ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРИ
ТДАТУ
Кафедра загального землеробства
Конспект лекцій з метеорології та кліматології
Зміст
ПРЕДМЕТ І МЕТОДИ МЕТЕОРОЛОГІЇ І КЛІМАТОЛОГІЇ 3
АТМОСФЕРА І ПОВІТРЯ.. 6
РАДІАЦІЙНИЙ РЕЖИМ в АТМОСФЕРІ 11
ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРИ.. 20
ВОДА в АТМОСФЕРІ 31
Баричне ПОЛЕ І ВІТЕР. 45
АТМОСФЕРНА ЦИРКУЛЯЦІЯ.. 52
Погода і КЛІМАТ.. 57
ПРЕДМЕТ І МЕТОДИ МЕТЕОРОЛОГІЇ І КЛІМАТОЛОГІЇ
1.1. Місце і значення метеорологічних і кліматичних досліджень у системі екологічних знань.
1.2. Предмет і методи метеорологічних та кліматичних досліджень.
1.3. Історія розвитку метеорології і кліматології.
1.1. Місце і значення метеорологічних і кліматичних досліджень у системі екологічних знань
Екологія вивчає безліч питань про здатність організмів пристосовуватись до мінливих умов існування і в першу чергу вивчає вплив на організми середовища в цілому і його окремих факторів.
Тобто провідне значення в системі екологічних знань приділяється вивченню коливань стану навколишнього середовища, чим і займається наука метеорологія.
Метеорологія, поряд с іншими географічними і біологічними науками, входить у структуру системи екологічних знань.
1.2. Предмет і методи метеорологічних та кліматичних досліджень
Метеорологія– це наука, що вивчає і пояснює фізичні явища і процеси, що відбуваються в атмосфері при її взаємодії з підстилюючою поверхнею.
В коло задач метеорології входить:
1 – вивчення складу і будови атмосфери;
2 – вивчення тепло обігу і теплового режиму в атмосфері та на земній поверхні (включаючи радіаційні процеси та різні механізми нерадіаційного обміну між атмосферою і підсилюючою поверхнею та всередині атмосфери);
3 – вивчення волого обігу і фазових перетворень води в атмосфері у її взаємодії з земною поверхнею;
4 – вивчення атмосферних рухів – загальної циркуляції атмосфери, частин її механізму та місцевих циркуляцій;
5 – вивчення електричного поля атмосфери;
6 – вивчення оптичних і акустичних явищ в атмосфері.
Важливу роль у всіх цих задачах метеорології грає теорія і техніка метеорологічних спостережень.
Якісно і кількісно фізичний стан атмосфери і процеси, що відбуваються в ній, виражаються за допомогою певних величин, так званих метеорологічних елементів і атмосферних явищ. Найбільш важливими для життя і господарської діяльності людини є наступні з них: тиск повітря, температура і вологість повітря та ґрунту, хмарність, опади, вітер, тумани, хуртовини, ожеледь, грози, пилові бурі. Часто ці елементи називають елементами погоди.
Стан атмосфери над даною територією у даний час, обумовлений фізичними процесами, що відбуваються в ній при взаємодії з підстилюючою поверхнею, називаєтьсяпогодою.
Кліматомназивається закономірна послідовність атмосферних процесів, що утворюється в даній місцевості в результаті взаємодії сонячної радіації, атмосферної циркуляції і фізичних явищ, що відбуваються над підстилюючою поверхнею і зумовлюється характерним для цієї місцевості режимом погоди.
Кліматологієюназивається наука, що вивчає умови формування клімату і кліматичний режим різних країн і районів. Кліматологія розглядає взаємозв'язки між окремими кліматоутворюючими факторами і їх взаємодію з підстилюючою поверхнею.
Вивчення клімату йде не тільки по лінії використання середніх значень, що дають кількісну його характеристику, але і по лінії вивчення кліматоутворюючих процесів і циркуляційних факторів, що приводять до утворення тих чи інших особливостей клімату. Цими питаннями займається синоптична метеорологія.
В середині метеорології відокремилось ще декілька часних дисциплін: актинометрія, динамічна метеорологія, синоптична метеорологія, атмосферна оптика, аерологія та ін.
Методи метеорологічних і кліматичних досліджень базуються на основних законах фізики, хімії й інш. наук, у т.ч. на законах діалектичного матеріалізму:
- візуальний;
- інструментальний;
- метод дистанційних вимірів;
- фотометричний;
- статистичний метод;
- синоптичний метод;
- метод моделювання.
