Наша Земля обкутана повітряною оболонкою, яку називають атмосферою. Складається вона із суміші газів: азоту — 78% (за об'ємом), кисню — 21%, аргону - 0,9%, гелію, криптону, неону і вуглекислого газу—0,1%.

6.2 Будова атмосфери

Вивчення атмосфери показало, що її будова шарувата. Нижній шар атмосфери називають тропосферою. Він поширюється до висоти 17 км над екватором і 8 км над полюсами. У цьому шарі зосереджено майже 3/4 усієї маси атмосфери, в ньому безперервно рухається повітря як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямах. У тропосфері міститься майже вся вода, в ній відбуваються погодні процеси: утворюються хмари, тумани, випадають опади, бувають грози. Температура повітря в цьому шарі знижується з висотою в середньому на 0,6° на кожні 100 м і на верхній межі досягає — 70° С.Вище тропосфери розміщений шар стратосфери, верхня межа якого знаходиться на висоті 50—60 км. Щільність і тиск у ньому незначні. Розріджене повітря складається з тих самих газів, що і в тропосфері, але в ньому значно більше озону. Озон в атмосфері, визначає характер поглинання сонячної радіації в земній атмосфері. Міститься в незначній кількості: товщина шару озону, приведеного до нормальних умов тиску і температури (760 мм рт. ст. і 0°С), в середньому для всієї Землі складає 2,5—3 мм, в екваторіальних областях — близько 2 мм, а у високих широтах — до 4 мм. Основна маса  розташована у вигляді шару — озоносфери — на висоті від 10 до 50 км з максимумом концентрації на висоті 20—25 км. У тропосфері вміст озону  незначний.  Озон сильно поглинає радіацію в різних ділянках спектру, найінтенсивніше — з довжиною хвиль менше 2900, тому активна в біологічному відношенні частина сонячної радіації не досягає земної поверхні. В результаті поглинання радіації температура в шарі озону сильно підвищується. Температура в стратосфері підвищується і на її верхній межі досягає плюс 10—30° С. Це пояснюється тим, що озон поглинає частину сонячної енергії. Вище від стратосфери розміщені дуже розріджені шари повітря.

6.3 Погода,  атмосферні процеси, що її визначають та показники її стану

Розподіл тепла на земній поверхні.

 Сонце — основне джерело тепла й світла на Землі. Ця велетенська газова куля з температурою на поверхні майже 6000° С випромінює велику кількість енергії, яку називають сонячною радіацією. Вона нагріває нашу Землю, приводить у рух повітря, обумовлює круговорот води, створює умови для життя рослин і тварин.

Проходячи через атмосферу, частина сонячної радіації поглинається, частина розсіюється і відбивається. Тому потік сонячної радіації, приходячи до поверхні Землі, поступово слабшає.

Сонячна радіація надходить на поверхню Землі прямою і розсіяною. Пряма радіація — це потік паралельного проміння, яке йде безпосередньо від диску Сонця. Розсіяна радіація надходить з усього небозводу. Вважається, що надходження тепла від Сонця на 1 га Землі рівнозначне спалюванню майже 143 тис. т вугілля.

Сонячне проміння, проходячи через атмосферу, мало її нагріває. Нагрівається атмосфера від поверхні Землі, яка, поглинаючи сонячну енергію, перетворює її на теплову. Частинки повітря, стикаючись із нагрітою поверхнею, одержують тепло й відносять його в атмосферу. Так нагріваються нижні шари атмосфери. Очевидно, чим більше одержує поверхня Землі сонячної радіації, тим сильніше вона нагрівається, тим сильніше нагрівається від неї повітря.

Великий вплив на розподіл тепла мають морські течії. Теплі течії сприяють підвищенню температури, холодні — зниженню. Так, води північної частини Атлантичного океану біля берегів Європи, де проходить тепла Північноатлантична течія, ніколи не замерзають, на берегах Скандинавського півострова ростуть ліси, тоді як на цих самих широтах біля берегів Північної Америки Атлантичний океан замерзає, а півострів Лабрадор вкритий тундрою.

Крім того, температура повітря залежить від висоти місцевості над рівнем моря. На кожні 100 м температура в середньому знижується на 0,6°. Ось чому на високих горах сніг не тане навіть влітку, утворюючи величезні площі льодовиків.

