - мм рт.ст. 1 атм  760 мм рт.ст., 1 мм рт.ст. = 133 Па.

Именно эти единицы атмосферного давления ежедневно слышим мы по радио и телевидению, и, сравнивая озвученное значение давления с нормальным, пытаемся угадать развитие погодных условий на ближайшее время.

Итак, давление воздуха у поверхности Земли равно р0 = 1,013·105 Па. Это означает, что на каждый квадратный метр земной поверхности со стороны атмосферы действует сила в 1,013·105 Н. Сила эта обусловлена притяжением Земли и равна весу столба воздуха над земной поверхностью с площадью поперечного сечения 1 м2.

Диапазон давлений в природе огромен. На дне воздушного океана мы живем при давлении в одну атмо­сферу. По расчетам ученых-геофизиков давление в цент­ре Земли около 4 миллионов атмо­сфер. Превращение графита в алмаз в недрах Земли происходит при давлении 100 000 атм, и температуре 2000 градусов.

Ясно, что у подножья горы воздух должен быть как бы сгущеннее, чем наверху, то есть давление воздуха в высокогорных районах Земли меньше, чем в низко расположенных долинах. Опытно установлена зависимость атмосферного давления от высоты над поверхностью Земли. Так, разница уровней рту­ти у основания и наверху собора Нотр-Дам-де-Клермон, имеющего вы­соту 39 м, составляет 4,5 мм. При высоте горы в 1,5 км разница уровней ртути составила 82,5 мм. Что же говорить о вершинах гор высотой более двух километров? На высоте Эвереста, при­мерно совпадающей с высотой радиа­ционной поверхности, давление воз­духа составляет только одну пятую нормального давления. Это и озна­чает, что выше лежит одна пятая массы атмосферы.

Прибор, позволяющий измерить атмосферное давление, называется барометром. Зная зависимость между давлением и высотой местности (следует заметить, что она не линейная!), барометр можно ис­пользовать и как высотомер (альти­метр).

Сегодня предсказа­ние погоды - основная функция ба­рометра.



  1. Температура

Известно, что состояние атмосферы определяет и погоду, и климат в данной местности. Но, прежде всего температура атмосферы интересует нас с практических позиций - от нее сильно зависят условия жизни,

Температура, как степень нагретости вещества или воздуха, знакома нам с малых лет. Мы привыкли измерять температуру в градусах по шкале Цельсия. Но в других странах температуру измеряют в других единицах, о которых нам обязательно нужно иметь представление. Хотя бы для того, чтобы правильно оценить погодную ситуацию в другой стране, тем более, на другом материке.

На сегодняшний день температурных шкал очень много. Наиболее известными являются шкалы Цельсия, Реомюра (в литературе) и Фаренгейта.

Многие шкалы за 00 температуры принимают температуру таяния льда, также, как и в нашей привычной шкале Цельсия. Но есть шкалы, например, американская шкала Фаренгейта, где за 00 принимают другое состояние воды или какого-либо другого вещества. По шкале Фаренгейта за 00 принята температура смеси, состоящей изо льда, воды и нашатыря. То есть 00F находится в области отрицательных температур шкалы Цельсия.

Различна и цена деления каждой шкалы, хотя называется почти во всех шкалах одинаково – «градус». Обозначаются градусы с обязательным указанием шкалы: «0С» - градус по шкале Цельсия, «0R»- градус по шкале Реомюра и «0F» - градус по шкале Фаренгейта.

Шкалой, объединяющей все существующие температурные шкалы, является абсолютная шкала температур, которая за основу берет не состояние какого-либо конкретного вещества, например, воды, как во многих шкалах, а энергетическое уравнение состояния молекул любого вещества (потому и называется абсолютной шкалой).

Эта шкала была предложена Уильямом Томсоном (1824-1907), который за огромный вклад в развитие термодинамики получил титул лорда с новым именем – Кельвин. Поэтому абсолютная шкала температур обозначается буквой Т (начальная буква фамилии Томсона), а единицу измерения температуры назвали Кельвин, [Т] = К. Именно Кельвин (К) принят за основную единицу измерения температуры в СИ.

Исходной точкой абсолютной шкалы температур (как и всех других температурных шкал) является температура 0 К, соответствующая полному прекращению хаотического (теплового) движения молекул абсолютно всех веществ. Это самая минимальная температура, которая теоретически может существовать (см.рис.).

Если совместить все названные нами шкалы, то получится схема, указанная на рисунке. Здесь: температуре таяния льда соответствуют 0 оC, 0 °R, 32 °F, 273 К;

температуре кипения воды соответствуют 100 °С, 80 °R, 212 °F, 373 К.

