Атмосферный фронт. Погода и климат.

Воздушные массы, имея различные физические свойства (особенно температуру воздуха), разделяются между собой довольно узкими переходными зонами, которые сильно наклонены к земной поверхности (меньше 1 град.). Атмосферным фронтом называется раздел между воздушными массами, обладающими разными физическими свойствами. Пересечение фронта с земной поверхностью называется линией фронта. На фронте все свойства воздушных масс - температура, направление и скорость ветра, влажность, облачность, осадки - резко меняются. Прохождение фронта через место наблюдения сопровождается более или менее резкими изменениями погоды.

Различают фронты, связанные с циклонами, и климатические фронты.

В циклонах фронты образуются при встрече теплого и холодного воздуха, при этом вершина фронтальной системы, как правило, находится в центре циклона. Холодный воздух, встречаясь с теплым, всегда оказывается внизу. Он подтекает под теплый, стремясь вытеснить его вверх. Теплый воздух, наоборот, натекает на холодный и если теснит его, то сам при этом поднимается по плоскости раздела. В зависимости от того, какой воздух активнее, в какую сторону смещается фронт, он называется теплым или холодным.

Теплый фронт перемещается в сторону холодного воздуха и означает наступление теплого воздуха. Он медленно оттесняет холодный воздух. Как более легкий он натекает на клин холодного воздуха, полого поднимаясь вверх по поверхности раздела. При этом перед фронтом образуется обширная зона облаков, из которых выпадают обложные осадки. Полоса осадков перед теплым фронтом достигает 300, а в холодное время даже 400 км. За линией фронта осадки прекращаются. Постепенная смена холодного воздуха теплым приводит к понижению давления и усилению ветра. После прохождения фронта наблюдается резкое изменение погоды: повышается температура воздуха, ветер изменяет направление примерно на 90o и ослабевает, ухудшается видимость, образуются туманы, могут выпадать моросящие осадки.

Холодный фронт перемещается в сторону теплого воздуха. В этом случае холодный воздух - как более плотный и тяжелый - движется по земной поверхности в виде клина, движется быстрее, чем теплый и, как бы приподнимает впереди себя теплый воздух, энергично выталкивая его вверх. Над линией фронта и впереди его образуются большие кучево-дождевые облака, из которых выпадают ливневые дожди, возникают грозы, наблюдаются сильные ветры. После прохождения фронта осадки и облачность значительно уменьшаются, ветер изменяет направление примерно на 90o и несколько ослабевает, температура понижается, уменьшается влажность воздуха, увеличивается его прозрачность и видимость; давление растет.

Состояние атмосферы в данной местности в определенный отрезок времени называется погодой. Погода характеризуется элементами и явлениями. Элементы погоды: температура воздуха, влажность, давление. К явлениям относятся: ветер, облака, атмосферные осадки. Иногда явления погоды носят необычайный, даже катастрофический характер, например, ураганы, грозы, ливни, засухи. Погода характеризуется не только элементами и явлениями, но и их совокупностью. При одинаковой температуре, но при разной влажности воздуха, с осадками или без осадков, с ветром или без него погода не будет одинаковой.

Погода изменчива. Главные причины - изменение количества солнечного тепла, получаемого в течение суток и в течение года, перемещение воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов . Более четко и устойчиво изменение погоды в течении суток выражено в экваториальных широтах. Утром - ясная, солнечная погода, а после полудня выпадают ливневые осадки. Вечером и ночью опять ясно и тихо. В умеренных широтах закономерные изменения погоды в течение суток, обусловленные поступлением солнечного тепла, часто нарушаются сменой воздушных масс, прохождением атмосферных вихрей и фронтов.

