Как и для чего изучают атмосферу

Как изучают атмосферу? Значение атмосферы для Земли. Наука, изучающая атмосферу

Значение атмосферы для Земли было осознано человечеством давно. Ее воздушные слои служат щитом от жесткого космического излучения и метеоритов, не составляя преграды для солнечных лучей, не пропускают обратно тепловое излучение поверхности планеты.

Зачем нужно изучать процессы в атмосфере

Можно ли было предотвратить потопление эскадры из шестидесяти британских и французских военных кораблей в Черном море? Это случилось четырнадцатого ноября 1854 года во время Крымской Войны. После изучения предоставленных метеорологических сводок Урбен Леверье (Парижская обсерватория) пришел к выводу, что можно было предвидеть ураган (значит, не давать приказа выходить в открытое море), спрогнозировать это явление.

Этот исторический пример доказывает неизбежность развития науки, позволяющей наблюдать за атмосферой и прогнозировать ее поведение.

От того, как изучают атмосферу сегодня метеорологи, зависит определение оптимальных погодных сроков работы на полях, авиация без срочных прогнозов поведения воздушных масс становится не безопасной. Подтопления, град, ураганы, засухи — это неполный список природных явлений, происходящих в атмосфере.

Чем и как изучают атмосферу: первые исторические попытки организации наблюдений

Аристотель еще в четвертом столетии до нашей эры написал труд, названный им «Метеорологика» (Ликейский период Аристотеля — с 334 по 322 год до н. э.). Поэтому наука, изучающаяя атмосферу, называется метеорология.

Возможность изучения метеоусловий возникла после изобретений в 17 веке Галилео Галилеем термометра (фиксация температуры) и барометра (измерение давления) Отто фон Герике. Флюгер (измерение направления ветра), анемометр (измерение скорости движения воздуха), гигрометр (измерение влажности), плювиограф (измерение количества осадков), созданные в этом же веке, расширили список фиксируемых параметров атмосферы.

Сеть из девяти метеостанций (самая первая в истории) в Италии с 1854 по 1667 собирала информацию о параметрах атмосферы.

Вторая европейская сеть метеостанций (1723-1735) работала по инструкции, содержащей стандартные таблицы измерений с методическими указаниями по пользованию приборами, написанной Джеймсом Джурином (Лондон).

Одновременно в России на двадцати четырех метеостанциях (1733-1744) велись наблюдения за атмосферой (инструкция Даниила Бернулли).

Строение атмосферы

В зависимости от процентного состава газообразных составляющих, их температуры воздушную оболочку планеты принято делить послойно.

Тропосфера — воздушная масса, прилегающая к поверхности. Высота нижнего слоя меняется от полюсов к экватору — над полюсами до 8 километров, над экватором до 17. Нагрев воздуха в нем происходит от поверхности планеты, через каждые сто метров температура понижается на 0,6 градуса Цельсия. На верхней границе слоя температура равна приблизительно минус 55 градусов.

Воздушные массы в тропосфере самые плотные (действует притяжение Земли), они находятся в постоянном движении, именно здесь образуются облака из маленьких капелек испаряющейся с поверхности воды.

Стратосфера — следующий большой воздушный слой, его высота — до пятидесяти пяти километров. Воздух разрежен, температура сначала падает, затем подымается с высоты в двадцать пять километров (на один-два градуса на каждый километр высоты).

Мезосфера — высота до восьмидесяти-восьмидесяти пяти километров, рост температуры продолжается.

Термосфера — ее высота — восемьсот километров.

Мезосфера и термосфера — это ионосфера. Атмосферное явление — полярное сияние — формируется именно в ионосфере.

Самый дальний от поверхности планеты слой с температурой в две тысячи градусов — экзосфера.

Какими способами изучают атмосферу

Количество параметров, характеризующих воздушные массы, известны давно. Ученые разных стран еще в девятнадцатом веке пришли к соглашению о единой системе, в которой должны производиться измерения.

К методам изучения атмосферы относятся наземные (метеорологические станции), аэродинамические (радиозонды, ракеты), спутниковые и орбитальные (искусственные спутники Земли и орбитальные космические станции).

