Физический смысл атмосферного давления

Это сила действующая на единицу плошади,перпендикулярно площади. p = p 0 exp ⁡ [ − M g h − h 0 R T ], {\displaystyle p=p_{0}\exp \left[-Mg{\frac {h-h_{0}}{RT}}\right],}

44 Барическое поле, изобарические поверхности, карты изобар. Горизонтальный барический градиент. Анализ барического поля

Барическое поле – этопространственное распределение атмосферного давления

Для анализа пространственного распределения давления на высотах путем специальных расчетов в атмосфере выделяются поверхности с одинаковым атмосферным давлением. Такие поверхности называют изобарическими (от греческого «изос» — равный и «барос» — тяжесть, давление).

Изобарические поверхности располагаются одна над другой (с б о льшим давлением — ниже, с меньшим давлением — выше) и непараллельны уровню моря, что объясняется неравномерным горизонтальным распределением температуры и давления воздуха, а, следовательно, и различной барической ступенью. Над областью тепла изобарические поверхности повышаются, над областью холода понижаются. Эти поверхности бывают выше над областями с повышенным давлением и ниже над областями, где давление понижено.

Контроль за изменением пластового давления в продуктивном пласте в целом в процессе разработки залежи проводят с помощью карт изобар. Картой изобар называют нанесенную на план расположения забоев скважин систему линий (изобар) с равными значениями динамического пластового давления на определенную дату. Эта карта отображает особенности общего распределения динамического пластового давления в залежи, без учета локальных воронок депрессии каждой скважины.

ГРАДИЕНТ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ БАРИЧЕСКИЙ

изменение атмосферного давления на единицу расстояния для одной и той же уровенной поверхности

 

45 Среднее распределение давления у земной поверхности в январе и июле

В распределении атмосферного давления у земной поверхности существует зональность. Обобщенная планетарная схема распределения давления такова: вдоль экватора формируется пояс пониженного давления; к северу и к югу от него в обоих полушариях на широтах 30 – 40° – пояса повышенного давления; в умеренных широтах 50 – 70° – пояса пониженного давления; в приполярных широтах – области повышенного давления (рис. 52).

Реальная картина распределения атмосферного давления гораздо сложнее, особенно в северном полушарии, что наглядно обнаруживается на картах июльских и январских изобар, построенных по средним многолетним значениям на уровне моря (рис. 53, 54). Зональность давления нарушается вследствие неравномерного распределения материков и океанов с их разными условиями нагревания и охлаждения по сезонам года. Это приводит к тому, что в каждом поясе барическое поле распадается на статистически устойчивые области повышенного и пониженного давления, оконтуренные замкнутыми изобарами. Они называются центрами действия атмосферы. Одни из них постоянные, существующие в течение всего года, другие – сезонные, существующие только зимой или летом.

46 Ветер, его характеристики

Ве́тер — поток воздуха, который быстро движется параллельно земной поверхности. На Земле ветер является потоком воздуха, который движется преимущественно в горизонтальном направлении; на других планетах он является потоком свойственных этим планетам атмосферных газов. Сильнейшие ветры Солнечной системы наблюдаются на Нептуне и Сатурне. Солнечный ветер является потоком разрежённых газов от звезды, а планетарный ветер является потоком газов, отвечающих за дегазацию планетарной атмосферы в космическое пространство. Ветры, как правило, классифицируют по масштабам, скорости, видам сил, которые их вызывают, местам распространения и воздействию на окружающую среду.

Ветры классифицируют, в первую очередь, по их силе, продолжительности и направлению. Таким образом, порывами принято считать кратковременные (несколько секунд) и сильные перемещения воздуха. Сильные ветры средней продолжительности (примерно 1 минута) называются шквалами. Названия более продолжительных ветров зависят от силы, например, такими названиями являются бриз, буря, шторм, ураган, тайфун. Продолжительность ветра также сильно варьируется: некоторые грозы могут длиться несколько минут, бриз, который зависит от разницы нагрева особенностей рельефа несколько часов, глобальные ветры, вызванные сезонными изменениями температуры — муссоны — имеют продолжительность несколько месяцев, тогда как глобальные ветры, вызванные разницей в температуре на разных широтах и силой Кориолиса, дуют постоянно и называются пассаты. Муссоны и пассаты являются ветрами, из которых слагается общая и местная циркуляция атмосферы.