То есть точки плавления льда и кипения воды разделяют: 100 делений в шкале Цельсия, 80 делений в шкале Реомюра, 180 делений в шкале Фаренгейта, 100 делений в абсолютной шкале. Значит, 1°С = 0,8 °R = 1,8 °F = 1 К. Отсюда следуют соотношения:

tR = tc·0,8,

tF = tc·1,8 + 32,

Т = tc + 273.

Например, tc = -100С (наш мороз), tR = -80R , tF = -10·1,8 + 32= +140F, Т = 263 K.

Или tc = +300С (наша жара), tR = 240R , tF = 30·1,8 + 32 = 860F, Т = 303 K.

Часто зимой в Соединенных Шта­тах объявляют прогноз погоды, и, сообщая о температуре завтрашнего дня (по непривычной для нас шкале Фаренгейта), часто добавляют: «А с учетом ветра температура будет...» - и называют совсем пугающее значе­ние. Конечно, мы хорошо знаем, что зимой на ветру холоднее.

Почему же мы ощущаем на ветру воз­дух более холодным? Как оценить роль ветра в тепловых процессах?



  1. Испарение в природе

Живительные дожди и бегущие облака, стелящиеся туманы и изящные снежные кристаллы - за все это отвечают водяные пары. Влагооборот - один из основных погодообразующих факторов, а как мы все зависим от него, нам ежедневно напоминают, метеосвод­ки, сообщающие о влажности воздуха. Если бы прекратил­ся кругооборот воды в природе, за год с поверхности Мирового океана испарился бы слой воды толщиной около 1,1 метра.

Процесс испарения очень распростра­нен в природе и играет большую роль в формировании климата планеты, в жизни животного и растительного мира, в формировании условий для проживания человека. (Интересно, что испаряться, минуя жид­кое состояние, могут и твердые тела. Наиболее из­вестные примеры - испарение нафталина и йода, высыхание замерзшего белья).

Как известно, при наступлении засухи из-за недостатка воды в почве листья у многих растений скручиваются, чтобы уменьшить скорость испарение ее листьями, растение как бы свертывает их, уменьшая тем самым площадь поверхнос­ти испарения. По этой же причине у мно­гих растений пустыни нет листьев, а вмес­то них - лишь некрасивые колючки и шипы. Если же необходимо скорость испарение увеличить, нужно сделать площадь по­верхности испарения как можно большей.

Еще одним фактором, влияющим на скорость испарения, является движение воздуха над поверхностью жидкости или попросту ветер. Так, например, скошенная трава на лугу вы­сыхает быстрее, чем в лесу (справедливос­ти ради надо отметить, что на испарение в данном случае влияет также и солнечное тепло, которое в лесу с огромным трудом достигает травы, а в поле с успехом увеличивает испарение). И наоборот, у многих растений пустыни листья покрыты ма­ленькими густыми волосками, которые препятствуют интенсивному движению воздуха вблизи поверхности листьев и за­медляют процесс испарения.

Еще одно интересное явле­ние - усиление запаха цветов после до­ждя. Чтобы его объяснить, напомним, что запах вызывают пахучие эфирные масла, образующиеся в нектарниках. Безводные эфирные масла испаряются гораздо менее интенсивно, чем их смесь с водой, капель­ки которой во время дождя в большом количестве попадают в чашечки цветов, а оттуда в нектарники. Сильное испарение получившейся смеси и усиливает запах цветов.

Известно, что температура тела, с поверхности которого происходит испаре­ние влаги, уменьшается. Так, если сорвать с дерева лист и приложить его к лицу, можно почувствовать приятный холодок. Причина - интенсивное испарение влаги с листа.

Такой же эффект мы наблюдаем и после купания - если мы не сразу возьмем полотенце, то даже в жаркую погоду мо­жем замерзнуть.

Какую же температуру воздуха способен переносить человек? Оказывается, прово­дились специальные опыты, в результате которых выяснилось, что при постепен­ном нагревании сухого воздуха человек способен вынести температуру до 160 0С. И это при том, что изменение температуры тела даже на 1 0С очень болезненно ощущается челове­ком. Дело в том, что на самом деле темпе­ратура тела меняется очень незначитель­но, так как организм противодей­ствует нагреванию, обильно выделяя пот. Испарение пота требует большого коли­чества теплоты, которое поглощается из того слоя воздуха, который непосредствен­но прилегает к коже. Выделив это количес­тво теплоты, сам слой остывает. Однако воздух должен быть при этом достаточно сухим. Если в нем много влаги, процесс ис­парения будет идти очень медленно и ока­жется не в состоянии обеспечить человеку такую выносливость. И потому «влажная жара», например, в Ленинграде перено­сится порой гораздо труднее, чем «сухая жара», к примеру, в Средней Азии.

