Атмосфера и ее движение. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Земля окружена толстым слоем воздуха - атмосферой. С высотой воздух становится все более разреженным, менее плотным. У поверхности Земли, на уровне моря, один кубический метр воздуха весит при 0 градусов около 1,3 килограмма; а на высоте 25 километров над земной поверхностью кубический метр воздуха весит уже в тридцать с лишним раз меньше.

Хотя толщина земной атмосферы достигает многих сотен километров, но по сравнению с объемом земного шара она совсем не велика.

Нижний слой атмосферы, в пределах от 9 до 18 километров над поверхностью Земли, называется тропосферой. В этом слое находится более 3/4 по весу воздуха. Верхние слои называют стратосферой и ионосферой.

Воздух, как и все предметы, имеет вес; он давит на Землю и на всех, живущих на ней, с большой силой; эта сила у поверхности Земли равна примерно одному килограмму на каждый квадратный сантиметр площади тела.

С высотой давление воздуха постепенно уменьшается. Но и у поверхности Земли, как мы увидим далее, атмосферное давление никогда не бывает постоянным, оно всегда меняется.

Давление воздуха, равное давлению, которое оказывает при 0 градусов столб ртути высотой в 760 миллиметров, называется нормальным атмосферным давлением. Это давление равно 1,0336 килограмма на квадратный сантиметр.

В метеорологии давление воздуха принято измерять в миллибарах. Один миллибар равен примерно давлению, которое оказывает один грамм на поверхность одного квадратного сантиметра. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1000 миллибар.

Метеорология - наука об атмосфере и происходящих в ней явлениях, преимущественно физических. В более узком понятии - зто наука о погоде и ее изменениях.

Атмосфера никогда не находится в покое. Всюду - у полюсов и под тропиками, внизу, у поверхности Земли, и вверху, там, где плывут облака,- воздух находится в движении.

Движение воздуха, окружающего Землю, и называют ветром.

Что же вызывает движение воздуха в атмосфере? Почему дуют ветры?

Чтобы хорошо уяснить себе причину ветра, вспомните всем известное явление. Когда зимой вы открываете дверь из натопленной комнаты на улицу или в более холодную комнату, понизу устремляется в теплую комнату холодный воздух. Одновременно с этим поверху будет выходить наружу теплый комнатный воздух. Убедиться в этом легко. Зажгите свечу или спичку и поместите ее у открытой двери - сначала внизу, у порога, а затем - вверху (рис. 1). Внизу пламя свечи будет заметно отклоняться потоком холодного воздуха в комнату, а вверху, наоборот, поток теплого воздуха, идущего из комнаты, отклонит пламя свечи наружу, из комнаты.

Рис.1

Почему это так происходит?

А вот почему. Если взять два одинаковых объема воздуха, но различно нагретые, то более холодный объем воздуха будет всегда более плотным, а значит, и более тяжелым. Нагреваясь, воздух, как и все тела, расширяется, становится менее плотным и более легким. Когда мы открываем дверь на улицу, более холодный и более плотный наружный воздух устремляется в теплую комнату, вытесняя менее плотный и более легкий комнатный воздух кверху.

Как более тяжелый, наружный воздух входит в комнату понизу, располагается в комнате в нижних слоях, у пола. Вытесняемый холодным тяжелым воздухом теплый воздух поднимается вверх и уходит из комнаты наружу через верхнюю часть открытых дверей.

Этот пример позволит нам понять причины движения воздуха в атмосфере.

Солнечное тепло, падающее на Землю, нагревает прежде всего ее поверхность. Атмосфера поглощает только незначительную часть солнечной тепловой энергии. От нагретой поверхности земного шара нагреваются нижние, соприкасающиеся с ней слои воздуха. Теплые слои воздуха перемешиваются с холодными, отдают им свое тепло; так происходит нагревание воздуха.

Таким образом, чем сильнее нагревается Солнцем земная поверхность, тем сильнее нагревается и воздух, лежащий над ней.

Но как нагревается поверхность Земли Солнцем? Далеко не одинаково. Это связано прежде всего с тем, что в разное время года и в разных климатических поясах.

Рис.2

Земли Солнце поднимается над горизонтом по-разному. Чем выше Солнце стоит над горизонтом, тем более приходится солнечного тепла на одну и ту же площадь поверхности Земли (рис. 2).

Благодаря шарообразной форме Земли на экваторе и близ него лучи Солнца падают круто, в полдень почти отвесно. В странах умеренного климата солнечные лучи падают на земную поверхность уже значительно более полого. А в полярных странах и на полюсах солнечные лучи лишь как бы скользят по земной поверхности - Солнце поднимается над горизонтом сравнительно невысоко. Более того, зимой Солнце здесь совсем не появляется над горизонтом: стоит длинная полярная ночь.

