Тепловые процессы в атмосфере, влагооборот и атмосферная циркуляция

1. Основы общей метеорологии

Шаронов А.Ю.
Доцент, к.г.н.
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ
МЕТЕОРОЛОГИИ
Лекция 6
Тепловые процессы в атмосфере, влагооборот и атмосферная
циркуляция

2. Источники энергии в земной атмосфере

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В ЗЕМНОЙ
АТМОСФЕРЕ
Главным источником энергии формирования и проявления атмосферных
процессов является Солнце.
Солнечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле от Солнца и
поступающая из космического пространства в атмосферу Земли, формирует
такое количество тепла, получаемое в среднем за год единицей площади
земной поверхности, что оно в 30 000 раз больше, чем тепло, идущее из недр
Земли, и в 30 млн раз больше, чем энергия от излучения звезд и планет.
Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной
поверхности в теплоту, она же служит источником энергии атмосферных
движений, превращается в другие виды энергии.

3. Строение солнца

СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

4.

В центре Солнца находится солнечное ядро. Фотосфера
— это видимая поверхность Солнца, которая и является
основным источником излучения. Солнце окружает
солнечная корона, которая имеет очень высокую
температуру, однако она крайне разрежена, поэтому
видима невооружённым глазом только во время полного
солнечного затмения.

5.

Фотосфера — это
видимая поверхность
Солнца, которая и
является основным
источником излучения.

6.

Солнце окружает
солнечная корона,
которая имеет очень
высокую температуру,
однако она крайне
разрежена, поэтому
видима невооружённым
глазом только во время
полного солнечного
затмения.

7.

Изображение поверхности и короны Солнца, полученное
Солнечным оптическим телескопом (SOT) на борту
спутника Hinode. Получено 12 января 2007 года.

8.

Фотография Солнца в
ультрафиолетовом участке
спектра 19 августа 2010 года,
изображённая в «ложных
цветах». Получена
Обсерваторией солнечной
динамики.

9.

Солнечная корона во время
солнечного затмения 1999
года.

10.

Корональные выбросы
массы на Солнце. Струи
плазмы вытянуты вдоль
арок магнитного поля

11. Солнце Сквозь пелену дыма

СОЛНЦЕ СКВОЗЬ ПЕЛЕНУ ДЫМА

12.

Спектральный диапазон
электромагнитного
излучения Солнца очень
широк — от радиоволн до
рентгеновских лучей —
однако максимум его
интенсивности
приходится на видимый
свет (жёлто-зелёную
часть спектра).
Основной приток энергии в систему атмосфера —
Земля обеспечивается излучением Солнца в
спектральном диапазоне от 0,1 до 4 мкм. При этом в
диапазоне 0,3 мкм до 1,5-2 мкм атмосфера Земли
прозрачна для солнечного излучения почти
полностью. В ультрафиолетовой области спектра
(для волн короче 0,3 мкм) излучение поглощается в
основном слоем озона, расположенного на высотах
20-60 км. Рентгеновское и гамма-излучение до
поверхности Земли практически не доходят.
Плотность мощности излучения Солнца на
расстоянии 1 астрономической единицы вне
атмосферы Земли равна около 1367 Вт/м² (солнечная
постоянная). По данным за 2000—2004 годы,
усреднённый по времени и по поверхности Земли,
этот поток составляет 341 Вт/м² или 1,74·1017 Вт в
расчёте на полную поверхность Земли (полное
излучение Солнца примерно в 2,21·109 раза больше).

13.

Изоплеты суточного притока солнечной радиации на горизонтальную поверхность на верхней
границе атмосферы (Мдж/м2) в зависимости от широты и времени года

14.

15.

Энергетический
баланс Земли и
Атмосферы - это
баланс между
поступающей
энергией от Солнца,
поглощаемой и
отражаемой в
атмосфере
радиацией,
поглощаемой и
исходящей энергией
от Земли.

16.

В верхней части
атмосферы - входящая
энергия солнца,
сбалансированная
исходящей энергией
от земли.

17.

В верхней части атмосферы - входящая энергия солнца, сбалансированная исходящей энергией
от земли.
Входящая энергия
Исходящая энергия
Единицы Источник
Единицы Источник
+100
-23
Короткое волновое излучение отражается
обратно в пространство облаками.
-7
Короткое волновое излучение отражается в
пространстве земной поверхностью.
-49
Длинноволновое излучение атмосферы в
космос.
-9
Лонгветовая радиация облаков в космос.
-12
Долговязкое излучение земной поверхности в
космос.
-100
Всего исходящих
+100
Короткое излучение солнца.
Всего входящих

18.

Сама атмосфера –
поступающая энергия
в атмосферу
уравновешивается
исходящей энергией
из атмосферы.

19.