47 Силы действующие в атмосфере: сила тяжести, градиент давления, отклоняющая сила вращения Земли. Влияние трения на ветер

Сила тяжести — сила, действующая на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела

ГРАДИЕНТ ДАВЛЕНИЯ — барический градиент вектор, характеризующий степень изменения атмосферного давления в пространстве, равный производной от давления по нормали к изобарической поверхности, т. е. изменению давления на единицу расстояния в том направлении, в котором …

Поворотное ускорение на Земле имеет величину А = 2ωV sinφ, где ω есть угловая скорость вращения Земли, φ - географическая широта и V - скорость движения (ветра). Условно можно назвать поворотное ускорение отклоняющей силой вращения Земли или силой Кориолиса.

Отклоняющая сила вращения Земли обращается в нуль у экватора и имеет наибольшую величину на полюсе. Она также пропорциональна скорости ветра и обращается в нуль при скорости, равной нулю. Если тело неподвижно, то никакого ускорения относительно Земли оно получить не может. Направлена отклоняющая сила под прямым углом к скорости, вправо в северном полушарии и влево в южном. Отклоняющая сила вращения Земли при движении воздуха может уравновесить силу барического градиента.

Трение в атмосфере это сила, которая сообщает уже существующему движению воздуха отрицательное ускорение, т.е. замедляет движение и меняет его направление. Эта сила направлена противоположно направлению скорости. С высотой она убывает. Вызывается сила, трением воздуха о шероховатую поверхность, за счет турбулентности потока, вызванного неравномерным прогревом или охлаждением поверхности.

Скорость ветра уменьшается за счет трения над сушей примерно вдвое по сравнению с геострофическим ветром, рассчитанным для того же барического градиента. Над морем скорость действующего ветра составляет около двух третей скорости геострофического ветра. Море обеспечивает меньшее трение воздуха, чем суша.

 

48 Изменение ветра с высотой. Суточный ход ветра

С высотой скорость и направление ветра изменяются. В слое от земли до высоты

1000…1500 м (в слое трения) сила трения с высотой уменьшается, поэ тому ветер с высот ой

усиливается и поворачивает ся вправо до т ех пор, пока не станет градиентным (рис. 4.10). На высот е 500 м скорост ь вет ра примерно в 2 раза б ольше, чем у поверхности земли. Угол от клонения от вект ора силы горизонтального барического градиента постепенно увеличивается и на высоте 1000…1500 м достигает 90°. График изменения вет ра с высот ой в слое т рения называет ся спиралью Экмана (рис. 4.10). Таким образом, усиление и отклонение ветра вправо с вы сотой в слое трения происходит под влиянием уменьш ения силы трения.

 

 

Р -D Р

 

Р -D Р

 

Р Р

 

Рис. 4.10. Изменение направления и скорости ветра с высотой в слое трения (спираль Экмана)

 

Выше слоя трения, в свободной ат мосфере, скорость ветра может как увеличиваться, т ак и уменьшаться с высотой. Здесь встречаются и правые, и левы е поворот ы ветра, а иногда могут наблюдаться воздушные течения, противоположные направлению ветра у Земли.

ИЗМЕНЕНИЕ ВЕТРА С ВЫСОТОЙ

— увеличение скорости ветра с высотой в нижнем километровом слое атмосферы вследствие увеличения турбулентного трения, скорость ветра увеличивается по степенному или логарифмическому закону. Усиление ветра с высотой происходит тем интенсивнее, чем больше горизонтальный градиент температуры и чем ближе совпадают направления барического и термического градиентов. Изменение скорости ветра с высотой зависит еще и от вертикального -распределения температуры. Ср. Вращение ветра с высотой.