Усі зазначені методи повинні використовуватися спільно з метою успішного розвитку теорії метеорології, кліматології і рішення задач обслуговування народного господарства.
1.3. Історія розвитку метеорології і кліматології
Історія розвитку метеорології починається з написання першої книги по метеорології найбільшим ученим Древньої Греції Аристотелем (384 — 322 р. до н.е.). У цій книзі були узагальнені спостереження древніх греків за явищами погоди і зроблені перші спроби їхнього тлумачення.
У середні століття відомості про різні (переважно небезпечні) явища погоди) заносилися в літописі.
Новий етап у розвитку метеорології — інструментальні спостереження — почався в XVI столітті, коли Галілей винайшов термометр (1593 р.), а потім Торрічеллі створив барометр (1643 р.). Винахід цих приладів дало можливість кількісно оцінити найважливіші характеристики погоди — тиск і температуру повітря — і дозволило зіставити їхні значення при спостереженнях у різних місцях.
У Росії регулярні метеорологічні спостереження почалися за указом Петра I у Петербурзі (1722 г).
Першим російським метеорологом можна вважати великого російського вченого М. В. Ломоносова (середина 18 століття), що близько 250 років тому створив ряд метеорологічних приладів, організував метеорологічні спостереження в різних пунктах Росії, сформулював ідею про всесвітню службу погоди для мореплавців.
Подальший розвиток метеорології в Росії було зв'язано з діяльністю Головної фізичної обсерваторії (ГФО), що була організована в Петербурзі в 1849 р. Вона з'явилася першою у світі державною науковою установою, що керувала метеорологічними спостереженнями. ГФО керувала мережею метеорологічних станцій, обробляла і видавала матеріали спостережень. У 1872 р. у ГФО був складений перший у Росії прогноз погоди.
На початку 70-х років 19 сторіччя (1872 – 1873 рр) була заснована Міжнародна метеорологічна організація (ММО), що після другої світової війни, у 1951 році, була реорганізована і, ставши одним зі спеціалізованих агентств ООН, одержала нову назву – Всесвітня метеорологічна організація (ВМО).
Засновником кліматології в Росії був геніальний географ і кліматолог Олександр Іванович Воейков (1842 — 1916 р.). Капітальна праця А. И. Воейкова «Клімати земної кулі, особливо Росії» одержала світову популярність і не утратила свого значення і в наш час.
Таким чином, наприкінці 19 сторіччя був міцно закладений фундамент метеорології та кліматології.
На початку ХХ століття були продовжені і розширені ці роботи. Зростає практична спрямованість метеорологічних та кліматичних досліджень. Метеорологія і кліматологія у цей час набуває воєнно-прикладне значення.
У другій половині ХХ сторіччя, з розвитком науки і техники, дослідження в області метеорології та кліматології досягли свого “апогею”.
Метеорологія і кліматологія мають велике практичне значення. Вони обслуговують різні галузі народного господарства. У процесі цього обслуговування з кліматології і метеорології виділився ряд галузей, що потім одержали самостійний розвиток: агрометеорологія й агрокліматологія, мікро-, аєро-, лісова кліматологія, медична, транспортна, будівельна метеорології та ін.
АТМОСФЕРА І ПОВІТРЯ
2.1. Склад атмосфери:
2.2. Значення атмосфери для Землі.
2.3. Будова атмосфери за характером зміни температури.
Склад атмосфери
Атмосферою називається газоподібна оболонка Землі, сама зовнішня з земних оболонок, що знаходиться в безупинній взаємодії з іншими оболонками нашої… Суміш газів, що складають атмосферу, називається повітрям. Сухе чисте повітря в нижніх шарах атмосфери на всій планеті характеризується сталістю складу. В одиниці об'єму повітря…Значення атмосфери
Склад сучасної атмосфери продовжує регулюватися організмами. Протягом року через них (за рахунок дихання і живлення) проходить об'єм газів, рівний…Будова атмосфери
Тиск повітря зменшується з висотою. В залежності від того, який з параметрів атмосфери беруть за основу, запроваджується відповідний принцип поділу… Розглядають п’ять принципів, на підставі яких атмосферу у вертикальному… За зміною температури з висотою атмосферу поділяють на п’ять основних шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу,…ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРИ
4.1. Тепловий баланс.
4.2. Тепловий режим земної поверхні (теплоємність і теплопровідність ґрунту).
4.3. Добовий і річний хід температури ґрунту.