Становится понятным, почему в безветренную погоду мороз переносится легче, чем при сильном ветре. Ощущение холода обусловлено тем, что от лица, в час­тности, отнимается гораздо большее коли­чество теплоты, так как нагретый телом воздух быстро сменяется новой порцией холодного воздуха, который опять отнима­ет тепло. И чем сильнее ветер, тем быст­рее происходит эта смена. Кроме этого, с поверхности нашей кожи влага испаряется даже в хо­лодную погоду. Если ветра нет, испарение происходит медленно, потому что слой воздуха, находящийся вблизи кожи, пос­тепенно насыщается парами. Если же есть движение воздуха (при ветре или когда мы сами его создаем при быстрой ходьбе), то все новые и новые его порции соприка­саются с кожей, и происходит интенсив­ное испарение, которое и ведет к охлаждению.


  1. Влажность

Итак, еще один важный фактор, влияющий на погоду – это влажность воздуха.

В жидкости, как и в газе, частицы находятся в постоянном тепловом дви­жении. Но если в газe (при обыч­ных условиях) кинетическая энергия движения молекул значительно пре­вышает потенциальную энергию их взаимодействия, то в жидкости эти ве­личины оказываются одного порядка. Поэтому молекулы жидкости совер­шают лишь тепловые колебания около некоторых положений равновесия, временами «перепрыгивая» в другие. Средняя энергия таких колебаний оп­ределяется температурой жидкости, однако в жидкости всегда имеется некоторое число молекул с кинетиче­скими энергиями, существенно боль­шими средней. Когда такие высокоэнергетичные молекулы оказываются в приповерхностном слое, они могут, в принципе, преодолев притяжение со стороны окружающих молекул, выйти за пределы жидкости и образовал над ее поверхностью газообразную фазу - пар. Описанный процесс и называется испарением. Важно, что в той или иной степени испарение имеет место при всех температурах. Испа­ряются любые жидкости, и даже твер­дые тела (для них процесс испаре­ния называют сублимацией).

Если жидкость находится в закры­том сосуде, то, наряду с процессом испарения, т. е. вылетом из жидко­сти быстрых молекул, происходит и обратный процесс – возвращение молекул из пара в жидкость, т. е, конденсация. В конечном счете, между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие - состоя­ние, в котором число частиц, покидаю­щих жидкость в единицу времени, в среднем равно числу возвращающих­ся в нее частиц. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Абсолютной влажностью называют массу водяного пара, содержаще­гося в 1 м3 воздуха. Часто абсолютную влажность обозначают той же буквой, что и плотность - ρ. Измеряют эту величину в г/м3.

В ежедневном прогнозе погоды наряду с температурой, скоростью ветра и состоянием атмосферы обязательно указывается значение влажности воздуха. Здесь речь идет об относительной влажности. Напоминаем, что относительная влажность - это отношение абсолютной влажности к мак­симально возможной (то есть плотности насыщенного пара) при данной температуре. Каждому значению температуры соответствует значение максимальной плотности водяного пара ρ0. Темпе­ратура, при которой плотность водяного пара становится максимально воз­можной (пар становится насыщенным), называется точкой росы. Относительная влажность равна f =100 %.

Значение ρ0 определяется по таблице зависимости плотности насыщен­ного пара от температуры.

Довольно часто абсолютную влажность определяют не через плотность водяного пара, а через его парциальное давление: f =100 %, где р – парциальное давление пара при данной температуре, р0 – максимально возможное парциальное давление пара при этой температуре.

Поэтому в отношении определения абсолютной и относительной влажности можно пользоваться наиболее по­нятными или привычными понятиями.

Первый волосяной гигрометр был создан в 1783 году швей­царским геологом Го­рацием де Соссюром. В том же году Соссюр опубликовал статью, в которой доказал, что при одних и тех же температуре и давле­нии влажный воздух легче сухого. А в 1880 году шотландский морской ин­женер Джон Апткен открыл, что конденса­ция водяного пара при образовании тумана, облаков и дождя про­исходит на определен­ных микроскопических частицах, таких, как морская соль, мельчайшие пылинки и т. д. На этом от­крытии основаны не­которые современные работы по искусствен­ному вызыванию дож­дя.

Влажность является причиной резкого изменения погоды в горных районах в зависимости от высоты и расположения местности относительно направления ветра.

Давно известно, что переход через горный хребет в направлении ветра - с подветренной стороны на наветрен­ную, сопровождается переменой погоды. И если на вершине горы может быть облачность, а то и ливень или снегопад; за пе­ревалом же - безоблачно и ветер теплый и сухой. Такой ветер называют феном.

По мере подъе­ма на гору давление, при котором происходит насыщение паров, уменьшается с понижением температуры. Так что чем выше в гору, тем большая часть влаги, со­держащейся в воздухе, конденсируется. Образуется множество капелек, висящих в воздухе, - туман или об­лако.

Процесс конденсации происходит с выделением тепла парообразования.