Метеостанции

температура (используются различные виды термометров, максимальный и минимальный — для измерения максимума и минимума температуры воздуха за определенный период, термометры для измерения температуры почвы, термограф (самописец) — для регистрации показаний);

атмосферное давление (барометр и барограф — для регистрации);

влажность воздуха (абсолютная и относительная — гигрометром и психрометром, гигрограф — для регистрации);

скорость ветра и направление (флюгер со шкалой — анеморумбометр);

количество осадков за период измерений (осадкомер и плювиограф — для регистрации);

высота снежного покрова (специальная рейка).

На части метеостанций регистрируются гололед, изморось, лед.

Часть метеостанций с более высоким статусом (определяются государственными метеокомитетами) измеряю нижнюю границу облачности (направленными прожекторами), оптическую дальность, испарение почвы, солнечное излучение.

Все метеостанции свои наблюдения передают в единые центры. В России это Р осгидромет.

Аэрологические станции

Скорость и направление ветра, температуру, давление на высотах от тридцати метров до сорока километров (тропосфера и часть стратосферы) регистрируют с помощью системы АРЗ-РЛС (аэрологический зонд — радиолокационная станция).

Зонд — это специальный баллон (из резины или пластика, заполненный водородом или гелием (несколько реже, хотя менее опасно) для поднятия вверх и контейнер с датчиками температуры, давления. Сигналы датчиков преобразуются в радиосигнал, затем передаются на РЛС.

Радиолокационная станция принимает сигналы и расшифровывает их. РЛС «ведет» радиозонд, отслеживая его положение по вертикали и горизонтали.

Таким образом аэрологическая станция получает самые достоверные данные о температурах, давлении и о скорости и направлении ветра на различных высотах.

Так как изучают атмосферу с помощью зондов всего лишь от двух до четырех раз в сутки, этого совершенно недостаточно для сиюминутного знания о состоянии воздушных масс (перемещение, облачность).

Метеорологические ракеты

Исследование атмосферы на высотах до ста километров проводятся с помощью запусков геофизических (метеорологических) ракет. К сегодняшнему дню многие страны создали станции для пуска ракет по всему миру (около пятидесяти).

Принципы ракетостроения, система запусков, обработки сигналов и отслеживание ракеты разработаны были еще в Советском Союзе в пятидесятых годах прошлого столетия.

То, как изучают атмосферу с помощью ракет, достаточно уникально. Суть методики изучения атмосферы данным способом состоит в следующем. В голову ракеты устанавливаются и крепятся измерительные приборы. Ракету вывозят на стартовую площадку станции, размещают в пусковой установке. После старта ракета уходит в заданном направлении, ее путь отслеживается радиолокатором. В зависимости от поставленной задачи на нужной высоте (от 70 до 80 км) головная часть отделяется от двигателя. Раскрывается парашют приблизительно на высоте около ста километров, и ракетозонд начинает падение к поверхности. Все производимые на спуске измерения передаются на наземные станции. На начальном этапе падения скорость начинает увеличиваться, достигая своего максимума на высоте около шестидесяти километров. Плотность воздуха на этой высоте достаточна для начала работы парашюта. Головная часть ракеты на парашюте плавно спускается на поверхность. Траектория падения (дрейфа в атмосфере) отслеживается локатором.

Давление, температура и, наконец, основное — скорость и направление ветра, измеряются ракетой с высокой точностью.

Научные исследования с помощью пусков ракет не ограничиваются только этими измерениями, на этих высотах предметом изучения могут быть и состав воздуха и озоновый слой, и солнечное излучение, и радио магнитное излучение.

Исследования с помощью спутников и орбитальных станций

Космическая эра наблюдений (исследований) началась с запусков искусственных спутников земли (4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник).

На сегодняшний день спутники, облетая планету, предают информацию через каждый час-полтора, охватывая полосу поверхности планеты шириной от километра до трех. Следующий виток проходит рядом, поэтому за двенадцать-четырнадцать оборотов метеорологи получают полную (кроме полюсов) фотографическую картинку поверхности и облачных масс.