По этой же причине изменяется температура поверхности Земли в течение суток. Днем, когда Солнце находится высоко в небе, поверхность Земли нагрета сильнее всего, вечером же, когда Солнце уходит за горизонт, Земля начинает остывать, а ночью и утром температура ее падает еще ниже.

Рис.3. Ход Солнца на небесном своде: вверху - за полярным кругом, в середине - в странах умеренного климата и внизу - на экваторе

Кроме того, неравномерный нагрев земной поверхности объясняется тем, что различные участки поверхности нагреваются Солнцем и охлаждаются различно. Особенное значение имеет способность воды и суши различно нагреваться и охлаждаться.

Суша быстро нагревается до более высокой температуры, но быстро и остывает. Вода же (особенно в морях и океанах) благодаря постоянному перемешиванию нагревается очень медленно, но зато сохраняет свое тепло значительно дольше, чем суша. Объясняется это тем, что теплоемкость воды и суши различна (теплоемкостью называется количество тепла, необходимое для нагревания тела на один градус).

По-разному нагреваются под лучами Солнца и различные участки суши. Например, черная голая земля нагревается значительно сильнее, чем, скажем, зеленое поле. Сильно нагревается Солнцем песок и камень, много слабее - лес и трава.

Способность различных участков земли по-разному нагреваться под лучами Солнца зависит также от того, какая доля падающих на поверхность лучей поглощается поверхностью и какая отражается. Различные тела имеют различную отражательную способность. Так, снег усваивает лишь 15 процентов солнечной энергии, песок - 70 процентов, а вода отражает только 5 процентов и поглощает 95 (рис. 4).

От различно нагретых участков земного шара по-раз- ному нагревается и воздух. Насколько различно количество тепла, получаемое воздухом в разных местах, видно из такого примера. В пустыне воздух получает от нагретого песка в 130 раз больше тепла, чем получает воздух от воды в море, находящемся на одной широте с пустыней.

Но различно нагретый воздух имеет, как уже говорилось, и различную плотность. Это создает в разных местах различное атмосферное давление: там, где воздух менее нагрет и, значит, более плотный, атмосферное давление выше; наоборот, где воздух нагрет сильнее и, следовательно, более разрежен, давление воздуха ниже.

А воздух с более высоким давлением всегда стремится двигаться туда, где имеется более низкое атмосферное давление, подобно тому, как вода всегда течет от более высокого уровня к более низкому. Так и возникает в природе ветер.

Постоянное движение воздуха создает разность температур и давлений в атмосфере, что связано с неравномерным нагреванием земного шара Солнцем.

Рис.4

Таким образом, ветер в природе возникает за счет энергии солнечных лучей.

На рисунке 5 мы приводим упрощенную схему главных воздушных течений. Как видно из схемы, даже в простейшем виде движение воздушных масс над Землей представляет собой довольно сложную картину.

У экватора благодаря сильному нагреванию поверхности наблюдается постоянное пониженное давление воздуха. Сюда текут воздушные потоки с севера и с юга и создают постоянные ветры - пассаты. Эти ветры отклоняются под влиянием вращения Земли. В северном полушарии, если смотреть по тому направлению, куда дует пассат, ветер отклоняется вправо, в южном - влево. На высоте 3-7 километров в этих областях дуют антипассаты - ветры обратных направлений. У самого экватора находится зона затишья.

По мере удаления от экватора антипассаты все сильнее отклоняются от своего направления к полюсам.

Примерно на широте 30 градусов )по обе стороны от экватора наблюдаются полосы затишья; в этих районах притекающие от экватора воздушные массы (антипассаты) опускаются и создают областц повышенного давления. Именно здесь и зарождаются пассаты.

Отсюда же внизу дуют ветры по направлению к полюсам. Ветры эти - преобладающие западные; по сравнению с пассатами они значительно более изменчивы.

Старые моряки называют области между 30 и 60 градусами областями "западных штормов".

Полосы затишья около 30 градусов широты называют иногда конскими широтами. Здесь преобладает ясная погода при высоком атмосферном давлении. Это странное название сохранилось еще с тех времен, когда мореплаватели ходили на парусных кораблях, и относилось только к району около Бермудских островов. Многие корабли перевозили лошадей из Европы на острова Вест-Индии. Попадая в полосу затишья, парусники теряли возможность двигаться. Нередко при этом моряки оказывались в тяжелых условиях. Истощались запасы воды, от жажды в первую очередь погибали лошади. Выброшенные за борт трупы лошадей долго носились волнами.

Ветры, дующие от полюсов, часто называют полярными восточными ветрами (см. рис. 5).