И тепло это не малое - на кило­грамм образовавшейся из пара воды выделяется около 2,5 MДж при температуре 18°С. За счет этого теп­ловыделения температура у влажно­го воздуха уменьшается при подъеме медленнее, чем у сухого. Если бы облака вместе с воздухом перевалили через хребет, не потеряв ни капли воды, то в дальнейшем при спуске по наветренному склону и увеличении температуры воздуха вода сно­ва бы испарилась, а на это затра­тилось бы как раз ранее выделив­шееся тепло. Воздух у подножья с наветренной стороны стал бы иметь ту же температуру и влажность, что и у подножья с подветренной сто­роны хребта,

Но если ветер влажный, а хребет достаточно, высокий, то значитель­ная, доля воды оседает с туманом или выпадает с дождем и снегом. Опускается уже подсушенный воз­дух, у которого температура при спуске растет быстрее, чем она па­дала у влажного воздуха при подъеме. (Хребет должен быть высоким, чтобы понижение температуры возду­ха с подъемом оказалось достаточ­ным дли конденсации.) Поэтому на одной и той же высоте температура воздуха с наветренной стороны выше, чем с подветренной.

Причем разница тем­ператур на подветренной и наветрен­ной сторонах горы составляет довольно внушительное число: Т2 –Т1 ≈ 15 град! Жители горных мест и альпинисты подтверждают правильность этой оценки.

Давно известен общедоступный метод определения направление ветра. Для этого достаточно смоченный с одной стороны указа­тельный палец поднять вертикально и медленно повора­чивать влажной поверхностью во все стороны. Ветер дует с той стороны, в направлении на которую палец чувствует наибольший холод. Видимо животные поступают так же, только для этой цели им служит всегда влажный нос.

С точки зрения физики, с влажной поверхности происходит испарение жидкости, и при этом она охлаждается. Обдувающий воздух уносит испарившиеся молекулы от поверхности и препятствует возвращению их и унесенной ими энергии. Это усиливает испарение и сопро­вождающее его охлаждение. Наиболее интенсивно этот про­цесс происходит с наветренной стороны, т.е. обращенной туда, откуда дует ветер.



5. Тепловые процессы в атмосфере

Воздух поглощает солнечное излучение, и эта тепловая энергия частич­но переходит в кинетическую энергию движения потоков воздуха. Но воздух, как любое физическое тело, испыты­вает влияние вращения планеты: траектория его движения искривляется. Воздушные мас­сы в Северном полушарии отклоняются от направления первоначального движения вправо (рис. 1), а в Южном - влево. Направление дви­жения воздуха определяется также цент­робежной силой и силой тяжести. Опреде­ленную роль играет и сила трения, изменя­ющаяся в зависимости от шероховатости подстилающей поверхности.

Главный источник тепловой энер­гии Земли - Солнце. Солнце раскаленный термоядерными реак­циями шар радиуса RС = 6,96·108 м; температура поверхности Солнца TC = 5800 К.

Часть ее отражается Землей в кос­мос. Доля отраженной световой мощности на­зывается альбедо (от латинского albus - белый; альбедо - это как бы степень белизны). Считается, что альбедо Земли А лежит в преде­лах от 28 до 36 процентов. А куда девается остальная энергия? Ясно, что именно она и является причиной того, что на нашей планете тепло. Однако сол­нечное излучение поступает к Земле постоянно, и если бы никакого отвода энергии не было, то температура пла­неты постоянно росла бы. Следова­тельно, теплоотвод существует. И Земля, и остальные планеты тоже являются источниками излучения, Но спектр этого излучения лежит в неви­димой глазу области, в инфракрас­ном диапазоне.

Тепловое излучение Земли испус­кается слоями атмосферы на высоте 6 - 12 км. Именно на этих высотах средняя температура ~ 258 К. Ту часть атмосферы, которая ле­жит под поверхностью инфракрасно­го излучения, называют тропосферой. Тропосфера содержит около 80% всей массы атмосферы Земли. Тропосфера наиболее практически важная для нас часть атмосферы. Ее движение определяет все явления погоды. Все обычные облака тоже лежат в тропо­сфере - выше паров воды очень мало. Поэтому состоянием тропосфе­ры определяются осадки - дождь, снег, град.

Строго говоря, к тропосфере относят и область, лежащую на 2 - 3 км выше поверхности инфра­красного излучения, ту область, где температура воздуха продолжает па­дать с подъемом,

А выше 15 км температура атмо­сферы начинает расти! И дорастает она до 270 К, то есть снова почти до нуля градусов Цельсия, на высоте около 50 км. Этот слой атмосферы называют стратосферой. Тепловую энергию этому слою сообщают химические реакции, происходящие под дейст­вием ультрафиолетового излучения Солнца. Это - реакция разложения кислорода на атомы и реакция образования молекул озона О3. Слой повышенной концентрации озо­на в стратосфере служит как бы экраном, не пропускающим к земной поверхности губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца.

