Въведение в метеорологията

Метеорологията има за обект на изучаване атмосферата на нашата планета. Тя възниква като описателна наука още в древността. Но истинското й развитие започва през 17 в. със създаване на първите метеорологични прибори: термометър (Галилей), барометър (Торичели), дъждомер. По-късно се появяват и други измервателни уреди, като ветромер, влагомер и др., и става възможно наблюдаваните атмосферни процеси да се описват не само качествено както дотогава, но и количествено. С течение на времето били установени редица емпирични връзки между отделни явления и създадени някои правила за предсказване на времето. С натрупването на данни започват да се правят анализи и обобщения с цел да се установят връзки между атмосферните процеси и да се разкрият вътрешните закономерности, които ги управляват. Заедно с развитието на другите клонове на физиката метеорологията постепенно се преустройва на физическа основа.Съвременната метеорология е физическа наука за атмосферата на нашата планета, за нейния състав, строеж, свойства и физически процеси и явления, протичащи в нея в тясно взаимодействие както със земната повърхност (сушата и водата), така и с космически фактори, най-важният от които е Слънцето.

Методи на изследване На сегашния етап намират приложение три метода на изследване в метеорологията:
а) метод на наблюдението в естествени условия;
б) метод на експеримента (лабораторен и в естествени условия);
в) метод на теоретичния анализ на основата на законите на физиката.

Подразделяне на метеорологията  В хода на развитието на метеорологията се очертава тенденция към оформяне на отделни големи клонове като самостоятелни научни дисциплини, които се различават по характера на изучаваните явления и използваните методи.
Динамична метеорология (теоретична физика на атмосферата) – изучава кинематиката и динамиката на атмосферата на базата на термо- и хидродинамиката. Една от основните и задачи е разработването на методи зачислено моделиране на явленията.
Синоптична метеорология
– учение за предсказване на времето. Прави анализ на атмосферните процеси с помощта на синоптични карти. Това са географски карти, върху които са нанесени данни от метеорологични наблюдения, извършени в различни точки от Земята и на различни височини в атмосферата.Те позволяват с един поглед да се добие представа за времето над обширен район (“синопсис” означава обозрим). В края на 60-те години започва развитието на нов клон от синоптичната метеорология – спътниковата метеорология.
Климатология
– учение за закономерностите на формиране на климата на различни географски райони. Под климат се разбира многогодишният, характерен за даден район режим на метеорологично време, определен от притока слънчева енергия, свойствата на земната (подложна) повърхност и атмосферната циркулация.
Приложна метеорология, в която влизат:
а) метеорологично приборостроене;
б) агрометеорология – разработва методи за агробиологични прогнози с цел оптимално планиране на различните селскостопански дейности;
в) авиационна и морска метеорология, чиято задача е безопасността на тези видове транспорт;
г) биометеорология – изучава влиянието на атмосферните явления върху живите организми.

Атмосфера Атмосфера се нарича газовата обвивка на земното кълбо. Това наименование се използва още от времето на Аристотел и е съставено от думите “атмос”-пара и “сфера”-кълбо. В атмосферата непрекъсната протичат различни процеси и се развиват различни явления, например падат валежи от дъжд или сняг, бушуват снежни виелици или гръмотевични бури, става студено или се затопля, духат бурни ветрове или въздухът не потрепва… Всичко това е проява на физическото състояние на атмосферата или на времето. В даден момент и на определено място то се характеризира с редица физични величини и явления, като температура и влажност на въздуха, атмосферно налягане, вятър, облачност и валежи, мъгли, гръмотевични бури и т. н. Онези физични характеристики на състоянието на атмосферата, които могат да се измерват, например температура, влажност, височина и количество на облачността, скорост на вятъра и др., се наричат метеорологични елементи, а понятието метеорологични (атмосферни) явления характеризира това състояние качествено. Облакът например е явление, а отделните негови характеристики, като височина над земната повърхност или дебелина, са метеорологичните елементи. Явление е и валежът, а количеството и интензивността му – метеоелементи.