Наблюдения за погодой. Существует Всемирная служба погоды (ВСП), объединяющая Национальные службы погоды. Она имеет три мировых центра: Москва, Вашингтон и Мельбурн. На территории государства систематические наблюдения за погодой в системе службы погоды проводятся метеорологическими станциями. Метеорологическая станция представляет собой площадку, на которой в определенном порядке расположены различные установки и приборы, имеются помещения для сотрудников. Метеорологические станции проводят наблюдения за погодой восемь раз в сутки в 00, 03, 06 . . . . . .21 ч по всем приборам и по единой для всех станций мира программе. Результаты наблюдений зашифровываются с помощью особого международного синоптического кода и передаются в центральные органы службы погоды. Вместе с тем все результаты наблюдений погоды сохраняются на самой станции и в данной области. Изучение их специалистами позволяет не только полно и точно характеризовать погоду в пункте наблюдения, но и предупредить население об опасных явлениях - наводнениях, ураганах и т.д.

По результатам наблюдений в гидрометцентрах через каждые 3 или 6 часов составляются синоптические карты. Синоптическая карта - географическая карта, на которой цифрами и символами нанесены результаты метеорологических наблюдений на сети станций в определенное время. При обработке на синоптическую карту наносят циклоны , антициклоны и фронты. Сравнение синоптических карт с предыдущими позволяет составить целостное представление о характере и причинах изменения погоды за прошедший период. Анализ ситуации текущих карт позволяет составить прогноз погоды. Прогноз погоды - составление научно обоснованных предположений о будущем состоянии погоды. Он позволяет также определить возможность возникновения какого-либо опасного природного явления. Прогнозы погоды могут быть краткосрочными (12-24 ч) и долгосрочными (на декаду, месяц, сезон).

Погода играет важную роль в жизни человека. В хозяйственной деятельности она выступает реальной составляющей производственного цикла воздушного, водного, железнодорожного и автомобильного транспорта. С погодой и прогнозом погоды не могут не считаться работники речного и морского флотов, портов, аэродромов. Отдых человека, эффективное и интересное использование свободного времени, наконец, состояние его здоровья напрямую зависят от погоды, а прогноз погоды помогает заблаговременно принять целесообразные меры, более эффективно использовать свободное время. Погода предопределяет расходование энергетических ресурсов, характер и ассортимент выпуска товаров народного потребления и многое другое.

Климат - многолетний режим погоды, характерный для какой-либо местности, который с небольшими колебаниями удерживается на протяжении веков. Он проявляется в закономерной смене всех наблюдаемых в данной местности погод. Как и погода, климат зависит от количества солнечной радиации (от широты), от перемещения воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов (от циркуляции атмосферы), от свойств и форм земной поверхности. Основные показатели климата: температура воздуха (средняя годовая, января и июля), преобладающее направление ветров, годовое количество и режим осадков. Географические карты, на которых нанесены показатели климата, называют климатическими.

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. Количество тепла обусловливается геграфической широтой. От количества тепла напрямую зависят все жизненные процессы на Земле, а также другие показатели климата - давление, облачность, осадки, циркуляция атмосферы и т.д.

Циркуляция атмосферы - фактор, предопределяющий движение воздушных масс как по вертикали, так и по земной поверхности. Благодаря этому осуществляется межширотный обмен воздуха, а также перераспределение его от поверхности в верхние слои атмосферы и наоборот. Воздушные массы переносят облака, что определяет осадки; они в значительной мере перераспределяют давление, температуру и влажность воздуха, образуют ветры.

Рельеф - фактор, качественно изменяющий влияние двух первых климатообразующих факторов. Горные поднятия и хребты имеют специфический температурный режим и режим осадков в зависимости от экспозиции, ориентации склонов и высоты хребтов. Они могут отражать большое количество солнечной энергии, создавать обширные затененные горные районы, а наиболее высокие вершины, удаленные от равнины на тысячи метров, солнечной энергии получают меньше и нередко покрыты льдами и снежниками в течение года. Горы служат механическими преградами на пути движения воздушных масс и фронтов, в ряде случаев являются границами климатических областей, иногда изменяют характер атмосферы или исключают возможность обмена воздухом. На поверхности Земли немало районов, где благодаря этому выпадает или очень много осадков, или их недостаточно. Так, сухость Центральной Азии объясняется тем, что по ее окраинам возвышаются мощные горные системы.