Озонный слой необходим Земле, но он непрочен. Озон частично раз­рушается от образования в страто­сфере окислов азота при ядерных взрывах в атмосфере, при мощных извержениях вулканов и даже при запуске ракет. Опасны для озонного экрана и содержащие хлор и фтор органические газы, которыми напол­няют аэрозольные баллончики и хладообменники холодильников, Боль­шинство этих воздействий на озон­ный слой вызвано деятельностью человека. Их суммарный эффект должен быть ограничен, поскольку озон стратосферы восстанавливается медленно.

Выше 55 км температура воздуха падает. Она опускается до 187 К на высоте 90 км над поверхностью Земли. Этот слой атмосферы назы­вается мезосферой. Падение темпе­ратуры в мезосфере происходит в ре­зультате того, что воздух в ней слабо поглощает солнечный свет.

Выше, над мезосферой, лежат тер­мосфера и экзосфера Земли, В тер­мосфере температура начинает резко возрастать и достигает значений око­ло 1000 К на высотах 350 - 400 км (Эту температуру нельзя измерить термо­метром: плотность газа термосферы и экзосферы настолько мала, что тепловое равновесие между газом и термометром никогда не устанавливается. Температура в данном случае измеряется по средней кинетической анергии молекул газа). Происходит это в результате погло­щения основными газами атмосфе­ры - кислородом и азотом - ультра­фиолетового излучения Солнца. Над термосферой температура не меняет­ся с высотой. Это - экзосфера, переходная область между атмосфе­рой Земли и космосом, та часть атмосферы, где происходит убегание от Земли водорода, гелия и в очень малых количествах остальных газов.

Как уже говорилось, парниковый эффект возникает за счет малых при­месей в атмосфере Земли водяных паров и двуокиси углерода, кото­рые не пропускают в космос инфра­красное излучение от Земной поверх­ности. Содержание СО2 в атмосфере сейчас равно 0,0337 %. А всего 20 лет назад оно было меньше: 0,0318 %. Это возрастание произошло вслед­ствие все увеличивающегося сжига­ния органических топлив: нефти, угля, газа. Так не будет ли парнико­вый эффект все возрастать? Не гро­зит ли Земле перегрев?

Конечно, дополнительная углекис­лота атмосферы способствует потеп­лению климата. Климат, однако, за­висит не только от нее.

Первым фактором следует назвать силу гравитационного взаимодейст­вия. Эта сила в значительной степе­ни регулирует газовый состав ат­мосферы и определяет способность планеты удерживать свою атмосферу. Чем больше масса планеты, тем про­ще ей удерживать легкие газы; при малой массе вращающееся тело может совсем лишиться атмосферы (возможно, именно поэтому нет атмо­сферы у Луны),

Вторым важным фактором является облучение планеты солнечной радиа­цией. Количество энергии, поступаю­щей к планете от Солнца, зависит от времени суток, а также от накло­на орбиты (зима - лето, экватор - полюс). В среднем на каждый квад­ратный метр земной поверхности от Солнца ежесекундно поступает энер­гия 1372 Дж. (Зная радиус Земли, легко вычислить суммарный поток энергии, поступающий от Солнца.) Падающие на Землю лучи частич­но отражаются; отношение отражен­ной радиации к падающей называет­ся альбедо поверхности. Альбедо сильно меняется в зависимости от вида поверхности, принимая значение от 0,1—0,15 для океана до 0,6 - 0,8 для чистого снега; в среднем для Земли альбедо примерно 0,3. Чем больше энергии приходит в данное место планеты, тем сильнее оно на­гревается. Нагретый воздух стремится вверх, холодный - опускается, и в ре­зультате в атмосфере возникают вертикальные воздушные потоки. Если бы Земля вращалась вокруг своей оси очень медленно, то основные темпе­ратурные контрасты, которые создают движение атмосферы, возникли бы между нагретым дневным и охлаж­денным ночным полушарием. Кроме различия между дневными и ночны­ми температурами, существуют раз­личия между температурами на по­люсах и на экваторе.

Третий определяющий фактор - собственное вращение Земли - де­лает несущественным для глобальных атмосферных течений суточный на­грев, так как время их образования и движения значительно больше време­ни вращения, т. е. больше суток. Пре­обладающим становится поднятие воздуха на экваторе, движение его в верхних слоях к полюсу, опуска­ние там и движение от полюса к экватору.