Отже, розподіл температури повітря над поверхнею Землі залежить від широти місця, розподілу суші й води, морських течій, від висоти місця над рівнем моря і віддаленості від моря.

Розподіл тепла на земній поверхні можна добре простежити за картами ізотерм. Ізотерми — лінії, які сполучають місця з однаковою середньою температурою. У навчальній практиці частіше користуються ізотермами липня (найтеплішого місяця в північній півкулі) і січня (найхолоднішого).

    Тиск повітря. Вітри.

    Тиск повітря. Довгий час вважали повітря невагомим тілом. На початку XVII ст. італійський учений Галілей довів вагомість повітря. Він зробив простий дослід — зважив порожню пляшку, а потім цю саму пляшку зважив після нагрівання. Виявилося, що пляшка після нагрівання стала легшою. Галілей пояснив це явище так: повітря, як усяке матеріальне тіло, при нагріванні розширюється, отже, частина його вийшла з пляшки, тому вона стала легшою.

Але якщо повітря має вагу, воно повинне тиснути на всі предмети, які знаходяться на поверхні Землі. Цим питанням займався учень Галілея — Торрічеллі. Взявши запаяну з одного кінця метрову трубку, він заповнив її ртуттю. Потім перевернув її і відкритим кінцем опустив у чашку з ртуттю. При цьому трохи ртуті вилилося з трубки, але більша частина її залишилась приблизно на рівні 76 см. Що ж перешкодило всій ртуті вилитися з трубки? Торрічеллі дав правильне пояснення: причиною є тиск повітря на поверхню ртуті. Цей тиск урівноважується вагою ртуті, яка залишилася в трубці.

Пізніше зважили повітря. Виявилося, що на рівні моря  його вага - 1,3 кг/см. А вся атмосфера тисне із силою приблизно 10 тис. (10 333 кг/см.).

За тиском повітря та його зміною ведуть систематичні спостереження. Основним приладом, за допомогою якого визначають тиск на метеорологічних станціях, є ртутний барометр. У деяких випадках (особливо в подорожах) користуються металевим барометром — анероїдом. Крім цих приладів є барограф. Він записує зміну тиску.

Тиск вимірюють у міліметрах (мм) ртутного стовпа і в мілібарах (скорочено мб). Маса ртутного стовпа висотою 760 мм при поперечному перерізі 1 см² становить 1033 мб. В абсолютній системі мір атмосферний тиск вимірюють у динах - 1 см/г. Тиск, що дорівнює  1000 000 дин на 1 см², називається бар, а 1/1000 частка бара — мілібар. Його прийнято за одиницю тиску. Нормальним тиском на рівні моря вважається 1013 мб, або 760 мм ртутного стовпа (1 атмосфера).

У зв'язку з тим, що стовп атмосфери з висотою зменшується, зменшується й тиск. На кожні 10,5 м підняття тиск знижується на 1 мм (цю величину називають барометричним ступенем). Людина у своїй практичній діяльності широко використовує ці дані. Наприклад, треба визначити висоту гори. Для цього беруть відліки показань тиску по барометру біля підошви і на вершині. Вираховують різницю в показаннях барометра, множать її на 10,5 м і одержують приблизну висоту гори.

Вітер.

 Повітря має властивість переміщуватися з місць із високим атмосферним тиском у місця, де тиск нижчий. Горизонтальний рух повітря називають вітром. За вітром на метеорологічних станціях ведуть систематичні спостереження. Найпростішим приладом, який показує напрям вітру і його швидкість, є флюгер.

Є прилади (анемометри), за допомогою яких вимірюють швидкість вітру. Ними зручно користуватися в умовах походів та експедицій. Найбільша швидкість вітру (понад 100 м/с) спостерігалася в Антарктиді. За результатами спостережень за напрямом вітру можна побудувати розу вітрів. Це - рисунок, на якому нанесено повторюваність вітру за напрямами. За розою вітрів можна легко визначити, які вітри переважають у даному районі за той чи інший період. Силу вітру вимірюють у балах (від 0 до 12 балів).

