Файл: Колодочка А.С. Метеорологические условия стрельбы артиллерии учебное пособие.pdf

Воздух, как и все его газообразные составные части, способен рас­ пространяться в других газах (диффундировать). Коэффициент объемного' расширения воздуха (а) равен 1/273.

Теплоемкость воздуха при постоянном давлении в 4 раза мень­

* Удельная газовая постоянная реального влажного воздуха в тропосфере всегда несколько больше постоянной сухого воздуха, что учитывается через виртуальную температуру (см. § 15).

возможное расстояние искусственного спутника Земли, что очень убедительно доказано успешным запуском советских, а затем и аме­ риканских спутников.

Выше 200 км вступают в действие почти все факторы межпла­ нетного пространства. Однако и здесь еще не кончается атмосфера в полном смысле слова, так как частицы газа обнаруживаются до высоты порядка 1000—1200 км, на что указывают регулярные на­ блюдения за искусствеными спутниками Земли, а также отдельные наблюдения за, светимостью ночного неба, за полярными сияниями и другими явлениями. Поэтому говорить о четкой определенной гра­ нице атмосферы нельзя. Она медленно, постепенно переходит в ми­ ровое пространство.

Исследования последних лет указывают на наличие у Земли га­ зового хвоста, который тянется от Земли в сторону, противополож­ ную Солнцу, на расстояние около 100 000 км. Наличие газового хвоста еще более осложняет определение верхней границы земной атмосферы.

§ 8 ПОНЯТИЕ О ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССАХ В АТМОСФЕРЕ

Главным источником всякой энергии на Земле является Солнце. Без Солнца жизнь на Земле была бы невозможной. Из огромного количества энергии, излучаемой Солнцем, Земля получает менее одной миллиардной ее части. Однако этого количества вполне до­ статочно для поддержания жизни на Земле.

Лучистая энергия Солнца, проникающая в нашу атмосферу, на­ зывается солнечной радиацией.

Солнце посылает на Землю в течение года огромное количество энергии, около 1 )341021 ккал тепла; этого тепла хватило бы для того, чтобы расплавить ледяную корку толщиной в 36 м, покрываю­ щую всю поверхность земного шара, и превратить ее в воду при температуре 0~С. Вся остальная энергия, поступающая на земную поверхность, например, лучистая энергия звезд и планет, внутрен­ няя теплота Земли, энергия распада радиоактивных веществ зем­ ной коры и т. п., представляет по сравнению с солнечной радиацией крайне ничтожную величину, примерно 1 : 5000 доли солнечной ра­ диации.

Солнечная радиация является основным источником всех физи­ ческих процессов, совершающихся на земле и в атмосфере. Благо­ даря солнечной радиации поддерживается тот запас тепла, который необходим для жизни человека, животных в растений. Солнечной радиации мы обязаны круговороту воды, без которого даже при наличии тепла была бы невозможна жизнь на земле. Различное нагревание отдельных районов суши и водных пространств приво: дит также к возникновению воздушных и морских течений. Энер­ гия, которую мы получаем от сжигания в печах всякого рода топ­ лива, применения паровых и электрических двигателей, использо­ вания силы воды и ветра — в-се это не что иное, как использование преобразованной солнечной энергии.

36

Солнечная радиация характеризуется интенсивностью. Под ин­ тенсивностью солнечной радиации понимают количество тепла, при­ ходящегося в 1 минуту на 1 см2 черной поверхности, перпендику­ лярной солнечным лучам. У поверхности земли эту интенсивность называют напряжением солнечной радиации, а на внешней границе атмосферы (или земной поверхности, если бы атмосфера была аб­ солютно прозрачной) — солнечной постоянной. Точные наблюде­ ния, произведенные в различных пунктах, показали, что солнечная

кал

постоянная в среднем равна 1,94---- ц-------. Ее колебания вокруг

С$1/ Ж&Ин

среднего значения зависят от солнечной активности (количества солнечных пятен) и от расстояния между Землей и Солнцем.

Притекающая к нашей планете лучистая энергия Солнца далеко не вся поглощается системой земля — атмосфера. Часть этой энер­ гии (в среднем 42%) отражается атмосферой, облаками, а также земной поверхностью (сушей, водой, снегом и т. п.) и безвозвратно уходит в мировое пространство. Остальная лучистая энергия, попа­ дая в систему земля — атмосфера, частично доходит до земной по­ верхности и поглощается последней, а частично рассеивается и по­ глощается атмосферой, т. е. происходит так называемое ослабление радиации. При рассеивании лучистая энергия не переходит в дру­ гой вид энергии, а лишь меняет свое первоначальное направление вследствие преломления и отражения мельчайшими частицами, взвешенными в воздухе, и самими молекулами воздуха. При погло­

ультрафиолетовых (0,17р) до инфракрасных (4р). Видимые лучи имеют длины волн в пределах от 0,40р (фиолетовые) до 0,76р. (красные). Наибольшее количество лучистой энергии приходится на левую часть видимого спектра, т. е. на коротковолновые лучи зелено-голубой области (0,475р). Эти лучи значительно сильнее рассеиваются, чем поглощаются, поэтому атмосфера от лучей Солн­ ца нагревается незначительно.