4.4. Добовий і річний хід у верхніх шарах води.
4.5. Тепловий режим нижнього шару атмосфери.
4.6. Адіабатичні зміни температури повітря.
4.7. Добовий і річний хід температури повітря.
4.8. Поняття про заморозки.
Тепловий баланс
Рівняння теплового балансу поверхні: Вз = LE + P + Т , де Вз — радіаційний баланс (завжди позитивний), LE — витрати тепла на випар (L — прихована теплота паротворення, Е —…Тепловий режим нижнього шару атмосфери
Передача тепла підстилаючою поверхнею атмосфері відбувається завдяки молекулярній теплопровідності, тепловій конвекції і турбулентному… – теплова конвекція — перенесення об'ємів повітря по вертикалі, що виникає при… –турбулентне перемішування— вихровий хаотичний рух невеликих об'ємів повітря.Поняття про заморозки
На більшій частині території в межах помірної зони існують два чітко обмежені періоди із заморозками – весняний і осінній. Осінні заморозки… Чим далі на північ, тим більше скорочується тривалість періоду між останнім… За характером виникнення розрізняють три типи заморозків:Опади
Для того, щоб з хмари випадали опади, хмарні елементи (краплі або кристали) повинні вирости до такого розміру, при якій швидкість їх падіння була б більшою від швидкості висхідних потоків повітря. Отже, укрупнення хмарних елементів – обов’язкова умова випадіння атмосферних опадів.
Основними процесами, які викликають укрупнення, є конденсація (або сублімація) на хмарних елементах водяної пари та коагуляція (злиття) крапель або зціплення кристалів при стиканні.
Розрізняють рідкі, тверді та змішані опади. До рідких опадів відносять дощі та мряку; до твердих – сніг, сніжну крупу, льодяну крупу, сніжні зерна, льодяний дощ, град; до змішаних – мокрий сніг.
Атмосферні опади за характером випадіння поділяють на облогові, зливові та мрячні.
Облогові опади випадають переважно з шарувато-дощових, шарувато-купчастих та високошаруватих хмар, безперервно, на протязі досить тривалого часу та охоплює значну територію; вони, як правило, добре поглинаються ґрунтом.
Зливові – випадають з купчасто-дощових хмар порівняно нетривалий час, охоплюють відносно невелику територію, проходять “смугою” і нерідко супроводжуються сильним вітром. Ґрунт при таких опадах не встигає поглинати вологу, волога уходить переважно у стік, обумовлюючі ерозію ґрунтів на схилах, іноді навіть змиває рослини з слабко розвинутою кореневою системою.
Мрячні опади – це такі опади, що складаються з дуже мілких крапельок, які не утворюють круги при падінні на водну поверхню. Мряка зазвичай випадає з щільних шаруватих хмар.
Важливими характеристиками опадів, що осідають з хмар, є їх кількість та інтенсивність.
Кількість опадів виражається висотою шару води в міліметрах, який утворився би на горизонтальній поверхні при умові, якщо б опади не стікали, не випаровувались і не просочувалися у ґрунт. Їх звичайно виміряють з точністю до 0,1 мм. У агрономічній практиці часто використовують данні про кількість опадів у одиницях об'єму (м3/га), а бо в одиницях маси (т/га). Шар опадів в 1 мм на площі 1 га відповідає об'єму 0,001м 
100000 м2 = 10 м3 води (або її масі у 10 тон). Тому, для перерахування опадів, що виміряються в міліметрах, в метри кубічні (або тони) на 1 га, їх кількість необхідно помножити на коефіцієнт 10.
Інтенсивність опадів визначається їх кількістю у міліметрах, що випадає за одиницю часу (мм/хв.) та розраховується за формулою
i = h/t,
де i- інтенсивність опадів (мм/хв.),
h –шар опадів (мм),
t – тривалість опадів (хв.).
Прибори та методи вимірювання опадів
Вимірювання кількості опадів проводять опадомірами та дощомірами, а для реєстрації коливань їх кількості у часі служить самописець дощу – плювіограф.