СУТОЧНЫЙ ХОД ВЕТРА

—изменение скорости и направления ветра в течение суток. Обычно ветер усиливается днем, когда в результате дневного прогрева увеличивается турбулентность. Направление ветра в ясный день стремится следовать „за солнцем" (см. Солнечный ветер). С высотой гелиотропизм ветра исчезает. У земной поверхности ветер ночью ослабевает. В верхней части пограничного слоя атмосферы суточный ход обратный, т. е. скорость ветра наименьшая днем, наибольшая — ночью. Между верхней и нижней частями -пограничного слоя существует переходный слой, в котором суточные изменения скорости ветра наименьшие. Середина этого переходного слоя — уровень обращения ветра —меняет свою высоту в течение года в широких пределах (от нескольких десятков метров до 130 — 150 м и более). Наиболее типичные отклонения от этой схемы связаны с немонотонным изменением скорости ветоа с высотой. При нормальном правом вращении ветра с высотой возрастание модуля скорости ветра сопровождается правым вращением внизу пограничного слоя, левым — вверху.

 

49 Общая циркуляция атмосферы

Общая циркуляция атмосферы (атмосферная циркуляция) — планетарная система воздушных течений над земной поверхностью (в тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны и воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами). Создает в основном режим ветра^[1]. С переносом воздушных масс общей циркуляцией связан глобальный перенос тепла и влаги. Существование циркуляции атмосферы обусловлено неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным влиянием неодинакового нагревания земной поверхности на разных широтах, а также над материками и океанами^[1].

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения.

На характер движения воздуха относительно земной поверхности важное влияние оказывает тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение. Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, всю систему воздушных течений на Земле — общей циркуляцией атмосферы. Вихревые движения крупного масштаба — циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему особенно сложной.

С перемещениями воздуха в процессе общей циркуляции связаны основные изменения погоды: воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности и пр.

Кроме общей циркуляции атмосферы, существуют местные циркуляции: бризы, горно-долинные ветры и др.; возникают также сильные вихри малого масштаба — смерчи, тромбы.

Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.

50 Зональность общей циркуляции в связи с зональным распределением давления

Наиболее устойчивая особенность в распределении как ветра, так и давления над Землей - зональность. Причина этого - зональность в распределении температуры. Зональность перемещения воздушных масс (т.е. зональность циркуляции) проявляется в преобладании широтных составляющих ветра (западной и восточной) над меридиональными составляющими. Степень преобладания может быть различной. Над тропическими океанами преобладание восточных составляющих в переносе воздуха в нижней части тропосферы выражено очень резко. Хорошо выражено и преобладание западных ветров в умеренной зоне южного полушария. В северном полушарии это преобладание можно заметить лишь при статистической обработке длинного ряда наблюдений. А на востоке Азии в нижней тропосфере преобладают меридиональные составляющие.

51 Воздушные массы и их движение

Воздушные массы — это подвижные части тропосферы, отличающиеся друг от друга своими свойствами — температурой, влажностью, прозрачностью. Эти свойства воздушных масс зависят от той территории, над которой они формируются при условии длительного пребывания. В зависимости от географического очага формирования различают 4 основных типа воздушных масс: арктические (антарктические), умеренные, тропические и экваториальные. Каждый из этих четырех типов формируется над пространством суши и моря. Так как суша и море нагреваются в разной степени, то в каждом из этих типов могут образовываться и подтипы — континентальные и морские воздушные массы.

Образующиеся воздушные массы неизбежно начинают перемещаться. Причиной этого является неравномерный нагрев земной поверхности и, как следствие, разность атмосферного давления. Если бы не происходило движение воздушных масс, то на экваторе среднегодовая температура была бы на 13° выше, а на широтах 70° — на 23° ниже, чем в настоящее время.