Рис.5. Упрощенная схема главных воздушных течений

Описанная нами картина главных воздушных течений над Землей еще более усложняется постоянными ветрами, возникающими благодаря неравномерному нагреванию воды и суши.

Мы уже говорили о том, что суша нагревается и охлаждается быстрее, чем вода. Благодаря этому за день суша успевает нагреться значительно сильнее, чем вода: ночью же, наоборот, вода охлаждается медленнее, чем суша.

Поэтому днем над сушей воздух нагревается сильнее; нагретый воздух подымается вверх и увеличивает там атмосферное давление. Потоки воздуха (примерно на высоте 1 км) устремляются к воде, и над водной поверхностью устанавливается повышенное атмосферное давление. В результате этого внизу с воды начинает дуть свежий ветер - бриз (рис. 6).

Рис.6. Схема дневного бриза

Но вот наступает ночь. Суша быстро охлаждается; охлаждается и прилегающий к ней воздух. Холодный воздух, уплотняясь, опускается. Его давление в верхних слоях уменьшается. В то же время вода остается долгое время теплой и нагревает находящийся над ней воздух. Подсчитано, что охлаждение 1 кубического метра морской воды на один градус дает такое количество тепла, которого достаточно для нагревания на один градус более 3 тысяч кубических метров воздуха! Нагреваясь, воздух поднимается кверху и создает там повышенное атмосферное давление. В результате вверху начинает дуть ветер на берег, а внизу дует материковый бриз - с суши к воде (рис. 7).

Рис.7. Схема ночного бриза

Такие береговые ветры известны всем, кто живет на берегу больших озер или морей. Хорошо известны, например, бризы на Черном, Азовском и Каспийском морях; так, в Сухуми бризы бывают круглый год. Бризы дуют и на больших озерах, на таких, как Севан, Иссык-Куль, Онежское и другие. Наблюдают бризы и на берегах больших рек, например, на Волге у Саратова, на ее высоком правом берегу.

Бризы не распространяются далеко. Это - чисто местные ветры. Неравномерное нагревание воды и суши в береговых районах морей и океанов создает ветры, аналогичные бризам. Это - так называемые муссоны.

Муссоны - сезонные ветры, они дуют полгода в одном направлении, полгода в другом. Они дуют благодаря различному нагреванию и охлаждению морей и материков в зимнее и летнее время. Летом воздух над материком нагревается намного сильнее, чем над морем. Наоборот, зимой воздух над морем (океаном) оказывается более теплым, чем воздух над материком. Объясняется это тем, что летом материки нагреваются сильнее, а зимой охлаждаются сильнее, чем вода, в то время как море, более холодное летом, зимой становится теплее суши.

Большая теплоемкость воды позволяет океану хранить в себе с лета огромные запасы тепла.

Таким образом, летом материки как бы нагревают атмосферу, а моря и океаны - охлаждают ее. Зимой положение меняется: "атмосферными печками" становятся моря, а "холодильниками" - материки.

По этой причине и дуют муссоны; зимой - с суши на море, а летом с моря на материк.

Муссоны наблюдаются во всех климатических поясах, даже на берегах Северного Ледовитого океана. На направление муссонов также влияет вращение Земли. Наиболее ярко выражены муссоны в Индии.

Наконец, для общей характеристики воздушных течений необходимо сказать и об атмосферных вихрях - циклонах.

Воздушные течения, о которых мы говорили выше, связаны с перемещением в атмосфере громадных объемов воздуха - воздушных масс. Воздушной массой принято называть такие объемы воздуха, которые сохраняют некоторое время свои определенные свойства. Так, например, воздушная масса, идущая из Арктики, несет с собой низкую температуру и сухой прозрачный воздух.

Поверхность раздела двух различных воздушных масс называют фронтом. По обе стороны фронта часто резко различны температура воздуха, скорость ветра и т. д. Поэтому, когда над каким-либо местом проходит фронт, то в этом районе обычно резко меняется погода.

Когда две соседние воздушные массы, имеющие разную температуру (а значит, и разную плотность воздуха), движутся с различной скоростью, или когда они перемещаются друг относительно друга вдоль фронта (рис. 8 вверху) на пограничной поверхности воздушных масс, благодаря взаимодействию теплых и холодных масс воздуха, возникает волновое возмущение - на фронте образуется как бы воздушная волна. При этом холодный воздух подтекает под теплый, а теплый воздух в свою очередь начинает оттеснять холодный воздух. Начинается завихрение воздушных потоков. Волновое возмущение на фронте растет, поверхность раздела двух воздушных масс изгибается все более круто: так постепенно возникает все более сильное вихревое движение воздуха - циклон (см. рис. 8).