Основним прибором для вимірювання кількості рідких та твердих опадів є опадомір Трет'якова.
| Мал.1. Опадомір Трет'якова | Рис.2 Польовий дощомір: | |
| 1 – воронка, 2 – діафрагма, 3 – відро, 4 – ковпачок, 5 – носик, 6 – планковий захист, 7 – підставка, 8 – дробина, 9 – вимірювальний стакан. | 1- лійка, 2 – стакан. |
В комплект опадоміра входять два металічних відра з площею приймальної поверхні 200 см2; планковий захист (з 16 планок), який захищає опади, що потрапили у відро, від видування; таган для встановлення відра на стовбурі у строго вертикальному положенні. Всередині відра впаяна діафрагма, частина якої є зйомна воронка. ця воронка влітку запобігає випаровуванню опадів, а на зиму знімається, для того, щоб тверді опади потрапляли на дно відра, де вони захищені від видування. Для зливу опадів відро має носик, що закривається ковпачком.
Опадомір встановлюється на стовпці так, щоб приймальна поверхня відра знаходилась на рівні 200 см від поверхні ґрунту. Поблизу опадоміру не повинно бути будівель, дерев та інших предметів. Проте опадомір рекомендується встановлювати так, щоб він був захищений від вітру.
Зміну відер опадоміру та вимірювання кількості опадів проводять чотири рази на добу. Зібрані у відрі рідкі опади приносять у приміщення станції та зливають у вимірювальний стакан. Якщо у відрі знаходяться тверді опади, то їх кількість виміряють після того, як вони розтануть (відро при цьому повинно бути закрито кришкою). Вимірювальний стакан має 100 ділень. Одно ділення стакану за об'ємом відповідає 2 см3. При площі приймальної поверхні 200 см2 це відповідає 0,1 мм опадів 
.
Для вимірювання опадів у польових умовах застосовують польовий дощомір. Це скляна посудина з площею приймальної поверхні 30 см2. Нижня частина цієї посудини закрита скляною лійкою і має на стінці ділення, кожне з котрих відповідає шару опадів у 1 мм.
Для безперервного запису рідких опадів, їх кількості та інтенсивності, служить самописець – плювіограф. Його частіше встановлюють у важкодоступних місцевостях.
Спостереження за сніговим покривом
Сніг, що випадає при від'ємних температурах на земну поверхню, утворює сніговий покрив. Спостереження за ним складаються з визначення ступеню покриття снігом території та характеру залягання снігового покриву, вимірювання його висоти та щільності, а також визначення наявності та товщини льодяної кірки і стану ґрунту під снігом.
Сніговий покрив має велике значення для багатьох галузей народного господарства. Для сільського господарства – це запас води, необхідний для рослин, це захист від вимерзання озимих та багаторічних рослин, кореневої системи плодових та ягідних культур.
Характер залягання снігового покриву залежить від рельєфу місцевості, виду поверхні, швидкості вітру. Різні сполучення цих факторів створюють нерівномірність залягання снігового покриву, призводять до утворення заметів в одних місцях і до появи оголених ділянок – в інших. Ступень покриття снігом навколишньої (видимої) території відмічається у балах від 0 до 10. Наприклад, якщо навколишня територія покрита снігом наполовину, то записують “5”. Характер залягання снігового покриву описується градаціями : “рівномірний”, “помірно рівномірний”, “дуже нерівномірний”, “з проталинами”.
Висота снігового покриву обумовлюється кількістю і щільністю снігу. Для спостереження за висотою снігового шару застосовують постійні та переносні (маршрутні) снігомірні рейки.
Снігомірні рейки являють собою сухі, просочені олією, дерев'яні бруси довжиною біля 2 м та шириною не менше 5 см, товщиною 2см, зі шкалою у сантиметрах (ціна ділень = 1 см). Постійні снігомірні рейки (мал.3а) встановлюють на території метеорологічної станції восени до початку снігопадів так, щоб нульове ділення рейки знаходилося на рівні поверхні ґрунту. Вимірювання висоти снігового покриву проводять щоденно вранці.
При маршрутних вимірюваннях висоти снігу (на дослідних полях) застосовують переносні снігомірні рейки (мал.3б), нижній кінець якої загострений та оббитий жерстю. При вимірюванні висоти снігового покриву рейку занурюють вертикально у сніг загостреним кінцем так, щоб він досяг поверхні ґрунту. Після цього проводять вимір за шкалою з точністю до 1 см.
а) б)
Мал.3. Снігомірні рейки
а) постійна снігомірна рейка М-103; б) переносна снігомірна рейка М-104.
Щільність снігу – це відношення маси проби снігу до його об'єму. Вона виміряється в г/см3.
Визначення щільності снігу проводять ваговим снігоміром (мал.4). Цей прибор складається з металевого циліндру (висотою 60 см, площею поперечного січення 50 см2, на зовнішній стороні якого нанесена шкала у сантиметрах) та терезів. Терези складаються з латунної рейки зі шкалою (ціна ділення = 5г).