Источник

Для чего и как изучают атмосферу: наука о броне Земли

Зачем нужно изучать процессы в атмосфере? Дело в том, что атмосферой называется газовая оболочка нашей планеты. Без нее жизнь на Земле была бы невозможна. Благодаря атмосфере растения и животные получают необходимые для жизнедеятельности газы.

Каждому будет интересно узнать, какой слой атмосферы задерживает губительные ультрафиолетовые излучения, которые являются опасными для жизни. Это озоновый слой. Известно, что ультрафиолетовые лучи нарушают рост и развитие растений, а также являются причиной заболеваний у человека. Вот почему атмосферу называют броней Земли.

А благодаря имеющимся в ней парниковым газам, она поглощает длинноволновое, испускаемое Землей, излучение. Это делает климат на нашей планете комфортным для проживания. Чтобы ответить на вопрос как изучают атмосферу необходимо разобраться с тем, какие задачи ставит перед собой метеорология….

Что изучает метеорология

Метеорология это наука об атмосферных явлениях. Она занимается изучением состояния воздушной оболочки Земли и происходящих в ней процессов. В задачи метеорологии входит:

Развитие этой науки пришлось на вторую половину 18 века. В этот период появилась и сеть метеостанций, которая со временем постепенно увеличилась.

Исследования атмосферы

Как изучают атмосферу? Наиболее важным звеном метеорологии являются метеостанции. На них осуществляется сбор важнейшей информации: фиксируется температура воздуха, количество выпадающих осадков, направление и скорость ветра, атмосферное давление, облачность и другие явления.

Важно! Метеостанции остаются главным способом изучения воздушной оболочки. На их основе собранных данных делаются выводы о тенденциях в изменении климата. Всего в мире действует свыше 8000 метеорологических станций, включая автоматические.

Помимо метеостанций есть и другие методы исследования атмосферы, например, аэрологические станции.

Таких объектов в мире насчитывается около 800. Они функционируют, начиная с 30-х годов 20 века. Для исследования привлекаются аэростаты и стратостаты. Для изучения наиболее высоких и разреженных слоев газовой оболочки используют радиозонды.

Начиная с 60-х годов 20 века, в исследовании атмосферных процессов принимают участие искусственные спутники. С их помощью изучают температурный фон, расположение облачности и гроз, циклонические и антициклонические образования, состояние полярных льдов и т. д.

Спутники совершают вращение вокруг земного шара на высоте 800 – 1000 км, а геостационарные – на высоте в 36 000 км. Использование летательных аппаратов позволяет расширить наши знания о происходящих в атмосферных слоях процессах, и текущем состоянии газовой оболочки.

Существуют различные методы исследования атмосферы, о которых будет рассказано ниже.

Вся информация, полученная при наблюдении за воздушной оболочкой планеты, стекается во Всемирную метеорологическую организацию.

С помощью чего ученые изучают атмосферу

И взрослым, и детям любопытно будет узнать, как изучают атмосферу с помощью оборудования. Основными приборами являются следующие:

Для обработки информации стали применяться компьютеры. Узнав, с помощью чего ученые изучают атмосферу, можно попробовать определить некоторые параметры в домашних условиях с помощью специальных приборов.

Термометр

Термометры были изобретены еще в 17 веке, однако до сих пор являются одними из самых востребованных приборов в метеорологии.

Принцип действия термометра основан на способности жидких веществ расширяться при их нагреве. Повышение температуры воздуха приводит к нагреванию жидкости в колпачке термометра, в результате чего она расширяется, заполняя стеклянную трубку, вдоль которой нанесены градации температуры.

В качестве жидкостей чаще всего применяются спирт или ртуть. Для единиц измерения используются градусы: 0 – начало перехода воды из жидкой фазы в твердую, 100 – вода закипает, превращаясь в газ.

Помимо обычного термометра, показывающего текущее значение температуры, применяют еще так называемые минимальный и максимальный термометры, а также специальный почвенный термометр. Они позволяют определить минимальную и максимальную суточные температуры и температуру почвы (на выбранной глубине).