Сама атмосфера - Энергия в атмосферу уравновешивается исходящей энергией из атмосферы.
Входящая энергия
Исходящая энергия
Единицы Источник
Единицы Источник
+19
Абсорбированное коротковолновое
излучение газов в атмосфере.
+4
Абсорбированное коротковолновое
излучение облаками.
+104
Абсорбированное длинноволновое
излучение земной поверхности.
+5
Из конвективных потоков
(поднимающийся воздух нагревает
атмосферу).
+24
Конденсация / осаждение водяного
пара (тепло отводится в атмосферу
процессом).
+156
Всего входящих
-9
Долгое излучение, излучаемое
облаками облаками.
-49
Длинное волновое излучение,
выделяемое в космос газами в
атмосфере.
-98
Длинноволновое излучение,
излучаемое земной поверхностью
газами в атмосфере.
-156
Всего исходящих

20.

На поверхности
земли поглощенная
энергия
сбалансирована с
выброшенной
энергией.

21.

Входящая энергия
Исходящая энергия
Единицы Источник
Единицы Источник
+47
Абсорбированное
коротковолновое излучение от
солнца.
+98
Абсорбированное
длинноволновое излучение газов -5
в атмосфере.
+145
Всего входящих
-116
Длинное волновое излучение, излучаемое
поверхностью.
Удаление тепла конвекцией (повышение
теплого воздуха).
-24
Теплота, требуемая процессами испарения
и сублимации и, следовательно, удаляется
с поверхности.
-145
Всего исходящих

22.

Превращения солнечной энергии в
атмосфере достаточно сложны: солнечные
лучи больше нагревают земную
поверхность, чем непосредственно воздух.
Между земной поверхностью и атмосферой,
а также Мировым океаном и водами
внутренних водных путей, водяным паром в
атмосфере и облаками (на что тоже
затрачивается солнечная энергия)
происходит постоянный обмен теплом.
Само наличие земной атмосферы формирует в околоземном
.
пространстве различные физические процессы. Они
проявляются на земной поверхности и в атмосфере — условия
и явления погоды, в том числе на поверхности суши и водных
объектах различного масштаба, в верхних слоях почвы и на
поверхности различных видов растительности, в водоемах и
речных системах и многое другое.

23. Условия и явления погоды

УСЛОВИЯ И ЯВЛЕНИЯ ПОГОДЫ
Условия и явления погоды – это характеристики
различных состояний и описания атмосферных
процессов в данный момент времени в данной
географической точке.

24. климат

КЛИМАТ
В любом месте Земли погода в разные дни, месяцы, сезоны и годы меняется поразному. Однако при всех различиях каждое место и даже местность можно
охарактеризовать вполне определенным набором характеристик погоды.
Характеристики погоды за длительный период времени – десятки лет, называются
климатом места или местности.
Локальным или местным климатом называют совокупность атмосферных условий и
явлений погоды за многолетний период, отмеченный в данной местности в
зависимости от ее географической обстановки.
Под географической обстановкой подразумевается не только положение местности,
т.е. широта, долгота и высота над уровнем моря, но и характер земной поверхности,
орография, почвенный покров и др.
Атмосферные условия, определяющие климат каждого места, испытывают
периодические изменения в годовом ходе — от зимы к лету и от лета к зиме. Кроме
периодических изменений сама совокупность атмосферных условий несколько
изменяется от года к году. Это так называемая межгодовая изменчивость
атмосферных условий.

25. Солнечная активность

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ
Из-за солнечной активности изменяется состояние высоких
и нижних слоев атмосферы, которые проявляются в виде их
ионизации, электропроводности и пр. Это в свою очередь
каким-то образом сказывается и на состоянии нижних слоев
тропосферы, океана и суши, а стало быть, на погоде и
климате. Механизм воздействия верхней атмосферы на
нижние слои не всегда ясен и определён.

26. Тепловое состояние атмосферы

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ
Причины изменений температуры воздуха в атмосфере:
Основная часть солнечной радиации, которая поступает в околоземное
пространство, поглощается земной поверхностью.
Тепло земной поверхности, в свою очередь, передаётся расположенным
ниже слоям почвы или воды и определяет как их температурный режим,
так и температуру прилегающих к ним слоёв атмосферы.

27. теплообмен

ТЕПЛООБМЕН
Распределение температуры воздуха в атмосфере и его непрерывные
изменения называют тепловым режимом атмосферы.
Этот тепловой режим атмосферы определяется обменом тепла —
теплообменом между атмосферным воздухом и окружающей средой.
Эта характеристика состояния атмосферы чрезвычайно изменчива и имеет
существенные отклонения в течение суток, сезона, года и т. д., в
различных слоях атмосферы и географических зонах на нашей планете.
Она находится в зависимости от целого ряда причин.

28.

