title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Границы природных вод в атмосфере

Границы природных вод в атмосфере

Атмосфера — это среда с существенно иными свойствами, чем океан и поверхностные воды суши. Поэтому границы здесь имеют иное физическое выражение и на много порядков мобильнее по своей изменчивости (если пользоваться астрономической шкалой времени). В пределах тропосферы наиболее очевидными границами можно считать ярусы облачности. Напомним, что по современной Международной классификации различают четыре высотных семейства облаков; 1) верхнего яруса (5000—13 000 м), 2) среднего яруса (2000—7000 м), 3) нижнего яруса (от поверхности Земли до 2000 м), 4) облака вертикального развития (от 500 м до переменной высоты вершины облака).
Все облачные образования демонстрируют дырчатый характер внутритропосферных границ гидросферы и их статистическую сущность. Облако — это зона конденсации водяного пара, возникающая на пути его передвижения от поверхности Земли. Каждое облако выполняет запрещающие функции, оно останавливает поток влаги. Между облаками для потока пара остается свободное пространство, выполняющее функции разрешающих дырок. Сложная динамическая структура облачных скоплений может создать впечатление структурной хаотичности облачных границ. Ho это кажущееся впечатление. Структурные преобразования облачных полей подчиняются определенным закономерностям, поддаются прогнозу и в ряде случаев даже управлению.
В пределах тропосферы современная метеорология обычно различает три класса воздушных масс: тропический воздух (TB), воздух средних (умеренных) широт (УВ), полярный воздух (ПВ). Каждый класс приобретает свои свойства в определенных очагах формирования, их взаимодействие создает генеральную схему циркуляции влаги тропосферы (рис. 2.10).

Квазипостоянные границы между ячейками циркуляции TB, УВ и ПВ представляют собой пояса активной зональной циркуляции (полярные и субтропические струйные течения), приводящие к разрывам тропопаузы. На рис. 2.10 положение фронтов струйчатых течений соответствует средним синоптическим условиям. В течение года и за многолетний период границы фронтов испытывают существенные флуктуации как в пространстве, так и по контрастности своего проявления. Соответственные изменения испытывает и сама тропопауза, имеющая к тому же сложное листообразное строение. Ей присуща и способность к структурной унаследованности. Так, генерализованная ее форма, так же как и форма Земли, может быть аппроксимирована поверхностью двухосного эллипсоида, а фронты удивительно хорошо экстраполируются на критические земные широты.
Характерной особенностью верхней мезосферы и термосферы является ионизация воздуха. Молекулы воды, попадающие сюда, почти полностью диссоциируют. Установлено, что область ионизации расслоена, в ней выделяется несколько зон с относительно повышенной ионизацией. Наиболее надежно фиксируются слои 60—80, 100—120, 180—200, 300—400 км, обычно обозначаемые D, Е, F1, F2. Это дает основание поднять верхнюю границу гидросферы на высоту до 700—800 км. Очевидно, что в выделенных слоях существуют оптимальные условия для ионизации, возможно, из-за аномальной плотности воздуха по сравнению с соседними зонами. Безусловно, что слои D, Е, F1, F2 для потока паров воды (как газа) будут выполнять функции барьеров, поскольку в них резко меняется форма массопереноса (от молекулярной к ионной). Имеются ли в этих барьерах разрывы, сказать трудно. Можно думать, что да, так как поток корпускул и ультрафиолетовое излучение Солнца, вызывающее ионизацию, не постоянны во времени и в пространстве.
Мы рассмотрели внутренние границы верхней части гидросферы, начиная с поверхности океана. Массоперенос внутри квазизамкнутых множеств, на которые она делится, а также функционирование самих границ обусловлены перераспределением тепла, поступающего от Солнца. Наверное, поэтому в современной метеорологии атмосфера часто рассматривается как термодинамическая машина, которая тепловую энергию преобразует в механическую. Оценен даже КПД такой машины. По отношению к крупномасштабным атмосферным процессам его значение составляет приблизительно 1,7—2,0 %. В целом в атмосфере различают два вида глобального переноса: горизонтальный и вертикальный. Первый является основным, причем он настолько преобладает над вертикальным, что в теоретических моделях общеатмосферной циркуляции последним обычно пренебрегают.
Для нашей же задачи главным является вертикальный перенос, поскольку именно он определяет обмен между составляющими надземной гидросферы. В настоящее время установлено, что вертикальное движение контролирует процесс превращения потенциальной энергии в кинетическую и управляет перераспределением энергии. К сожалению, оценка вертикального переноса до сих пор представляет большие трудности. И все же удалось не только измерить его скорости (на 2—3 порядка меньше горизонтальных), но и разработать схемы связи с кинетической энергией (рис. 2.11). Из рисунка видно, что если поднимающееся ядро теплее периферийных областей (а), происходит генерирование кинетической энергии, если ядро холодное (б) — кинетическая энергия потребляется. В соответствии с ситуацией продуцируются и горизонтальные составляющие. В основе же явлений лежит конвективный тепло-перенос.

Для работы любой тепловой машины (по второму закону термодинамики) необходимы холодильник и нагреватель. В зависимости от масштаба исследований их функции выполняют различные области гидросферы, что позволяет говорить о различных тепловых машинах. Например, зональная циркуляция тропосферы обусловлена присутствием постоянных холодильника в полярных областях и нагревателя — в тропических; муссонная циркуляция определяется теплообменом океан—материки, при этом их функции как нагревателей и холодильников меняются по сезонам года; в стратосфере более холодными оказываются низкоширотные пояса, а относительно нагретыми высокоширотные. Появление облачности также может быть объяснено как результат работы некоторой тепловой машины. Например, аномальный нагретый участок океана усиленно прогревает атмосферу и вызывает восходящее движение воздуха и влаги. На определенной (термодинамически критической) высоте влага конденсируется (работа холодильника), возникшая облачность экранирует поступление солнечной радиации, нагреватель остывает, облачность рассеивается — машина переходит на холостой ход (ее КПД резко снижается). Затем происходит новое возбуждение, вызванное поступлением свежей порции тепловой энергии, и т. д. Различные природные тепловые машины постоянно взаимодействуют, создавая чрезвычайно сложную картину функционирования верхней части гидросферы.

title-icon Подобные новости