Барометр

Барометры показывают величину атмосферного давления. Оно, в свою очередь, зависит от высоты. Но так же оно колеблется под действием, происходящих в атмосфере, процессов.

Низкое давление означает преобладание восходящих движений воздуха, с которыми нередко связано выпадение осадков. Более теплый и влажный воздух, поднимаясь в толщу атмосферы, охлаждается и расширяется, что, в конечном счете, приводит к дождю или снегу.

Если давление высокое, то воздух опускается, прижимаясь к земле. А поскольку на высотах он содержит мало влаги, то и осадков обычно не бывает. Но одного лишь атмосферного давления не достаточно для их прогнозирования.

Осадкомер

Как изучают атмосферу с помощью этого прибора? Осадкомер представляет собой емкость для сбора выпадающей из атмосферы воды. Единицей измерения был принят миллиметр водяного слоя. То есть, если было, допустим, 10 мм, то это значит, что именно такой слой жидкости и выпал из атмосферы. Однако после попадания на землю вода начинает течь, скапливаясь в углублениях и образуя лужи. У осадкомера же ровное дно, поэтому подобных искажений не возникает.

Если осадки твердые (снег, град), то они занимают больший объем, поэтому перед измерением их растапливают. При среднем дожде выпадает 10 – 20 мм влаги. Если в течение короткого времени было больше 20 мм, то образуются большие лужи, а если больше 40, то уже возможны подтопления. Иногда за раз впадает 50 – 100 мм, а в исключительных случаях и до 500 – 1000 мм, что всегда (даже если дождь затяжной) вызывает различные наводнения.

Флюгер и анемометр

Для изучения атмосферы применяются флюгер и анемометр. Эти приборы измеряют скорость и направление ветра. Они должны быть подняты на достаточную высоту, поскольку у земли потоки воздуха могут искажаться местными препятствиями.

Ветер до 15 м/с считается умеренным, а если его скорость больше 20 м/с, то очень сильным.

Наиболее сильные порывы отмечается при грозовых шквалах, торнадо, тропических циклонах и при большом барическом градиенте (граница между глубоким циклоном и мощным антициклоном). Такие ветра способны производить сильные разрушения. От того, как человек изучает атмосферу, зависит жизнь целых городов, которые могут быть стерты с лица Земли катаклизмами.

Радар

Радаром называется техническое сооружение, применяемое для сканирования атмосферы. Они активно используются при картографировании атмосферных процессов.

Действие радара основано на отражении, испускаемого устройством электромагнитного излучения, от облаков и осадков. Различные виды препятствий по-разному отражают это излучение, что позволяет определить их особенности.

Радары активно используются в современной метеорологии.

Аэростаты запускаются на большие высоты, что дает возможность измерять метеопараметры в толще атмосферы. Такие сведения дополняют информацию, полученную от наземных станций.

Значение атмосферы очень велико, поэтому для ее исследования применяются новейшее оборудование и технологии.

Биосферные станции

Это особая группа метеорологических станций, которые применяются для изучения атмосферы. Они ведут замеры уровня запыленности и содержания в воздухе различных газовых примесей. Благодаря работе таких исследовательских центров, удалось выявить устойчивую тенденцию к росту содержания парниковых газов в атмосфере, разрушение озонового слоя и увеличение запыленности тропосферы в прошлом веке.

К биосферным станциям предъявляют повышенные требования. Например, персонал должен состоять только из профессионалов, а расположение объекта должно исключать действие локальных загрязнений. Какие специалисты потребуются для работы на объекте, зависит от его расположения. Некоторые из таких станций находятся на маленьких островах посреди океана, а также в Антарктиде. По мере того, как изучают атмосферу на предмет загрязнения, придумывают и новые методы борьбы с ним.

Атмосфера, её строение

Роль атмосферы в жизни Земли

Огромное значение атмосферы в жизни людей объясняется тем, что без нее невозможна жизнь на Земле. Поэтому газовую оболочку планеты нужно не только исследовать, но и беречь от разрушения. Различные способы изучения помогают ученым сохранить озоновый слой.

Это интересно! Как решаются проблемы экологии в современном мире на глобальном и региональном уровне

Источник