Рис.8. Схема образования и развития циклона

Имеется три главных фронта, где возникают циклоны: арктический, полярный и тропический. Арктический фронт является линией раздела арктического и полярного воздуха (северные широты). Полярный фронт разделяет полярный и тропический воздух (умеренные широты). Тропический фронт является линией раздела тропического и экваториального воздуха (южные широты).

Атмосферное давление в циклоне понижается к его центру. В центре циклона давление воздуха самое низкое. Если на карте местности, где развивается циклон, все точки с одинаковыми давлениями соединить линиями - например, одна линия соединит все точки с давлением 990 миллибар, другая - с давлением 995 миллибар и т. д.,- то окажется, что все такие линии в области циклона будут замкнутыми кривыми линиями (рис. 9). Такие линии называются изобарами. Изобара, находящаяся в центре этой области, будет соединять точки с самым низким давлением.

Благодаря такому распределению давлений в циклоне ветры дуют в нем от краев к центру, так, что образуется круг ветров, дующих против часовой стрелки.

Рис.9. Изобары на карте погоды

Циклон перемещается в атмосфере; он приносит с собой резкое изменение ветра по направлению и по скорости. Средняя скорость движения циклонов 25-40 километров в час.

Помимо циклонов, т. е., иными словами, областей с пониженным давлением, в атмосфере возникают также области с повышенным давлением - антициклоны. Здесь давление воздуха повышается к центру.

Циклоны и антициклоны нередко захватывают очень большие пространства, простирающиеся на тысячи километров. Поэтому эти атмосферные возмущения оказывают заметное влияние на общую циркуляцию воздуха в атмосфере, в еще большей степени осложняют ее. Возникновение и смена различных ветров в умеренных широтах связаны главным образом с перемещением циклонов и антициклонов.

Очень сильные, ураганные ветры возникают в циклонических возмущениях, зарождающихся на тропическом фронте, над южными морями. Эти циклоны носят название тропических.

Автор: Кармишин А.В.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Новая система зеленой энергетики 28.09.2019 Исследователи из Института микробиологии Китайской академии наук создали новую систему биофотовольтаики (BPV), объединив два вида бактерий. Эта система может стабильно работать более 40 дней, устанавливая новый рекорд долговечности BPV. Биофотовольтаика (BPV) - это новая технология в "зеленой энергетике", для которой используют биологические фотосинтетические материалы (в основном живые фотосинтетические микроорганизмы) для преобразования солнечной энергии в электричество. BPV более экологичен и потенциально более рентабелен, чем фотоэлектрические системы на основе полупроводников (PV), учитывая токсичность фотоэлектрических материалов. Тем не менее, удельная мощность современных систем BPV в основном остается низкой: фотосинтетические микроорганизмы обладают слабой способностью переносить электроны вне клеток. Чтобы решить эту проблему, исследователи создали микробное сообщество из двух видов бактерий. Этот микробный "консорциум" состоит из фотосинтетических цианобактерий и экзоэлектрогенных бактерий Shewanella. Экзоэлектрогенные бактерии - это вид анаэробных микроорганизмов, которые приспособились жить в безвоздушной среде. Когда такая бактерия высвобождает атом кислорода, она получает положительный заряд. В качестве энергоносителя, ответственного за направленный перенос энергии между цианобактериями и Shewanella, исследователи выбрали D-лактат, молочную кислоту. В новой системе цианобактерии "захватывают" солнечную энергию и фиксируют молекулы углекислого газа для синтеза D-лактата, в то время как Shewanella вырабатывает электричество путем окисления D-лактата, создавая тем самым ограниченный поток электронов от фотонов к D-лактату, а затем к электричеству. Благодаря генетическим манипуляциям, а также манипуляции с питательной средой и устройством, эти два совершенно разных микроорганизма могут эффективно работать вместе. Эксперименты показали, что новая система BPV может стабильно работать в течение более 40 дней при среднем уровне энергоинтенсивности 135 мВт/м2. Это самый продолжительный срок работы и уровень мощности, по сравнению с другими системами BPV.

Другие интересные новости:

▪ 12-рядная картофелесажалка GST PP 12

▪ Mercedes на топливных элементах

▪ Пластиковые шестерни вместо металлических

▪ 9-местный электросамолет

▪ Мониторинг слепых зон в грузовиках Mercedes-Benz

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Чудеса природы. Подборка статей

▪ статья Мата Хари. Крылатое выражение

▪ статья Как хранили и передавали информацию инки? Подробный ответ

▪ статья Слесарь по ремонту оборудования подачи топлива. Должностная инструкция

▪ статья Доработка импортных электронных часов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Трансформаторы питания на частоту 50 Гц. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026