И еще: од­ной из причин, опре­деляющих разницу между морским и кон­тинентальным клима­том, является различие между теплоемкостями воды и почвы. Летом вода в приморских районах, нагреваясь медленнее, чем суша, охлаждает воздух, а зимой теп­лое море постепенно остывает, отдавая теп­ло воздуху и смягчая мороз. Поэтому здесь температурные коле­бания не так значи­тельны, как в конти­нентальных районах.



6. Вихри в атмосфере

Всем из­вестно, что смена времен года чаще всего сопровождается ветром. Но только ли с началом осени или весны воз­никают движения воздушных масс? А по­чему же тогда ветреные дни бывают, на­пример, и летом? Почему во многих райо­нах Земли наблюдаются ветры, постоянно дующие в определенном направлении?

Мы уже знаем, что перепады атмо­сферного давления возникают вследствие различного нагрева воздушных масс. Сол­нечное излучение, приходящее к поверх­ности Земли, создает циркуляционные дви­жения масс воздуха. Если бы таких движе­ний не было, экваториальные районы были бы еще более жаркими, а полярные - еще более холодными, чем сейчас.

Всякий раз, слушая прогноз погоды, мы узнаем о передвижении или взаимодействии циклонов и антицик­лонов, т. е. вихревых образований, размеры которых сотни километров. Как связать наличие этих образова­ний с общей циркуляцией атмосферы? В атмосфере обычно наблюдаются пять-шесть крупных вихрей.

Мощный короткоживущий атмосферный вихрь, возникающий обычно в грозовом облаке и стремительно движущийся к земле носит название смерча. Будучи одним из главных носителей хаоса в движении воздушных масс, он многолик в проявлении и потому имеет много различных названий: торнадо (так называют смерч в Северной Америке), циклон (по-гречески это кольцо змеи), ураган (от французского ouragan - сильный ветер), тайфун (от китайского тай фыи - большой ветер), тромб (от греческого tr6mbos - сгусток).

Вообще, вихревые движения ха­рактерны для атмосферы Земли. Од­нако далеко не все вихри «делают по­году». Погода на земном шаре в силь­ной степени зависит от присутствия гигантских атмосферных вихрей-цик­лонов и антициклонов, задающих ветровой режим в - данном районе Земли.

В вихревой системе, называемой циклоном (рис. 1), атмосферное дав­ление понижается от периферии к центру. Поэтому вблизи поверхности Земли воздушные течения направлены к центру циклона. Все циклоны име­ют вращательную составляющую скорости ветра, В Северном полуша­рии она направлена против часовой стрелки, в Южном - по часовой. В развивающихся циклонах (т. е. та­ких, у которых давление в центре продолжает падать) наблюдаются вос­ходящие потоки. При этом образу­ется мощная облачность и выпадают осадки,

Заметим, что возле самого эква­тора в полосе широт ≤ 5° по обе стороны мощные вихри не образуются.

В вихревой системе антициклона все наоборот: давление возрастает, достигая максимума в центре вихря. В развивающемся антициклоне при­сутствуют нисходящие потоки, Опускаясь, газ нагревается и удаляется от состояния насыщения водяным па­ром. Поэтому для антициклона харак­терна ясная малооблачная погода. Антициклоны вращаются по часовой стрелке в Северном полушарии и про­тив часовой стрелки в Южном.

В зависимости от места зарожде­ния циклоны делят на тропические и виетропические.

Внетропический циклон (называемый ино­гда просто циклоном) - это самый крупный атмосферный вихрь, дости­гающий нескольких тысяч километров в поперечнике. Высота его колеблется между 2 - 4 и 15 - 20 км. Скорость ветра в нем в большинстве случаев не превосходит 40 - 70 км/час.

Поперечный размер тропического циклона (называемого также ура­ганом, тропическим ураганом, тай­фуном и пр.) значительно меньше - всего несколько сот километров» вы­сота его - до 12-15 км. Давление в ураганах падает намного ниже, чем во внетропическом циклоне. При этом скорость ветра достигает 400- 600 км/час.

Самые большие скорости ветра в урагане наблюдаются вокруг так на­зываемого «глаза бури» — зоны по­коя в центральной части урагана. Черное пятно правильной формы на рисунке 2 - это и есть глаз (или око) бури. Заметим, что внетропические цик­лоны «глазом» не обладают.

Еще четче зона покоя (полость) выражена у мелкомасштабных вих­рей - смерчей (торнадо, тромбов). Размеры их очень малы: ширина - от нескольких метров до 2-3 км, в среднем 200 - 400 м, вы­сота от нескольких десятков до 1500 - 2000 м, в среднем несколько сот мет­ров. Скорость ветра в смерче иногда превышает звуковую (1200 км/час).

В сердцевине смерча давление па­дает очень низко, поэтому смерчи «всасывают» в себя различные, иногда очень тяжелые предметы, которые пе­реносят затем на большие расстояния. Люди, оказавшиеся в центре смерча, погибали. Поэтому нет наблюдений его полости изнутри.