Състав на атмосферата В древността се е смятало, че въздухът е едно от простите вещества, от които се състоят всички тела в заобикалящия ни свят. Древногръцкия философ Анаксимен даже е учил, че от въздуха е създаден целия свят. Едва през ХVIII в. френския учен Лавоазие за пръв път установява, че атмосферата представлява механична смес от газове. Основните газове, които влизат в състава на въздуха са азот, кислород и аргон. В много малки количества във въздуха се съдържат още хелий, неон, криптон, ксенон, водород и др. Освен това в резултат от разпадането на радиоактивните елементи, съдържащи се в земната кора, в атмосферата проникват и радиоактивни газове, като радон и др. Многобройните химически анализи са показали, че сухият въздух, в който няма прах и други примеси, се състои от 79,09% азот, 20,95% кислород и 0,93% аргон. Останалите газове заемат само 0,03% от обема му. Този състав на атмосферата е еднакъв за цялото земно кълбо и остава постояне до около 100 км височина. Освен това във въздуха се съдържат газове, чиято концентрация се променя в пространството и времето. От тях най-важно метеорологично значение имат водната пара, въглеродният двуокис (СО2) и озонът (О3).

Водна пара: тя постъпва в атмосферата главно при изпарение от земната повърхност (вода, суша, растителност). Количеството й се колебае от 0 до 7% от обема на постоянните газове и зависи от характера на земната повърхност и от въздушните течения. По-голямата частот водната пара е съсредоточена в най-ниските слоеве на атмосферата и с височината съдържанието й намалява. Поради наличието на водна пара в атмосферата се образуват облаци и падат валежи. Освен това тя задържа значителна част от излъчената от земната повърхност топлина и по този начин допринася за възникването на т. н. парников ефект.

Въглероден двуокис: той постъпва в атмосферата главно при вулканичните изригвания; образува се при гниенето и разлагането на органичните вещества, при дишането на животните и растенията и при изгарянето на различните видове изкопаеми горива. Изразходва се за храна на растенията (в процеса на фотосинтезата). Единица обем въздух съдържа средно 0,033% СО2, но концентрацията на този газ се мени в течение на денонощието и на годината и е различна за различните географски райони. Т. н. въздухът във високите ширини съдържа по-малко СО2, отколкото в умерените ширини, над океаните – по-малко, отколкото над сушата, в дневните часове – по-малко, отколкото през нощта, а през лятото – по-малко, отколкото през зимата. Основен регулатор на концентрацията на СО2 във въздухът е океанът. В него се съдържа около 100 пъти повече СО2, отколкото в атмосферата, тъй като разтворимостта на този газ във водата е много голяма. Тя обаче зависи от температурата – при ниски температури е по-голяма. Ето защо студените морета и океани в умерените и високите ширини поглъщат почти толкова СО2, колкото отделят в атмосферата моретата и океаните в тропиците.

Озон: в ниските слоеве на атмосферата неговото съдържание е постоянно и твърде малко. В тях той се образува под влияние на мълниите при гръмотевичните бури и при окисляването на някои органични вещества. В по-високите слоеве на атмосферата озонът се образува под действието на ултравиолетовата слънчева радиация. Тя разцепва част от молекулата на кислорода О2 по на два атома, които реагират с други цели молекули кислород и образуват молекулите на озона О3. Този непрекъснато действащ фактор осигурява постоянното присъствие на озон на височина над 10-15 км, т. е. за разлика от водната пара озонът е концентриран в по-високите слоеве на атмосферата. Максималната му концентрация е на височина 20-55 км. Над 80 км вече няма озон.

Аерозоли: освен газовите примеси в атмосферата се съдържат и твърди и течни примеси наречени аерозоли. Техните размери са от 0,001 до 100 мкм, като най-голям брой имат частичките с диаметър 0,01 – 0,1 мкм. Едни аерозоли имат естествен произход, а други се получават в резултат от човешката дейност. От метеорологична гледна точка значението на аерозолите се определя от влиянието, което те оказват върху слънчевата радиация и топлинното излъчване на земната повърхност. Те играят важна роля и при образуването на облаците, защото служат за кондензационни ядра.

atmosphereСтроеж на атмосферата. Днес се използват няколко признака, въз основа на които  атмосферата се разделя на слоеве (сфери). Тези признаци са изменението на температурата с височината, съставът на атмосферния въздух и наличието на заредени частички в него, взаимодействието на атмосферата със земната повърхност, влиянието на атмосферата върху летателните апарати и др.  То се проявява най-ярко, ако се разгледа изменението на температурата с височината. По този признак атмосферата се разделя на 5 основни слоя: тропосфера – със средна горна граница 11 км, стратосфера – от 11 до 50 км, мезосфера – от 50 до 90 км, термосфера – от 90 до 800 км и екзосфера – над 800 км. Между тях има преходни слоеве с малка дебелина – “паузи” (от “пауза” – прекъсване). Т. н. между тропосферата и стратосферата се намира тропопаузата, между стратосферата и мезосферата – стратопаузата и т. н.