В горах климатические условия меняются с изменением высоты: с ее увеличением понижается температура воздуха, атмосферное давление падает, влажность убывает, количество осадков возрастает до определенной высоты, а затем уменьшается, ветер сложно меняется по скорости и направлению, изменяются и другие показатели климата. Все это позволяет выделить специфические для гор высотные климатические пояса.

Влияние равнинных поверхностей суши и поверхности Мирового океана сказывается в том, что они практически не искажают прямого воздействия двух первых климатообразующих факторов, получая соответствующее широте количество тепла и не искажая направления и скорости движения воздушных масс.

Кроме главных существуют факторы, оказывающие существенное влияние на климат в определенных (зачастую обширных) районах. В частности, распределение суши и моря и удаленность территории от морей и океанов. Суша и море нагреваются и охлаждаются по-разному. Морские воздушные массы существенно отличаются от континентальных, но при продвижении в глубь материков они изменяют свои свойства. Поэтому на одной и той же широте наблюдаются значительные различия в температурном режиме и распределении осадков. Так, на параллели 60 с.ш. средняя температура января в Атлантике 0, в Санкт-Петербурге уже -8, в Приуралье -14, на Енисее -30, а на Лене -40С. Количество осадков уменьшается в этом же направлении: в прибрежных районах Норвегии их выпадает свыше 1000 мм, в Европейской части России - около 500 мм, в Восточной Сибири - около 300 мм в год. Различны и другие показатели климата. Эти различия между прибрежным и внутриконтинентальным климатом позволяют выделить два подтипа климатов: морской и континентальный (иногда выделяют промежуточный подтип - переходный от морского к континентальному).

Морской, или океанический, климат - это климат океана, островов и западных или восточных приморских частей материков. Он формируется при большой повторяемости морских воздушных масс и характеризуется малыми годовой и суточной амплитуда температур воздуха и большим количеством осадков.

Континентальный - климат материка, с небольшим количеством осадков, высокими летними и низкими зимними температурами воздуха, большими годовыми и суточными амплитудами. Континентальность климата может быть разной, поэтому ее степень определяется по годовой амплитуде температур воздуха. Чем больше годовая амплитуда температур воздуха, тем континентальнее климат.

Большое влияние на климат оказывают морские течения. Они переносят тепло (или холод) из одних широт в другие, нагревая или охлаждая располагающиеся над ними воздушные массы. Воздушные массы, приобретая новые свойства под влиянием течений, приходят на материк уже измененными и обусловливают на побережье иную, не свойственную данным широтам погоду. Поэтому климат побережий, омываемых теплыми течениями, обычно теплее и мягче, чем на материках. Холодные течения, кроме того, усиливают сухость климата, они охлаждают нижние слои воздуха в прибрежной части, что препятствует образованию облаков и выпадению осадков.

Ярким примером различного влияния на климат теплых и холодных течений могут служить климаты восточного побережья Канады и западного побережья Европы в районе 55-й и 70-й параллелей. Канадское побережье омывается холодным Лабрадорским течением, европейское - теплым Северо-Атлантическим. Первое лежит в районе со среднегодовыми температурами 0 и -10С, второе +10 - 0С. Длительность безморозного периода на Канадском побережье 60 дней в году, на европейском 150-210 дней. На п-ве Лабрадор и Канадском архипелаге - тундра, в Европе - хвойные и смешанные леса.

Климат, как и все метеорологические величины, зонален. Выделяют 7 основных и 6 переходных климатических поясов. К основным относятся: экваториальный, два субэкваториальных (в северном и южном полушариях), два тропических, два умеренных и два полярных. Названия переходных поясов тесно увязаны с названиями основных климатических поясов и характеризуют их расположение на Земле: по два субэкваториальных, субтропических и субполярных (субарктический и субантарктический). В основу выделения климатических поясов положены тепловые пояса и господствующие типы воздушных масс и их перемещение. В основных поясах в течение года господствует один тип воздушной массы, а в переходных типы воздушных масс зимой и летом меняются в связи со сменой времен года и смещением зон атмосферного давления.