Если рассеиванию в атмосфере подвержены в той или иной сте­ пени лучи всех длин волн, то поглощению подвержены определен­ ные лучи, преимущественно длинноволновые. Количество длинно­ волновых лучей в солнечной радиации сравнительно невелико, по­ этому невелика и доля поглощения радиации атмосферой — около 15% общей лучистой энерпии Солнца.

Часть лучистой энергии, приходящая к земной поверхности в ви- - де параллельных лучей от Солнца, называется прямой солнечной

верхности в виде так называемой рассеянной радиации.

Как прямая солнечная радиация, так и рассеянная при падения на земную поверхность частично отражаются от последней и направ­ ляются обратно в атмосферу в виде потоков отраженной радиации.

37

Все эти виды радиации состоят из лучей тех длин волн, которые входят в состав солнечной радиации и получили в метеорологии название коротковолновой радиации в отличие от длинноволновой радиации, которая излучается земной поверхностью и атмосферой.

Поверхность земли, нагретая прямой или рассеянной радиацией, сама излучает тепло в атмосферу, и тем сильнее, чем выше ее тем­ пература. Так как земная поверхность излучает преимущественно' длинноволновые лучи (от 3 до 80ц при максимуме 10ц), которые больше всего подвержены поглощению, особенно водяными пара-

ми, то даже в ясные дни до 90% этого излучения поглощается ат­ мосферой. Следовательно, атмосфера прогревается в основном за счет излучения нагретой солнцем поверхности земли. Прогреваются преимущественно' нижние слои атмосферы, так как водяной пар, частицы дыма, пыли и солей, которые поглощают земное излуче­

поверхности на границе атмосферы получает от Солнца в виде ко­ ротковолновой радиации 700 кал/см2 сутки. Примем указанное ко­

Итого отражается . . .42%

38

Поглощается:

можно считать, что поток тепла к Земле должен быть компенсиро­ ван соответствующей отдачей лучистой энергии в виде длинновол­ новой радиации. В указанных’ выше единицах земная поверхность вследствие лучеиспускания теряет 120%, .из которых 112% погло­ щается атмосферой, а 8% уходит в мировое пространство. Нако­ нец, атмосферный воздух, как и все нагретые тела, также излучает энергию, притом, как и Земля, в виде длинноволновой радиации. Это излучение составляет в тех же единицах 146%. Из этой радиа­ ции 96% поглощается Землей и 50% уходит в мировое простран­ ство. Кроме того, вследствие процессов испарения и конденсации Земля передает атмосфере 23% тепловой энергии и получает от ат­ мосферы благодаря вертикальному обмену 4%. Если сравнить ука­ занные числа, то получим, что приход тепла к системе Земля — атмосфера компенсируется отдачей.

От поверхности, земли тепло распространяется в атмосферу' не только излучением, но также теплопроводностью и конвекцией.

Теплопроводность неподвижной атмосферы ввиду ее незначи­ тельности и малой объемной теплоемкости воздуха большого зна­ чения в распространении тепловой энергии не имеет, а наибольшее значение приобретает механический перенос тепла — конвекция.

Причиной возникновения конвективных токов в атмосфере яв­ ляется неравномерность нагревания земной поверхности, которая объясняется различиями в физических свойствах воды и суши и са­ мой суши. Вода нагревается гораздо медленнее, чем суша. Но и су­ ша нагревается неравномерно из-за различия в теплопроводности и теплоемкости различного рода почв, степени их увлажненности, характера растительного покрова, неодинаковой способности погло­ щать лучистую энергию солнца и пр. Вследствие этого создаются большие разности в температуре поверхности земли и соприкасаю­ щегося с ней воздуха. Более нагретый от соприкосновения с поверх­ ностью земли воздух расширяется, становится более легким и, на­ чинает подниматься небольшими струйками вверх, освобождая ме­ стодля менее нагретого, относительно холодного, а поэтому и бо­ лее плотного воздуха, опускающегося вниз. В результате этих вер­ тикальных перемещений воздуха и происходит вертикальный обмен тепла в атмосфере. Движение воздуха вверх носит наименование восходящих токов, а движение вниз — нисходящих токов.

Описанное явление, называемое тепловой (термической) кон­ векцией, получает наибольшее развитие в дневные часы летом, когда особенно велико нагревание земной поверхности солнцем.

39