Генезис на климата. Баланси и кръговрати. Най-често в метеорологията се говори за формирането (генезиса) на климата и за климатообразуващата роля на един или друг процес или климатичен елемент. Под генезис на климата се разбира неговото формиране в резултат на атмосферни процеси, наречени климатообразуващи, които протичат под въздействието на точно определени географски фактори на климата. Основните климатообразуващи процеси, общи за цялото земно кълбо, са:

а. Обмен на топлина – тук се включват радиационните условия на Земята и обменът на топлина между атмосферата и подстилащата повърхнина по нерадиационен път (чрез топлопроводност, чрез изразходване или отделяне на топлина при фазовите преходи на водата и др.).

б. Обмен на влага между атмосферата и подстилащата повърхнина.

в. Обща циркулация на атмосферата, която обединява едромащабните  движения на въздуха  – циклони и антициклони, мусони, пасати и др. За отделни географски райони климатообразуващата роля имати някои местни циркулации (бризи, планинско-долинни ветрове и др.).

Посочените климатообразуващи процеси се реализират в единство и във връзка помежду си. Те се променят под въздействието на географските фактори, а самите географски фактори изпитват тяхното влияние. Всичко това, усложнява много подреждането им и създава затруднения при тяхното последователно изучаване.

Поглъщане на слънчевото излъчване в атмосферата Погълнатата във високите атмосферни слоеве енергия е малка част от общия поток и основното количество слънчева енергия достига до най-ниския плътен слой на атмосферата – тропосферата. Тук водните пари, облаците,СО2 и аерозолите поглъщат около 20 % от слънчевото излъчване. Така 1/5 от него се изразходва за директно нагряване на атмосферата. Значителна част от слънчевия поток достига земната повърхност и я нагрява. Част от слънчевото излъчване се отразява от облаците обратно в космическото пространство. Отразява се и част от потока, достигнал до земната повърхност. Величината, образувана от отношението на отразения към падащия поток, се нарича албедо. Неговата стойност зависи от особеностите на земната повърхност и се изменя в много широки граници. Така например разораните ниви и ливадите имат албедо 10-20 %, гъстите гори и джунглите – 5 %, сухите пясъци – 30 %, прясно падналият сняг – до 95 %. Албедото на водната повърхност зависи от височината на Слънцето над хоризонта и от вълнението. При спокойна вода и ниско Слънце (изгрев и залез) албедото е около 40 %, а когато Слънцето е в зенит – 5 %.
Сумарното отражение от атмосферата и земната повърхност формира т.нар. планетарно албедо. Измерванията от спътници показват, че то е около 35 %. Тъй като 20 % от слънчевата енергия се поглъща от атмосферата, то за нагряването на Земята отиват 45 % от падащия поток. От тях 10 % отиват за нагряване на прилежащия слой въздух и от него, чрез турбулентно смесване,към по-високите слоеве на атмосферата. Около 2 пъти повече енергия отива за изпарение на водата от сушата и океаните и също попада в атмосферата, но като скрита топлина, която се освобождава при кондензация. Останалите 15 % се разпространяват под форма на и.ч. земна радиация. И.ч. излъчване на земната повърхност, което се определя от нейната температура, е много по-голямо. Около 90 % от него се поглъщат от атмосферата и само около 10% се пропускат към космическото пространство. Това води до парниковия ефект, т.е. температурата на земната повърхност е по-висока, отколкото би била, ако липсваше атмосфера. Облаците поглъщат почти цялото идващо от Земята топлинно лъчение и на свой ред излъчват обратно към нея. Така облачността предпазва Земята от изстиване през нощта, а през деня нейната роля е противоположна. Това свойство на облачността я прави много ефективен регулатор на системата Земя-атмосфера. Фактът, че в продължение на хилядолетия средната температура на Земята остава почти постоянна, означава, че тя се намира в топлинно и лъчисто равновесие с космическото пространство.
Редица фактори определят географското, сезонното и денонощното разпределение на слънчевия поток по земната повърхност:

 1. Сферичната форма на Земята и денонощното въртене около оста й води до промяна на ъгъла, под който слънчевите лъчи огряват земната повърхност в различни моменти от денонощието: при изгрева и залеза на Слънцето той е най-малък, а на пладне – най-голям;

 2. Постоянният наклон на земната ос относно земната орбита обуславя изменението на ъгъла, под който падат слънчевите лъчи върху земната повърхност, при различни положения на Земята по орбитата й около Слънцето. Това води до периодична смяна на сезоните;

3. Поради елиптичността на земната орбита разстоянието между Земята и Слънцето слабо се изменя през годината. Тъй като Земята например е по-близо до Слънцето през лятото за южното полукълбо, отколкото през лятото за северното полукълбо, лятото е малко по-топло, а зимата – малко по-сурова в южното в сравнение със северното полукълбо на Земята.
Поради наличието на тези постоянно действащи фактори слънчевата енергия се разпределя неравномерно върху земната повърхност, което има решаващо значение за редица атмосферни процеси.