Экваториальный пояс. В течение года преобладает экваториальный воздух. Средние месячные температуры 25-28С, их амплитуды невелики, в поясе преобладают штили или слабые ветры, влажность высокая, облачность значительная, чаще представлена кучевыми и кучево-грозовыми (развитыми по вертикали) облаками. Осадков 1000-2000 мм/год. Экваториальному поясу свойственны два дождливых периода в переходные сезоны, чаще после равноденствий, разделенные менее дождливыми или краткими бездождными периодами, увлажнение избыточное. Экваториальный климат свойственен бассейну р. Амазонки (Амазонская низменность, Ю.Америка), побережью Гвинейского залива и бассейну р.Конго (Западная Африка, низменность Конго), полуострову Малакка, Зондским островам и Новой Гвинее (границы Индийского и Тихого океанов).

Субэкваториальные пояса. Воздушные массы в течение года меняются. Летом господствует экваториальный воздух, лето влажное; зимой - тропический, зима сухая. Четко выражены дождливый (летний) и сухой (зимний) периоды. Зима лишь немного прохладнее лета, средние температуры изменяются от 22 до 30С, увеличиваются амплитуды температур. Годовое количество осадков существенно колеблется: если в среднем их выпадает 1000-1500 мм, то на наветренных склонах гор может быть 6000-10000 мм. Почти все осадки выпадают летом. Субэкваториальный климат наблюдается на Бразильском и Гвинейском нагорьях (Ю.Америка), в Центральной Африке прилегает к бассейну р.Конго со всех сторон, в Индостане и Индокитае (Южная Азия) и Северной Австралии.

Тропические климатические пояса располагаются по обе стороны тропиков, примерно между 18 и 30 с. и ю.ш. Здесь в течении года господствует тропический воздух (сухой воздух с высокими температурами), преобладают пассаты (северо-восточные и юго-восточные). Погода преимущественно ясная, зима теплая, но заметно холоднее лета. Средние температуры самого теплого месяца +30-35С, холодного - не ниже +10С. Для тропического пояса характерны очень большие суточные амплитуды температур - до 40С, а средняя годовая около 20С. Облачность незначительна, осадков в большинстве районов выпадает мало: 50-150 мм/год (за исключением восточных частей материков, находящихся под воздействием океанических пассатов).

В тропическом поясе выделяют две климатические области: 1) сухого, пустынного климата - запад и центр материков и 2) влажного тропического климата - на восточных побережьях материков.

Субтропические климатические пояса следуют за тропическими и находятся примерно между 30 и 40 широты в Северном и Южном полушарии. Летом здесь господствует тропический воздух, зимой - умеренный. Характерно наличие сухого и влажного периодов. В этих поясах летом преобладает антициклоническая погода (за исключением муссонных областей). Лето сухое, жаркое, со средней температурой около 30С. Зимой преобладает циклоническая погода, связанная с полярным (умеренным) фронтом. Зима влажная и теплая, но возможны и температуры ниже 0С. Снег выпадает редко, поэтому снежный покров не образуется. Количество осадков от 200 до 500 мм в год, но на наветренных склонах гор значительно больше (Црквице - 8000 мм, Балканский п-в).

В субтропических поясах выделяют климатические области: 1) средиземноморская - на западных побережьях материков - Средиземноморье, Среднее Чили (Ю.Америка), ю.-з.Австралии, Калифорния (С.Америка), Южный берег Крыма (Европа). Здесь характерны ясное, сухое и жаркое лето и дождливая теплая зима; 2) муссонные субтропические - Флорида (С.Америка), Уругвай (Ю.Америка), Восточный Китай, Японские острова (Восточная Азия). В этой области лето жаркое, но дождливое, зима относительно холодная и сухая; 3) субтропическая континентальная климатическая область, расположенная в центральных частях материков. Лето жаркое и сухое, зима относительно холодная с малым количеством осадков (юг Австралии, Туркменистана, Ирана, пустыня Такла-Макан, запад Китая, сухой запад США).