Знаючи загальні закономірності поширення тиску на поверхні Землі, можна встановити основні потоки повітря в нижніх шарах атмосфери. Якщо в тропічних широтах (у смузі від 20 до 40° пд. ш.) протягом цілого року утримується область підвищеного атмосферного тиску, а в екваторіальних (у смузі вздовж екватора між 10° пн. ш. і 10° пд. ш.) — зниженого, то, природно, основні потоки повітря будуть спрямовані від тропіків до екватора. На їх напрям впливає відхиляюча сила обертання Землі, тому вони набувають напрямку в північній півкулі з північного сходу на південний захід, а в південній — з південного сходу на північний захід. Ці постійні вітри, які дмуть від поясів високого тиску до екватора, називають пасатами. Отже, в тропічному поясі північної півкулі переважають північно-східні пасати, а південної — південно-східні. Особливо добре виявлені пасати над океанами.

З тропічної і субтропічної смуг підвищеного тиску частина повітряних мас йде до екватора, а частина — в помірні широти. В помірних широтах північної півкулі утворюються південно-західні вітри, які переходять у західні. У південній півкулі виникають північно-західні вітри, які також переходять у західні. Ці вітри несуть з океанів багато опадів на материки (Європу, Північну і Південну Америку).

У високих широтах через підвищений тиск у полярних областях дмуть вітри: у північній півкулі — північно-східні, а в південній — південно-східні.

Зональний розподіл вітрів порушується на східних берегах материків помірних широт. Над материками взимку встановлюється підвищений тиск, а над океанами — знижений. Утворюються потоки повітря з материка на океан, але через відхиляючу силу обертання Землі вони набувають напряму північно-західних. Влітку над материком виникає знижений тиск, а над океаном у цих широтах — підвищений. Утворюються потоки повітря з океану на материк; під впливом відхиляючої сили обертання Землі вони відхиляються від початкового напряму і дмуть як південно-східні, приносячи на материк велику кількість опадів.

Вітри, які змінюють свій напрям за сезонами, називають мусонами. Літній мусон — це потік повітря з океану на материк, тому що над океаном холодніше і тиск більший; зимовий — потік повітря з материка на океан, тому що над материком холодніше і тиск вищий. Особливо добре виявлені мусони на східному березі материка Євразія (Східний Китай).

Через те що поверхня Землі неоднорідна і неоднаково нагрівається, утворюються місцеві вітри. Неоднакове нагрівання у двох близько розташованих районах зумовлює зміну, тиску і переміщення повітря.

Бризи — берегові вітри, які змінюють напрям протягом доби двічі: вдень вони дмуть з водної поверхні, вночі — з суші. Вдень поверхня суші нагрівається сильніше, ніж море. Від нагрівання повітря розширюється і стає легшим. Частина нагрітого повітря піднімається вгору, і на висоті 500—1000 м воно накопичується. Це призводить до підвищення тиску на даній висоті над поверхнею суші. Повітряні маси переміщуються з теплої області в бік більш холодної (в бік моря). Над морем маси повітря збільшуються, тиск підвищується. Тепер уже в нижніх шарах атмосфери потоки повітря з поверхні моря спрямовуються на сушу, утворюючи денний бриз. У тропічних широтах денні бризи — досить сильні вітри, які приносять вологу і прохолоду з моря.

У нічний час поверхня моря нагріта сильніше, ніж суша. Повітря над морем піднімається вгору. У цей час над сушею повітря холодніше й щільніше, і потоки повітря спрямовані від суші до моря. Бризи спостерігаються в ясну погоду на берегах водойм: океанів, морів, великих озер, водосховищ і навіть річок.

Фен виникає у високих гірських районах. Це теплий, сухий вітер, який дме по схилах з гір. Утворюється він в умовах значної різниці тиску на протилежних схилах. Припустімо, що на лівому схилі гори тиск підвищений, температура повітря +10° С. Температура повітря при підніманні по схилу знижується. З підняттям на 1 км вона знижується на 0,5°. З вершини гори повітря стікає по протилежному схилу, температура його підвищується на кожні 100 м на 1°. Ось цей потік теплого й сухого повітря із схилів гір і називають феном.

Бора — гірський вітер. Перехід повітря з одного схилу гір на інший відбувається в умовах низьких перевалів. Тому холодне повітря не встигає нагрітися і холодний потік повітря спрямовується по тісних гірських долинах. Швидкість вітру досягає урагану.

Вода в атмосфері. Хмари. Опади. Вологість повітря.

