Файл: Чандлер Т. Воздух вокруг нас.pdf

да легче, во-первых, потому, что он нагрет и поступает с теплой поверхности, во-вторых, потому, что 1 м3 чистого пара примерно на 2/б легче 1 м3 чистого сухого воздуха при той же температуре

идавлении. Отсюда следует, что влажный воздух легче сухого,

атеплый и влажный тем более. Как мы увидим позже, это очень важный факт для процессов изменения погоды.

Воздух может подниматься по двум причинам: либо потому, что становится легче в результате нагревания и увлажнения, либо потому, что на него действуют силы, заставляющие его подниматься над некоторыми препятствиями, например над мас­ сами более холодного и плотного воздуха или над холмами и го­

и при этом охлаждаться. Расширение требует затрат кинетиче­ ской энергии, которая берется за счет тепловой и потенциальной энергии атмосферного воздуха, а этот процесс неизбежно ведет к понижению температуры. Скорость охлаждения поднимающей­ ся порции воздуха часто меняется, если эта порция перемешива­ ется с окружающим воздухом.

Сухой воздух, в котором отсутствует конденсация или испа­ рение, а также перемешивание, неполучающий энергию в дру­ гой форме, охлаждается или нагревается на постоянную величи­ ну (на 1°С через каждые 100 м) по мере подьема или опускания.

Эту величину называют сухоадиабатическим градиентом. Но ес­ ли поднимающаяся воздушная масса влажная и в ней происхо­ дит конденсация, то при этом выделяется скрытая теплота кон­ денсации и температура насыщенного паром воздуха падает зна­ чительно медленнее. Эта новая величина изменения температуры называется влажноадиабатическим градиентом. Она не постоян­ на, а изменяется с изменением величины высвобождающейся скрытой теплоты, другими словами, она зависит от количества конденсируемого пара. Количество же пара зависит от того, на­ сколько сильно понижается температура воздуха. В нижних сло­ ях атмосферы, где воздух теплый и влажность высокая, влажно­ адиабатический градиент чуть больше половины сухоадиабати­ ческого градиента. Но влажноадиабатический градиент посте­ пенно растет с высотой и на очень большой высоте в тропосфере почти равен сухоадиабатическому градиенту.

Плавучесть движущегося воздуха определяется соотношени­ ем между его температурой и температурой окружающего возду­ ха. Как правило, в реальной атмосфере температура воздуха па­ дает с высотой неравномерно (это изменение называется просто градиентом). Если масса воздуха теплее и поэтому менее плот­ ная, чем окружающий воздух (а влагосодержание постоянно), то она поднимается вверх так же, как детский мяч, погруженный в бак. Наоборот, когда движущийся воздух холоднее окружаю-

щѳго, то плотность его выше и он опускается. Если воздух имеет ту же самую температуру, что и соседние массы, то их плот­ ность равна и масса остается неподвижной или движется только вместе с окружающим воздухом. Таким образом, в атмосфере присутствуют два процесса, один из которых способствует раз­ витию вертикального движения воздуха, а другой замедляет

его.

В обычных условиях, если масса воздуха, двигаясь вверх, приобретет температуру, более низкую, чем имеет окружающий воздух, то, естественно, она будет стремиться опуститься на начальную высоту. Аналогично опускающийся воздух, став теплее окружающего, снова поднимется. Говорят, что такая атмосфера устойчива, так как препятствует вертикальному движению. Но если масса воздуха охлаждается или нагре­ вается адиабатически (поднимающийся воздух постепенно ста­ новится теплее, а опускающийся постепенно холоднее, чем окру­ жающий), то движение, однажды начавшись, продолжается с возрастающей скоростью. Такую атмосферу называют неустой­ чивой, в ней усиливаются вертикальные движения. Если, с дру­ гой стороны, наблюдаемый градиент равен адиабатическому, то температура (и плотность) движущейся массы воздуха не будет изменяться. Тогда говорят, что атмосфера находится в безраз­

личном равновесии.

Градиент хорошо перемешанной атмосферы близок к сухо­ адиабатическому градиенту, так что сухой воздух в нижних сло­ ях тропосферы часто находится в состоянии безразличного рав­ новесия. Но когда воздух вблизи земной поверхности интенсивно нагревается, градиент, как правило, больше сухоадиабатического и тем более влажноадиабатического градиента. В этом случае воздух у земли становится неустойчивым, появляются стреми­ тельно поднимающиеся потоки теплого и часто влажного воздуха. Гроза, торнадо и пыльные бури — следствие очень неустойчи­ вого состояния атмосферы, в меньшем масштабе проявляю­ щегося во внезапных вихрях пыли над нагретой мостовой летом. В летний день температура может резко понижаться в слое не­ сколько сантиметров над поверхностью земли, при этом градиент во много сотен раз может превысить реальный средний градиент температуры в тропосфере. В приземном слое толщиной 30 см над травяным газоном падение температуры на 10°С — явление весьма обычное.