Вторгаясь в районы с иными тепловыми свойствами поверхности, воздушные массы постепенно трансформируются. Например, морской умеренный воздух, поступая на сушу и продвигаясь в глубь материка, постепенно нагревается и иссушается, превращаясь в континентальный. Трансформация воздушных масс особенно характерна для умеренных широт, в которые время от времени вторгается теплый и сухой воздух из тропических широт и холодный и сухой — из приполярных.

52 Циркуляция внетропических широт

При определенных контрастах температур и разности скоростей ветра по обе стороны от фронта на нем возникают неустойчивые фронтальные волны, амплитуда которых растет со временем. Такие неустойчивые волны дают начало циклонам и антициклонам. Основной особенностью атмосферной циркуляции во внетропических широтах и являются постоянное возникновение, развитие, перемещение, а затем разрушение крупномасштабных атмосферных возмущений − циклонов и антициклонов, называемое циклонической деятельностью

Когда речь идет о внетропической циркуляции, имеется в виду главным образом циркуляция в умеренных широтах. Если взять в целом области земного шара вне тропиков, то здесь всегда имеются районы, занятые арктическим (в Южном полушарии антарктическим) воздухом, образующим арктическую (антарктическую) воздушную массу (АВ). Большая часть средних широт занята воздушной массой умеренных широт (умеренная или полярная воздушная масса – УВ).

53 Возникновение фронтов. Теплый холодный фронты, Фронт Окклюзии

АТМОСФЕРНЫЙ ФРОНТ (тропосферный фронт), промежуточная, переходная зона между воздушными массами в нижней части атмосферы - тропосфере.

При этом между высокими холодными циклонами и высокими тёплыми антициклонами возникают зоны перехода в виде сгущения изогипс – высотные фронтальные зоны (ВФЗ), где концентрируются огромные запасы энергии, которая расходуется, в том числе, и на формирование циклонов и антициклонов, образование и активизацию атмосферных фронтов.

Тёплый фронт — атмосферный фронт, перемещающийся в сторону более холодного воздуха (наблюдается адвекция тепла). За тёплым фронтом в данный регион приходит тёплая воздушная масса.

Холодный фронт – наоборот ­

Фронт окклюзии — атмосферный фронт, связанный с гребнем тепла в нижней и средней тропосфере, который обусловливает крупномасштабные восходящие движения воздуха и формирование протяжённой зоны облаков и осадков. Нередко фронт окклюзии возникает за счёт смыкания — процесса вытеснения вверх тёплого воздуха в циклоне за счёт того, что холодный фронт «догоняет» движущийся впереди тёплый фронт и сливается с ним (процесс окклюдирования циклона). С фронтами окклюзии связаны интенсивные осадки, в летнее время — сильные ливни и грозы.

54 Циклоны и антициклоны. Возникновение циклонов и антициклонов, изменение барического поля с высотой, эволюция, перемещение, повторяемость

Циклон и антициклон – области низкого и высокого давления.

Причиной возникновения термических (нефронтальных) циклонов является неравномерное нагревание подстилающей поверхности и образование устойчивых восходящих движений воздуха над сравнительно большими площадями в радиусе 100 – 200 км, а также появление областей падения давления.

Фронтальные циклоны могут возникать на малоподвижных холодных и теплых фронтах, а также у точки окклюзии существующего циклона.

Возникновение циклонов связано с высотными фронтальными зонами и со струйными течениями. В процессе возникновения и развития циклона на фронте образуется волна, амплитуда которой со временем увеличивается. Если амплитуда волны со временем не увеличивается, циклон заканчивает свое существование на волновой стадии.

Возникновение и развитие антициклонов связано с развитием циклонов. Это единый процесс. В одном районе возникает дефицит массы воздуха, а в соседнем районе создается избыток массы воздуха – в результате возникает циклон и антициклон.

55 Погода в циклонах и антициклонах

Циклон — крупномасштабный атмосферный вихрь с пониженным давлением в центре и восходящими потоками воздуха. В Северном полушарии циклон имеет общее вращение против часовой стрелки. Циклон умеренных широт достигает в диаметре 1000—3000 км. С циклоном связаны большие области облаков и осадков. Зимой с приходом циклона наступает потепление, летом — снижение температуры воздуха.