Циліндр зі сторони нульового ділення шкали закінчується кільцем з загостреним краєм, а з іншої – зачинений кришкою. Пустий циліндр врівноважується пересувним тягарем з круглим отвором. Для підрахунків за шкалою, на нижній стороні скошеного краю отвору нанесена риска.
Мал.4. Ваговий снігомір ВС-43.
1 – латунна рейка, 2 – пересувний тягар; 3 – стрілка; 4 – підвіс; 5 – гачок; 6 – дужка; 7 – ріжуча кромка; 8 – кільце; 9 – снігозабірник; 10 – кришка; 11 – лопатка.
При вимірюваннях циліндр вертикально занурюють у сніг загостреним кінцем. Коли циліндр досягає поверхні ґрунту, за його шкалою відраховують висоту снігового шару з точністю до 1 см. Потім спеціальною лопаткою відгрібають сніг, підводять її під нижній край циліндру і, піднявши циліндр (закритий у низу лопаткою), перевертають його. Далі циліндр з пробою снігу зважують і отримують масу проби снігу m. Об'єм проби снігу легко знаходиться за формулою: V=S
, де S– площа січення циліндру (тобто 50 см2), а h – висота снігового покриву (у см).
Отримавши всі необхідні данні знаходять щільність снігу (d у г/см3) за формулою:
,
де m – маса проби снігу, г; V - об'єм проби снігу, см3.
Знаючи щільність снігового покриву та його висоту, можна розрахувати запас води (z) у снігу:
z = 10ּhּd,
де h – висота снігового покриву (у см); d - щільність снігу (у г/см3); запас води у сніговому шарі виражається у міліметрах.
Опади є основним джерелом вологи для рослин в ґрунті. Безпосередня дія опадів на рослини може бути як позитивна, так і негативна.
Засвоєння ґрунтом опадів залежить як від інтенсивності і тривалості опадів, так і від рельєфу місцевості, структури ґрунту та його зволоження, характеру підсилюючої поверхні. Найбільш сприятливі для с/г культур обкладні опади, вони добре поглинаються ґрунтом.
Зливові опади частіш за все менш продуктивні. Сильні опади викликають полягання посівів і трав, заважають проведенню с/г робіт. Дощова погода затримує дозрівання всіх культур.
У той же час тривала відсутність опадів обумовлює посуху. Це приводить до затримання накопичення рослинами органічної речовини, поступовому в'яненні рослин та їх загибелі. Коливання врожаю с/г культур в значній мірі пов'язані з коливанням опадів у вегетаційний період.
Режим опадів визнає і засоби збирання зернових культур. Облік режиму опадів необхідний для обґрунтування технології вирощування різних с/г культур, визначення строків та способів їх збирання.
Баричне ПОЛЕ І ВІТЕР
6.1. Рівняння стану газів повітря.
6.2. Баричне поле, його характеристика.
6.2. Причини зміни атмосферного тиску.
6.3. Вітер, його швидкість і напрямок.
6.1. Рівняння стану газів повітря
Стан кожного газу, що входить до складу повітря, як відомо з курсу фізики, може бути охарактеризований трьома параметрами: температурою, тиском і густиною. Ці параметри завжди пов’язані між собою. Математичний вираз, що описує цей зв’язок, має назву рівняння стану газів. Атмосферне повітря, як у нижчих, так і у вищих шарах, поводить себе як ідеальний газ.
Отже, рівняння стану атмосферного повітря описує зв’язок між атмосферним тиском, температурою і густиною повітря. Воно має вигляд PV=RT
де P – тиск,
V – питомий об’єм (величина, обернена до густини ρ), 
R – газова стала, яка залежить від природи газу,
T – абсолютна температура газу, оК.
Оскільки можна вважати, що відсотковий вміст основних газів у атмосферному повітрі постійний, то середнє зважене з парціальних газових сталих дорівнює Rc= 287 Дж/(кг∙К). Цю величину називають питомою газовою сталою сухого повітря. Вона широко використовується в практиці науки метеорологія.
Питома газова стала водяної пари Rп дорівнює 461 Дж/(кг К). Однак відсотковий вміст водяної пари у вологому повітрі не постійний. Тому питома газова стала вологого повітря залежить від вмісту вологи в повітрі і має вираз Rв= Rc∙(1+0,608∙s), де s – масова частка водяної пари, що міститься в одиниці маси вологого повітря (г/кг, г/г, кг/кг).