Теплообмен осуществляется:
• радиационным путём, т. е. путём поглощения воздухом
излучения Солнца, земной поверхности и атмосферных слоёв;
• путём теплопроводности — молекулярной (между воздухом
и земной поверхностью) и турбулентной (внутри атмосферы);
• при передаче тепла между земной поверхностью и
воздухом в результате испарения и последующей конденсации
или кристаллизации водяного пара.

29.

Существуют три основных цикла атмосферных
процессов, участвующих в формировании погоды и
определяющих климат.
Это так называемые климатообразующие процессы:
• Теплооборот;
• Влагооборот; и
• Атмосферная циркуляция.

30. ТЕПЛООБОРОТ

Термин «теплооборот» описывает сложные процессы получения, передачи,
переноса и потери тепла в системе «земля—атмосфера».
Поток солнечной радиации, идущий от Солнца к Земле, частично отражается
воздухом, облаками и примесями назад в мировое пространство. Эта энергия
безвозвратно теряется для Земли.
Другая часть проходит сквозь атмосферу. Атмосфера частично и в
сравнительно небольшой степени поглощает солнечную радиацию,
преобразуя ее в теплоту, частично рассеивает ее, изменяя спектральный
состав радиации.

31.

Прямая солнечная радиация и рассеянная радиация, прошедшие сквозь
атмосферу, достигая земной поверхности, частично от нее отражаются, но в
большей части поглощаются ею и нагревают верхние слои суши, верхние слои
почвы, растительности, водоемов и рек суши, воды Мирового океана.
Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию,
которую в большей части поглощает сама атмосфера, и нагревается.
Атмосфера в свою очередь излучает инфракрасную радиацию, большую часть
которой поглощает земная поверхность.
В то же время земная и атмосферная радиации непрерывно излучаются в
мировое пространство и вместе с отраженной солнечной радиацией
уравновешивают приток солнечной радиации к Земле.

32.

С лучистой энергии, попавшей в атмосферу, происходит целый ряд
превращений, результатом которых является нагревание земной
поверхности и атмосферы.
Кроме обмена тепла путем излучения между земной поверхностью и
атмосферой происходит обмен тепла за счет теплопроводности, причем
особенно важную роль играет конвективное перемешивание воздуха в
вертикальном направлении.

33.

Значительная часть солнечного тепла, поступающего на земную
поверхность, затрачивается на испарение воды, т.е. переходит в скрытую
форму. Потом, при конденсации водяного пара в атмосфере и, как
правило, в районе, удаленном от места испарения, это тепло, выделяясь,
нагревает воздух.
Важнейшим процессом в теплообороте является горизонтальный перенос
тепла воздушными течениями, направленными из одних мест земли в
другие.
Особенности процессов теплооборота наряду с суточным и сезонным
ходом определяют температурный режим того или иного места.
Температура воздуха, постоянно ощущаемая как тепло или холод, имеет
важнейшее значение для жизни на Земле вообще, для жизни и
хозяйственной деятельности людей в частности.

34. ВЛАГООБОРОТ

Между земной поверхностью и земной атмосферой происходит постоянный
оборот воды, или влагооборот.
С поверхности океанов и морей, а также других водоемов, с влажной почвы и
растительности в атмосферу испаряется вода.
На испарение и образование водяного пара в атмосфере затрачивается
большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды.
Водяной пар в атмосфере — вода в газообразном состоянии — важная
составная часть атмосферного воздуха.

35. Конденсация водного пара

КОНДЕНСАЦИЯ ВОДНОГО ПАРА
Водяной пар может испытывать и обратное преобразование. Он
конденсируется при определённых условиях в атмосфере, т.е., сгущается и
превращается в капельки воды или кристаллики льда, вследствие этого на
некоторых высотах в тропосфере возникают облака, а у земной поверхности
дымки и туманы.
В процессе конденсации водяного пара в атмосфере возникают большие
количества скрытого тепла.
Из облаков при определенных условиях выпадают различные виды осадков
Возвращающиеся на земную поверхность осадки в целом уравновешивают
испарение.

36. На что влияют осадки?

НА ЧТО ВЛИЯЮТ ОСАДКИ?
Количество выпадающих осадков и их распределение по сезонам
влияют на растительный покров и земледелие.
От распределения и колебания количества осадков зависят также
условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические
явления.
Большая или меньшая высота снежного покрова определяет
промерзание почвы вообще, а также режим многолетней мерзлоты в
полярных районах.

37. Атмосферная циркуляция

АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к
формированию различных воздушных масс в атмосфере и неравномерному
распределению атмосферного давления в них.
Неравномерное распределению атмосферного давления в атмосфере
формирует барическое поле у поверхности земли и на высотах в тропосфере,
что в свою очередь приводит к горизонтальным движениям воздушных масс
, т.е. воздушным течениям или ветру.

38.

Воздушный поток
без вращения и
отсутствие воды на
планете

39.