По рассказам очевидцев полость смер­ча похожа на внутренность черного пустого цилиндра, освещенного из­нутри блеском молний, проскакиваю­щих между стенами. В некоторых слу­чаях наблюдатели молний не видели.

Со стороны смерч напоминает столб, воронку или хобот (рис. 3), свешивающийся из основа­ния мощного грозового облака. Смерчи обыкновенно возникают в районах, где соприкасаются воздуш­ные массы с резко отличными тепло­выми свойствами, в области мощных вертикальных движений и сходящих­ся потоков.

Смерчи часто наблюдаются в рав­нинных штатах Северной Америки. Проходя через фермы, они разрушают строения, в частности, курятники, разбрасывая их обломки далеко по равнине. На большом расстоянии от фермы находят куски разорванных куриных тушек. Бывали случаи, ког­да стены и крыши курятника ис­чезали, а куры оставались на месте, живые или мертвые. Часть кур на­ходят ощипанными: смерч всасывает в себя перья. Возможно, этому помо­гает следующее обстоятельство: в коже курицы у основания перьев на­ходятся воздушные мешочки, кото­рые могут взрываться, если давление окружающего воздуха упадет доста­точно низко. Так или иначе, потерять перья курица может только в том случае, если она находилась в ворон­ке смерча. Но однажды нашли кури­цу, у которой перья были ощипа­ны только на одной половине тела. Это значит, что скорость ветра ме­нялась на расстоянии нескольких сан­тиметров от «ощипывающей» до близ­кой к нулю.

Удивительна способность смерчей втыкать продолговатые предметы (соломинки, палки и др.) в деревья, стены домов, землю и т, п. Мелкие камни пробивают стекло подобно пу­лям, выпущенным из револьвера.

Зарегистрирован случай, когда во время прохождения смерча сосновая палка пробила лист железа толщиной около сантиметра. Этим же качеством обладают ураганы. По-видимому, эта способ­ность также связана с резкими пере­падами скорости в вихре.

.Возможны случаи одновременного появления двух или более вихрей в одном и том же районе. Оказавшись на достаточно близком расстоянии друг от друга, такие вихри начинают взаимодействовать между собой. Это явление называется эффектом Фудзивары.

Путь уже развившегося урагана иногда оказывается очень длинным, и, проходя его, вихрь испытывает различные превращения. При выходе из тропиков ураган принимает форму сильного внетропического циклона.

Штормовые циклоны Западной Ев­ропы часто оказываются бывшими тропическими ураганами, которые прошли вдоль берегов Северной Аме­рики и пересекли Атлантику. Неко­торые из них, пройдя по Европе, уходят затем в Азию.

Когда ураган выходит на сушу, то из-за «шероховатости» земной по­верхности его нижние слои начинают разрушаться. Кроме того, проходя над сушей, ураган слабеет из-за не­достатка «питания» - влаги. Но если ураган оказывается вновь над океаном, то сохранившаяся его верхняя часть может «раскрутить механизм» с прежней силой.

Обрушиваясь на густонаселенные районы суши, ураган уносит тысячи человеческих жизней и причиняет ог­ромный материальный ущерб. Энергия его громадна: за один день большой ураган «расходует» энергию, равную энергии взрыва 13 000 мегатонных ядерных бомб; кинетическая энер­гия среднего урагана равна запасу энергии 1000 атомных бомб.

Деятельность ураганов меняет рельеф земной поверхности: исчезают коралловые острова, «передвигаются» берега океана, появляются новые про­ливы и т. п.

Кроме глобальных циклонических вихрей, охватывающих всю земную атмосферу, в ней существуют вихри самых различных масштабов. Часто прохождение таких интенсивных вих­рей бывает катастрофическим. К этим вихрям относятся тайфуны, смерчи, «пыльные дьяволы». Заметно разли­чаясь по размерам - от сотен ки­лометров до десятка метров, и эти интенсивные вихри имеют много об­щего. Для образования интенсивного вихря требуется большой подвод энер­гии. Самые сильные и большие из них - тайфуны образуются в эквато­риальной зоне в результате интен­сивного поднятия теплого и влажного воздуха над нагретым океаном. Воз­можно образование вихрей и над зем­лей; для этого нужна или сильно нагретая поверхность (пустыня), или встреча теплого и влажного воздуха с холодным и сухим, как это имеет место в случае торнадо.

Обычно торнадо - так называют смерч над сушей в Соединенных Штатах Америки - возникает в грозовом облаке и стремительно движется вниз, к земле. При этом черные облака находятся так низко, что, кажется, уже касаются нас, а их видимое движение сопровожда­ется сильным ветром у земной поверхности, дождем, градом и холодом. Этот атмосферный вихрь существу­ет недолго, но порой вызывает значительные разруше­ния. В океане торнадо набирает силы и выходит, как разбойник, на большую дорогу. Дошло даже до того, что у него есть собственная дорога - известная в США «дорога торнадо».