Антициклон — область повышенного атмосферного давления с максимальным давлением в центре и нисходящим потоками воздуха. Растекаясь у поверхности земли, воздуха предоставляет антициклона в Северном полушарии вращение по часовой стрелке. Антициклоны достигают в диаметре тысяч километров. Для антициклона характерны ясные погоды, отсутствие облачности и осадков. В центре антициклона — штиль. Зимой с антициклоном в умеренных широтах связано резкое понижение температуры (вследствие ночного вихолоджування земной поверхности). Летом, наоборот, с антициклоном связано повышение температур (благодаря поступлению прямой солнечной радиации в течение долгого дня).

56 Циркуляция в тропиках

Общей циркуляцией атмосферы называют систему крупномасштабных воздушных течений на земном шаре, т.е. таких течений, которые по своим размерам сравнимы с материками и океанами.

В отличие от умеренных широт циркуляционные системы (но не погода) в тропиках отличаются значительной устойчивостью. Как на средних картах давления и ветра, так и в любой физический момент в тропической зоне можно различать пассаты, летний или зимний муссон и внутритропическую зону конвергенции, расположенную в экваториальной ложбине. Рассмотрим эти системы циркуляции подробнее.

Устойчивые ветры восточной четверти, дующие в течение всего года над океанами на обращенной к экватору периферии субтропических антициклонов в каждом полушарии, называют пассатами.

57 Местные циркуляции

Местная циркуляция атмосферы - система воздушных течений над сравнительно небольшой территорией земной поверхности или над акваторией, обусловленная географическими особенностями этой территории или акватории: характером рельефа, резкими контрастами температуры воздуха, подстилающей поверхностью и др.

58 Климатообразующие процессы: теплооборот, влагооборот, атмосферная циркуляция

Теплооборот обеспечивает тепловой режим атмосферы и зависит от радиационного баланса, т.е. притоков теплоты, приходящих на земную поверхность (в форме лучистой энергии) и уходящих от нее (лучистая энергия, поглощенная Землей, преобразуется в тепловую).

Влагооборот – непрерывный процесс перемещения воды под действием солнечной радиации и силы тяжести. Благодаря влагообороту в атмосфере возникают облака и выпадают осадки.ц

Циркуляция атмосферы — совокупность воздушных течений над земной поверхностью. Воздушные течения по своим масштабам изменяются от десятков и сотен метров (такие движения создают локальные ветра) до сотен и тысяч километров, приводя к формированию в тропосфере циклонов, антициклонов, муссонов и пассатов. В стратосфере происходят преимущественно зональные переносы (что обуславливает существование широтной зональности)^[1].

59 Климатообразующие факторы

Выделяют три главных климатообразующих фактора и факторы, влияющие на климат. Главные факторы — это факторы, определяющие климат в любой точке земного шара. К ним относятся: солнечная радиация, циркуляция атмосферы и рельеф местности
Солнечная радиация — фактор, определяющий поступление солнечной энергии на те или иные участки земной поверхности.
Циркуляция атмосферы — фактор, предопределяющий движение воздушных масс как по вертикали, так и по земной поверхности.
Рельеф — фактор, качественно изменяющий влияние двух первых климатообразующих факторов.

60 Микроклимат

Микрокли́мат (греч. μικρός (mikros) + κλίμα (klimatos)) — особенности климата на небольших пространствах, обусловленные особенностями местности (лес, поле, поляна, болото, берег, водоём, направление склона, защищённость от ветров и т. п.).

61 Классификация климата. Принципы классификации климатов

Сочетание климатообразующих факторов в различных географических условиях создает разные типы климата. Классификаций климата имеется много. По классификации В. Кеппена по температурному режиму выделяют 6 классов климата:

А. Тропические – среднемесячные температуры больше 17° С в течение всего года.

Б. Субтропические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 8-12 месяцев.