Основни елементи на времето, климата и климатообразуващите процеси. Както вече бе споменато, за характеризиране на физичното състояние на атмосферата в определен момент се използват понятията метеорологични елементи (количествена характеристика) и метеорологични явления (качествена характеристика). Най-често в метеорологията се борави със следните метеорологични елементи и явления:

Температура на въздуха: една от най-важните характеристики на топлинното състояние на въздуха. Дефинира се  като степен на нагрятост на телата (въздух, почва, вода и др.), която съответства на интензивността на хаотичното (топлинното) движение на молекулите в тях. В метеорологичната практика у нас и в повечето европейски страни тя се изразява в градуси по стоградусовата скала на Целзий (оС), а в теоретичните изследвания – в келвини (ТК). Превръщането на единиците от едната в другата скала става по следната формула:

Т К = 273,15 + t oC

Ако в даден текст не е дадено друго пояснение, за температура на въздуха се приема тази, измерена на височина 2 м в метеорологичната клетка.

Атмосферно налягане: налягането, което въздухът упражнява с теглото си. То се измерва във всяка една точка от атмосферата чрез теглото на въздушния стълб, достигащ горната граница на атмосферата и със сечение, равно на единица площ. В Международната измерителна система (SI) се използва единицата паскал, или:

Pa = N/m2.

В метеорологията в последно време се утвърди хектопаскалът

1 hPa = 102Pa = 1 mbar .

Милиметрите живачен стълб (mm Hg) и милибарите (mbar) са единици, които все още се срещат в метеорологичната и климатологична литература. Скалите на много от използваните сега уреди за измерване на атмосферното налягане също са разграфени в mm и mbar, като:  1 mm Hg » 1,3 mbar .

Влажност на въздуха: с това понятие се дефинира съдържанието на водна пара в атмосферата. Изразява се чрез характеристиките си: пъргавина на водната пара (в hPa), дефицит на влажност (в hPa), абсолютна влажност (в g/m3), относителна влажност (в %).

Валежи: с това се дефинира водата, която в твърдо или течно състояние пада от облаците или кондензира върху земната повърхнина и предметите по нея. Количеството на валежите се определя в милиметри воден слой., като 1 mm = 1 l/m2. Това значи, че ако 1 l валежна вода падне върху 1 m2 площ и се разлее равномерно, без да попива и без да се изпарява, ще се получи слой вода с височина 1 mm. Ако валежът е в твърдо състояние, той се стопява и се измерва със съответните уреди като течен валеж.

Вятър: хоризонталната съставка на движението на въздуха спрямо земната повърхнина. В понятието вятър се включват числената стойност на скоростта на вятъра, изразена в m/s (понякога в km/h, възли и др.) и посоката на вятъра (съответно на посоката на хоризонта, от която духа вятърът).

Хоризонтална видимост: най-голямото разстояние, на което през светлата част от денонощието може да се различи (на фона на небето близо до хоризонта) абсолютно черен предмет с достатъчно голями ъглови размери. Измерва се в m и в km.

 

 

Автори и източници:

  1. „Метеорология“, Диана Кюркчиева;
  2. Векилска Б., Обща климатология, Ун. изд. “Св. Кл. Охридски”, София, 1991;
  3. Сиракова М. и колектив, Метеорология за всеки, Изд. Наука и изкуство, София, 1989
Реклами
Published in: on март 26, 2014 at 20:40  Вашият коментар  

The URI to TrackBack this entry is: https://starinthenightsky.wordpress.com/2014/03/26/%d0%b2%d1%8a%d0%b2%d0%b5%d0%b4%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d0%b5-%d0%b2-%d0%bc%d0%b5%d1%82%d0%b5%d0%be%d1%80%d0%be%d0%bb%d0%be%d0%b3%d0%b8%d1%8f%d1%82%d0%b0/trackback/

RSS feed for comments on this post.

Вашият коментар

Попълнете полетата по-долу или кликнете върху икона, за да влезете:

WordPress.com лого

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Промяна )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Промяна )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Промяна )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Промяна )

Connecting to %s