^Кучевые облака над полями Франции. Большая часть облаков обра­ зовалась при охлаждении поднимающегося теплого влажного воздуха. При

охлаждении влага начинает конденсироваться в капли облаков. Схема пока­ зывает место конденсации во влагообороте. Вода, испарившаяся с поверхно­ сти моря, может пройти сотни километров, прежде чем выпадет на землю

в виде дождя, града, крупы или снега.

67

теплее, чем у поверхности земли. Такое явление называется ин­ версией температуры и наблюдается в Западной Европе каждые две ночи из пяти (в хорошую погоду). Если температура воздуха понижается у поверхности до уровня конденсации, водяной пар конденсируется в капли и облака, которые задерживаются под слоем более теплого воздуха. Эти облака называются радиацион­ ным туманом. Над городами инверсионный слой может задер­ живать атмосферные загрязнения в виде дыма и выхлопных га­ зов, которые, соединяясь с туманом, образуют плотный ядовитый смог — название, образованное от слов «дым» (smoke) и «туман» (fog). Но если инверсионный слой образовался, скажем, на высоте 1—2 км над поверхностью земли, под ним возникают чаще всего слоистые облака. В субтропических широтах образуется мощ­ ный и очень протяженный инверсионный слой — пассатная ин­ версия. Это слой задерживает развитие облаков в вертикальном направлении до 200—300 м. В стратосфере устойчиво стратифи­ цированный воздух, подобно инверсионному слою, способен вы­ равнивать кристаллические вершины кучево-дождевых облаков и даже вершины облаков, образовавшихся от взрыва атомной бомбы. А ведь она способна приподнять по крайней мере 9-кило­ метровый слой тропосферы даже в устойчивом состоянии.

Как мы видели, облака в виде тумана могут образоваться и на уровне поверхности земли, когда влажный воздух отдает земле так много тепла, что пар, поднимающийся с ее поверхности, тут же конденсируется. Однако, как правило, облака образуются, если влажный воздух охлаждается при движении вверх. Восхо­ дящие потоки воздуха можно разбить на четыре вида, каждый из которых образует совершенно отличный от других тип обла­ ков. Это, во-первых, конвективные потоки, ведущие к образова-

68

Теплый воздух вынужден подниматься и в том случае, если встреча­ ет препятствие. Таким препятствием может оказаться клин более холодного воздуха или ряд холмов. Над холмами тогда образуются так называемые орографические облака.

нию кучевых облаков, во-вторых, обширные регулярные потоки восходящего воздуха на теплом фронте, дающие слоистые обла­ ка, в-третьих, неупорядоченные движения воздуха, которые так­ же дают слоистые облака, в-четвертых, возмущения в воздухе, распространяющемся над возвышенными участками земной по­ верхности — орографические волны.

Большую часть кучевых облаков вызывают термики, т. е. порции воздуха, поднимающиеся над участками нагретой по­ верхности. Термики имеют форму почти сферы или гриба шири­ ной от десятков до сотен метров. По мере того как термик подни­ мается, трение между движущейся массой воздуха и окружаю­ щим воздухом вызывает некоторые добавочные движения, кото­ рые, однажды начавшись, постепенно перемешивают воздух тер­ мина с воздухом окружающего пространства. Очевидно, ниже уровня конденсации термики невидимы, но выше этого уровня водяной пар конденсируется, образуются видимые облака, со­ стоящие из мелких водяных капель. Высвобожденное при кон­ денсации тепло нагревает термик и помогает ему сохранить пла­ вучесть, теряющуюся при перемешивании воздуха на его верши­ не и сторонах с окружающим более холодным и сухим воздухом, а также при испарении капель на краях облаков.

Через большое кучевое облако, само частично состоящее из остатков прежних терминов, обычно проходит несколько терми­ нов. Новые, более активные термики пробиваются через сфор­ мировавшееся облако, пока не остановятся, охладившись в ре­ зультате перемешивания и испарения. После этого они либо ис­ парятся, либо опустятся в главную облачную башню. Движение терминов вверх может прекратиться, если на их пути окажется слой с устойчивой стратификацией, например слой инверсии. Под ним облака будут распространяться горизонтально.

69

Очень красивое зрелище можно наблюдать в средних широ­ тах при подъеме мощного слоя атмосферы обычно перед фрон­ том. В этих областях образуется многослойная система облачных слоев, от слоисто-дождевых, ближайших к поверхности земли, слоистых и высоко-слоистых до перистых, простирающихся до высоты 10 км и более. (Облачные слои разделены безоблачными промежутками, позже заполняющимися облаками.) Все эти обла­ ка поднимаются очень медленно, со скоростью 10 см/с и менее, т. е. значительно медленнее, чем кучевые облака (скорость подъ­ ема облака хорошей погоды примерно 1—5 м/с, а большого ку­ чево-дождевого облака — 30 м/с).

Нерегулярные перемешивающие движения, или турбулент­ ность, над холодной земной или морской поверхностью часто уменьшают температуру приземного воздуха до значения, при котором начинается конденсация и образование тумана или низ­ ких слоистых облаков. В безветренные ясные ночи, когда Земля теряет большое количество тепла путем излучения длинноволно­ вой радиации, тонкий приземный слой атмосферы охлаждается

70