Отдельные районы субтропического пояса имеют равномерное увлажнение в течение всего года: юго-восток Австралии, о.Тасмания, а также средняя часть Аргентины (Ю.Америка).

Умеренные климатические пояса занимают пространство между 40 с. и ю.ш. и полярными кругами (66o 33” с. и ю.ш.). В течении всего года здесь господствуют умеренные воздушные массы, нередко вторгается арктический и тропический воздух. В поясе преобладают ветры западных направлений, а на восточных побережьях - муссоны. В течение всего года большую роль играет циклоническая деятельность на полярном (умеренном) и арктическом (антарктическом) фронтах. Часто выпадают осадки, в основном фронтального происхождения. Однако антициклонная погода в умеренном поясе нередкость. Антициклоны приносят преимущественно сухую погоду, особенно в континентальные районы зимой. Режим и количество осадков в умеренном поясе различаются и зависят от двух основных факторов: близости к морю и характера рельефа. Прослеживается такая закономерность: при движении в глубь материков количество осадков и дней с осадками становится меньше. В северных и западных частях материков увлажнение избыточное (т.е. К > 1,0), а в южных и центральных - недостаточное (К < 1,0). Наблюдаются существенные температурные различия между летом и зимой, между сушей и морем. Годовая амплитуда температуры воздуха зимой над материком доходит до 50-60С, а над океанами около 15С. Зимой на материках выпадает снег, образуется устойчивый снежный покров, который держится несколько месяцев. Разнообразие температурного и циркуляционного режима умеренного пояса предопределяет его деление на 4 климатические области: 1) морского умеренного климата (западные побережья материков) со сравнительно теплой зимой, прохладным и пасмурным летом с максимумом осадков. Это большая часть Западной Европы, прибрежная полоса с.-з. Северной Америки, юг Чили (Ю.Америки); 2) переходного от морского к континентальному - большая часть Европы, Патагония (Ю.Америка); 3) континентального климата с разной степенью континентальности и максимумом осадков в теплое время года (внутренняя часть США, юг и юго-восток Восточной Европы, Сибирь, Казахстан, Монголия и др.); 4) муссонный умеренный климат (на восточных побережьях материков) с холодной и сухой зимой, прохладным и дождливым летом (Дальний Восток, Северо-Восточный Китай, север Кореи, Японских островов и др.).

Субполярные климатические пояса (субарктический и субантарктический). Здесь также происходит смена воздушных масс: зимой господствует арктический (антарктический) воздух, летом - воздушные массы умеренных широт. Часты циклоны и антициклоны , повторяемость которых примерно одинакова. Наблюдается полярный день и полярная ночь. Зима продолжительная и суровая, средняя температура января (июля) до -40С и ниже, но в приокеанических частях до -5-10С. Лето короткое и прохладное, с температурой самого теплого месяца не более 10С. Осадков мало, их годовая сумма до 200 мм и ниже, в приокеанических районах до 400 мм/год. Испаряемость очень низкая, поэтому увлажнение избыточное, воздух сырой, облачность большая, много дней с дождем и особенно со снегом. В любом месяце температура может опускаться ниже 0С и выпасть снег. Ветры частые и сильные. В этом поясе расположены тундры - северное побережье Евразии и Северной Америки (материковый климат), Командорские и Алеутские о-ва, а также острова Антарктики (океанический субполярный климат).

Полярные климатические пояса ( арктический и антарктический). В этих поясах в течение года господствует арктический воздух. Нетипичным для поясов является то, что в западной части Арктики над морской поверхностью отмечается интенсивная циклоническая деятельность и очень часто вторгается морской умеренный воздух. Над Антарктидой господствует антициклон. Характерным является отсутствие солнечной радиации зимой (полярная ночь) и круглосуточное освещение летом. Однако снежная и ледяная поверхности сильно отражают солнечные лучи, которые здесь падают под углом, близким к 180, и излучают много тепла. Температура и влажность воздуха очень низкие, средние температуры отрицательные, лишь местами в летние месяцы поднимаются до +5С. Различают морской арктический и материковый антарктический климаты. Последний отличается особой суровостью. Здесь зафиксированы средняя температура декабря (лето) -32С, а августа (зима) -71С, максимум температуры редко поднимается выше - 20С. Осадков мало, воздух сухой, периодически возникают сильные ветры, особенно в переходные сезоны.