Глобальные изменения климата, его потеп­ление из-за парникового эффекта, вызванного нараста­нием количества углерода в атмосфере, предсказывают увеличение числа случаев возникновения торнадо, а также его мощности и продолжительности.

Воздушная атмосфера несет с собой облака. Речь идет о плотных, мощных, а потому по цвету черных, из-за непроницаемости для солнечного света, облаках, из которых рождается торнадо.

Известно, что облака являются продуктом взаимодей­ствия солнечного излучения с водной поверхностью океана. Это взаимодействие приводит к процессам испарения воды океанов и конденсации пара в капли в верхних холодных слоях атмосферы. Солнечная энер­гия, способствовавшая процессу парообразования, как бы перемещается вместе с паром в верхние слои атмосферы, где некоторое время сохраняется до того момента, пока не начнется интенсивный процесс кон­денсации с последующим выпадением осадков на поверх­ность земли. Осадки превращаются в реки, реки впадают в океаны и т.д. Так осуществляется кругооборот воды в природе под действием энергии солнца. Пока пар в облаках не сконденсировался до состояния выпадения в виде осадков, облака представляют собой визуально наблюдаемый вариант парогазовой среды - туман.

Вихри образуются и при обдувании тела потоком воздуха. Попеременно срываясь то с одной то с другой стороны, они раскачивают тело. Размах колебаний может возрасти настолько, что произойдет разрушение. Так случалось с висящими мостами, радиомачтами и нефтяными вышками.

Продолжение разговора о погоде – в следующем номере нашего журнала



Правила оформления работ:


  1. Решения по каждому предмету оформляется отдельно.

  2. Каждое задание имеет свой шифр (М8.1.1 и т.д.), который указывается перед записью решения.

  3. Переписывать текст задачи не надо, достаточно краткой записи, если это необходимо.

  4. Оформлять решения в порядке следования заданий.

  5. Можно присылать нам столько решений, сколько удалось вам сделать, даже если оказалось невозможным выполнить всю работу.

При решении этой работы просим вас проявить как можно больше самостоятельности – это тестовая работа, и мы должны видеть реальный уровень вашей подготовки, а зачислены в заочную школу будут все приславшие свои работы.

Ждем ваших работ с нетерпением!

Наш адрес: 680000, г. Хабаровск, ул. Дзержинского, 48, ХКЦТТ (ХКЗФМШ).

Подробнее познакомиться со школой, ее традициями можно на нашем сайте:

www.khspu.ru/~khpms/

Там же, на форуме, можно проконсультироваться по вопросам, связанным с решением задач (и не только).
Задачи и вопросы

  1. Два полых стеклянных шарика соединены труб­кой, посередине которой находится капелька ртути. Можно ли по положению капельки судить о темпе­ратуре окружающего воз­духа?

  2. При каких усло­виях рост абсолютной влажности воздуха может сопровождать­ся уменьшением от­носительной влажно­сти?

  3. В какое время су­ток летом относитель­ная влажность возду­ха больше при одной и той же абсолют­ной влажности?

  4. Высокая температу­ра воздуха в пустын­ных местностях пере­носится сравнительно легко из-за низкой влажности. Почему жару гораздо труднее переносить при высо­кой влажности?

  5. Отчего вокруг сохраняющихся весной на полях отдельных снежных сугробов за­пас воды в почве больше, чем вдали от них?

  6. На улице целый день моросит холод­ный осенний дождь. В комнате развешено выстиранное белье. Высохнет ли оно бы­стрее, если открыть форточку?

  7. Отчего осенью по­сле восхода солнца ту­ман над рекой дер­жится дольше, чем над сушей?

  8. Осадки начинают­ся потому, что в об­лаках более крупные капельки растут за счет более мелких. Как объяснить это явление?

  9. Что произошло бы на Земле, если бы воздух внезапно исчез?

  10. Почему при облачном небе не всегда идет дождь?

Экспериментальные задания

1. Быстро откройте бу­тылку охлажденного лимонада. Откуда взялось облачко ту­мана у горлышка бу­тылки?

2. В двух одинаковых чайниках, поставленных на одинаковые горелки, кипит вода. У одного чайника крышка подпрыгивает, а у другого неподвижна. Почему?

3. Налейте в большую тарел­ку воду, зажгите бумаж­ку и опустите ее горя­щей внутрь стакана. Быст­ро переверните стакан и поставьте его на тарелку. Что произойдет с водой? Почему?



Усматриваете ли вы аналогию в процессах, происходящих в этих опытах с явлениями природы? Если – да, то - какую? Если – нет, то почему?
с. 1

скачать файл