Вместо одной большой циркуляции между полюсами и экватором
существует три циркуляции ...
1. Hadley cell - Движение воздуха с низкой широтой к экватору, которое при
нагревании поднимается вертикально, с движением по полю в верхней
атмосфере. Это образует конвекционную ячейку, которая доминирует в
тропическом и субтропическом климате.
2. Ячейка Ферреля - средняя средняя ячейка атмосферной циркуляции для погоды,
названная Феррелем в 19 веке. В этой ячейке воздух течет по полю и на восток около
поверхности и на экваторе и на запад на более высоких уровнях.
3. Полярная ячейка - воздух поднимается, расходится и движется к полюсам. Как
только над полюсами, воздух опускается, образуя полярные максимумы. На
поверхности воздух расходится наружу от полярных максимумов. Поверхностные
ветры в полярной ячейке являются восточными (полярные долины).

40.

Три главных
циркуляции
существуют
между экватором
и полюсами из-за
вращения Земли

41.

1. Hadley cell - Движение воздуха с низкой широтой к
экватору, которое при нагревании поднимается
вертикально, с движением по полю в верхней атмосфере.
Это образует конвекционную ячейку, которая доминирует
в тропическом и субтропическом климате.

42.

2. Ячейка Ферреля - средняя ячейка атмосферной
циркуляции для погоды, названная Феррелем в 19 веке. В
этой ячейке воздух течет по полю и на восток около
поверхности и на экваторе и на запад на более высоких
уровнях.

43.

3. Полярная ячейка - воздух поднимается, расходится и
движется к полюсам. Как только над полюсами, воздух
опускается, образуя полярные максимумы. На поверхности
воздух расходится наружу от полярных максимумов.
Поверхностные ветры в полярной ячейке являются
восточными (полярные долины).

44. Ветер в атмосфере

ВЕТЕР В АТМОСФЕРЕ
Движение воздуха относительно земной поверхности ощущается нами как ветер.
Причиной появления ветра является неравномерное распределение давления и
термодинамические процессы в атмосфере.
На характер движения воздуха относительно земной поверхности большое влияние
оказывает суточное вращение Земли вокруг своей оси и физико-географические
особенности атмосферных процессов в тех или иных географических районах.
В нижних слоях атмосферы, прилегающих к подстилающей земной поверхности на
движение воздуха влияет шероховатость рельефа местности или возникающее при
этом трение.
Масштабы горизонтальных атмосферных движений меняются в очень широких
пределах: от мельчайших вихрей, которые можно наблюдать, например, в виде
отдельных пыльных или песчаных вихрей, метели, и смерчей, до циклонических
вихрей с размерами в сотни и тысячи км.

45. Общая циркуляция атмосферы

ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Систему крупномасштабных воздушных течений на Земле называют общей
циркуляцией атмосферы и которая проявляется прежде всего в тропосфере.
Основными элементами общей циркуляции атмосферы, которые формируют
ветер у земли и термодинамические процессы возникающие при этом
являются циклоны и антициклоны.
Циклоны это атмосферные вихри размером от нескольких сотен до
несколько тысяч километров, постоянно возникающие и разрушающиеся в
тропосфере.

46. Воздушные течения

ВОЗДУШНЫЕ ТЕЧЕНИЯ
С воздушными течениями в системе общей циркуляции атмосферы связаны
основные изменения погоды - воздушные массы, в рамках общей циркуляции
атмосферы перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с
собой свойственные им характеристики и при этом трансформируются, т.е.
приобретают некоторые свойства подстилающей поверхности
Кроме воздушных течений общей циркуляции атмосферы
климатообразующее значение имеют и циркуляции значительно меньшего
масштаба ( местные ветры, такие как бризы, горно-долинные ветры и др.
Ветер вызывает волнение водных поверхностей, поверхностные морские и
океанические течения, дрейф морских льдов; и некоторые воздействия на
береговую сушу и формирование берегов.

47. Климато-образование

КЛИМАТО-ОБРАЗОВАНИЕ
Глобальный климат определяется как астрономическими, так и
географическими факторами.
Астрономические факторы — это светимость Солнца, положение и движение
Земли в Солнечной системе, наклон оси вращения Земли к плоскости орбиты и
скорость вращения Земли вокруг своей оси, плотность материи в мировом
пространстве. Все эти факторы определяют количество и распределение
солнечной энергии, поступающей на Землю.
К географическим факторам относятся: размеры и масса Земли, величина
силы тяжести, масса и состав атмосферы, географическое распределение
материков и океанов, рельеф поверхности суши и дна океанов, масса и состав
океана, характер поверхности суши.

48.

49.

Тепловые процессы в атмосфере,
влагооборот и атмосферная
циркуляция главные составляющие
формирования погоды и климата на
Земле обусловлены поступлением
солнечной энергии в атмосферу.

50. Спасибо за внимание!

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!