Климат не остается неизменным. О том, что он изменяется, свидетельствуют данные наблюдений над состоянием атмосферы почти за 200 лет. Сведения о погоде и о климате имеются в летописях, в трудах ученых древнего мира. О климате доисторического прошлого позволяют судить некоторые горные породы (коралловые известняки, каменный уголь, соли, ленточные глины и др.), формы рельефа, остатки организмов, пыльца растений. Причин изменения климата много, они накладываются друг на друга, что затрудняет его изучение.

В наше время большое влияние на климат оказывает деятельность людей: изменяет состояние атмосферы (увеличение содежания СО2, запыленность, выбросы тепла и т.д.), подстилающую поверхность (сведение лесов, создание водохранилищ, орошение и осушение территорий). Влияние людей на климат можно рассматривать как стихийное и неблагоприятное.

Понятие о гидросфере.

Гидросфера - водная оболочка Земли. Она включает в себя всю химически не связанную воду, независимо от ее агрегатного состояния. Гидросфера состоит из Мирового океана и вод суши. Общий объем гидросферы около 1400 млн. км3, причем главная масса воды - 96,5% - воды Мирового океана, соленые, непригодные для питья. На долю материковых вод приходится лишь 3,5%, из которых более 1,7% содержится в виде льда и только 1,71% в жидком состоянии (реки, озера, подземные воды). Остальной объем водной оболочки Земли, или гидросферы, находится в связанном состоянии в земной коре, в живых организмах и в атмосфере (примерно 0,29%).

Вода - хороший растворитель, могучее транспортирующее средство. Она перемещает огромные массы веществ. Вода - колыбель жизни, без нее невозможно существование и развитие растений, животных и человека, его хозяйственная деятельность. Гидросфера - аккумулятор солнечного тепла на Земле, громадная кладовая минеральных и пищевых ресурсов человека.

Гидросфера едина. Ее единство - в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в единстве их развития, в пространственной непрерывности, во взаимосвязи всех природных вод в системе Мирового круговорота воды.

Мировой круговорот воды - это процесс непрерывного перемещения воды под воздействием солнечной энергии и силы тяжести, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и живые организмы. С земной поверхности под действием солнечного тепла вода испаряется, причем большая ее часть (около 86%) испаряется с поверхности Мирового океана. Попадая в атмосферу, водяные пары при охлаждении конденсируются, и под действием силы тяжести вода возвращается на земную поверхность в виде осадков. Значительное количество осадков выпадает снова в океан. Круговорот воды, в котором принимают участие только океан и атмосфера, называется малым, или океаническим, круговоротом воды. В мировом, или большом, круговороте воды участвует суша: испарение воды с поверхности океана и суши, перенос водяных паров с океана на сушу, конденсация паров, образование облаков и выпадение осадков на поверхность океана и суши. Далее - поверхностный и подземный сток вод суши в океан. Таким образом, круговорот воды, в котором кроме океана и атмосферы принимает участие и суша, называется мировым круговоротом воды.

В процессе мирового круговорота воды происходит постепенное ее обновление во всех частях гидросферы . Так, подземные воды обновляются за сотни тысяч и миллионы лет; полярные ледники за 8-15 тыс. лет; воды Мирового океана - за 2,5-3 тыс. лет; замкнутые, бессточные озера - за 200-300 лет, проточные - за несколько лет; реки - за 12-14 суток; водяной пар атмосферы - за 8 суток; вода в организме - за несколько часов. Мировой круговорот воды связывает все внешние оболочки Земли и организмы.

Воды суши - это часть водной оболочки Земли. К ним относятся подземные воды, реки, озера, ледники и болота. Воды суши заключают всего 3,5% общих мировых запасов воды. Из них только 2,5% составляют пресные воды.