В. Умеренные – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 4-7 месяцев.

Г. Субарктические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 1-3 месяцев.

Д. Полярные – среднемесячные температуры ни в одном месяце не превышают 9° С.

Е. Сухие – испарение превышает осадки.

При классификации климата Л. С. Берг исходит из ландшафтно-географической зональности. Им предложено 12 типов климата:

1) вечного мороза; 2) тундр; 3) тайги; 4) лиственных лесов умеренной зоны; 5) муссонный в умеренных широтах; 6) степей; 7) средиземноморский; 8) зоны субтропических лесов; 9) внутриматериковых пустынь; 10) тропических пустынь; 11) саванн; 12) влажных тропических лесов.

62 Классификация климатов по Кеппену – Треварту

Классификаций климата имеется много. По классификации В. Кеппена по температурному режиму выделяют 6 классов климата:

А. Тропические – среднемесячные температуры больше 17° С в течение всего года.

Б. Субтропические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 8-12 месяцев.

В. Умеренные – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 4-7 месяцев.

Г. Субарктические – среднемесячные температуры больше 9° С в течение 1-3 месяцев.

Д. Полярные – среднемесячные температуры ни в одном месяце не превышают 9° С.

Е. Сухие – испарение превышает осадки.

63 Климатические зоны суши по Берту

Большое распространение имеет классификация климатов, предложенная Л.С.Бергом. Она построена на географическом принципе. В основе лежат ландшафтные зоны тундры, тайги, лиственных лесов и т.д. Климатические зоны, выделяемые Бергом, находятся в соответствии с этими ландшафтными зонами. По классификации Л.С.Берга различают следующие климатические зоны:

1.вечного мороза

2.тундры

3.тайги

4.лиственных лесов умеренной зоны

5.муссонный климат умеренных широт

6.степей

7.средиземноморский

8.субтропических лесов

9.внетропических пустынь

10.субтропических пустынь

11.саванн

12.влажного тропического леса

64 Генетическая классификация климатов Алисова

В России используется классификация климатов Б. П. Алисова – она наиболее логична и основана на физических процессах в атмосфере, и прежде всего на распределении по земному шару воздушных масс.

Борис Павлович Алисов предложил выделять климатические зоны и области, исходя из условий циркуляции атмосферы. В его сетке климатического районирования выделено семь климатических поясов в которых климатообразование круглый год происходит под преобладающим воздействием воздушных масс только одного типа: экваториального, тропического, умеренного (полярного) и арктического (в южном полушарии антарктического) воздуха. Между ними он различает шесть переходных зон, по три в каждом полушарии, характеризующихся сезонной сменой преобладающих воздушных масс. Это две субэкваториальные зоны, или зоны тропических муссонов, в которых летом преобладает экваториальный, а зимой – тропический воздух; две субтропические зоны, в которых летом преобладает тропический, а зимой – умеренный воздух; зоны субарктическая и субантарктическая, в которых летом преобладает умеренный, а зимой – арктический и субантарктический воздух.

65 Непостоянство климата, возможные причины его колебаний

Астрономические факторы климатообразования включают влияние солнечной активности и галактической среды, которые обусловливают различные пульсирующие воздействия на изменение элементов земной орбиты и скорости вращения Земли.

К геолого-географическим факторам относятся ритмические изменения рельефа в жизни земной коры, ритмические изменения в составе атмосферы, которые обусловлены цикличным воздействием внешних космических факторов на процессы тектогенеза земной коры. Эпохи орогенеза и усиления геоморфологической дифференциации земной поверхности, как правило, были и эпохами обострения климатических различий. Геократические фазы в жизни континентов одновременно были и фазами отчетливо выраженной аридизации климатов, в то время как талассократические фазы сопровождались смягчением климатических контрастов и расширением гумидных зон.

66 Перспективы изменения климата в результате антропогенных воздействий

По-видимому, основными факторами антропогенного воздействия на климат являются увеличение концентрации парниковых газов, а также увеличение выбросов аэрозолей в атмосферу.