 В атмосфері завжди утримується певна кількість води, яка потрапляє туди в результаті випаровувань з поверхні Світового океану. Випаровується вода з поверхні суші, із снігових покривів і льодовиків. Дуже багато води випаровують рослини. В окремих випадках з поверхні лісу випаровується води не менше, ніж з поверхні водойм. Вода, яка надійшла в атмосферу, визначає її вологість.

Вміст водяної пари в атмосфері залежить від температури. Чим вища температура повітря, тим більше утримується в ньому вологи. На метеорологічних станціях вологість повітря визначають гідрометрами та психрометрами, а для запису змін вологості повітря використовують гігрограф.

Психрометр складається з двох абсолютно однакових термометрів. У одного термометра резервуар обгорнутий батистом і його кінчик опущений у склянку з дистильованою водою. З поверхні батисту випаровується вода. А при випаровуванні поглинається тепло, тому змочений термометр показуватиме температуру нижчу, ніж сухий. Різниця в показаннях змоченого й сухого термометрів більша тоді, коли повітря сухіше, тому що випаровування прямо залежить від кількості водяної пари в атмосфері. Якщо повітря насичене водяною парою, випаровування припиняється і обидва термометри показують однакову температуру.

Основна частина в гігрометрі — натягнута знежирена людська волосина. Коли вологість повітря збільшується, волосина стає довшою, коли вологість зменшується, волосина скорочується. Ця зміна передається стрілці, яка на циферблаті показує вологість повітря.

Кількість водяної пари, яка утримується в повітрі в даний момент при даній температурі, називають абсолютною вологістю; визначають її за допомогою психрометрів.

Для характеристики вологості повітря користуються поняттям відносна вологість. Це відношення кількості водяної пари, яка утримується в повітрі в даний час, до тієї кількості, яку повинне утримувати повітря при насиченні. Коли повітря досягає насичення водяною парою, тоді величина відносної вологості становить 100%.

Відносна вологість повітря перебуває в зворотній залежності від температури: чим вища температура, тим нижча відносна вологість повітря. Тому протягом доби і року відносна вологість змінюється. Так, у найхолодніший - місяць буде найвища відносна вологість, а в найтепліший — найнижча. У полярних країнах відносна вологість велика, тому що температура повітря низька. У тропічних країнах, де спостерігаються найвищі температури, відносна вологість низька.

Що станеться з водяною парою в повітрі, якщо температура його знижуватиметься? Відбудеться процес конденсації водяної пари, тобто перехід з газоподібного стану в рідкий, а в окремих випадках — у твердий (у кристалики льоду). Так утворюється в теплий період року роса. Охолоджуючись від поверхні землі, вологе повітря втрачає можливість утримувати в собі водяну пару. Вона починає конденсуватися, на траві й листі дерев утворюються крапельки роси. Особливо великі роси спостерігаються в серпні, коли настають прохолодні ночі.

При температурі поверхні землі нижче 0° утворюється іній.

У морозну тиху погоду спостерігається цікаве явище, коли дерева та інші предмети вкриваються пухким нальотом кристаликів льоду. Це явище називають памороззю. Вона утворюється в холодний час при надходженні більш теплого повітря. Водяна пара, охолоджуючись, переходить у твердий стан, утворюються мільярди дрібнесеньких кристаликів льоду, які й осідають на різних предметах.

У приземних шарах атмосфери при конденсації водяної пари утворюється безліч дрібнесеньких краплинок води, які настільки знижують видимість, що навіть яскраві предмети стають невидимими. Таке явище називають туманом. Тумани частіше утворюються над низинами, болотами, у місцях з багатою рослинністю, над річками. Часто бувають тумани і у великих містах. Дрібнесенькі краплинки води утворюються на крупинках пилу і на твердих часточках, що вилітають з труб фабрик і заводів. Нерідко ці часточки уявляють, собою отруйні хімічні сполуки; вони руйнівно впливають на дихальну систему людини і отруюють її. Такі отруйні тумани називають смогом.

Хмари.

 Процес конденсації водяної пари в атмосфері зумовлює утворення хмар, які складаються з дрібнесеньких краплинок води або кристаликів льоду. Краплини у хмарах настільки малі, що підтримуються в атмосфері навіть при невеликих висхідних потоках повітря.

Форми хмар дуже різноманітні, тому для вивчення їх класифікують (об'єднують в окремі групи). У сучасній класифікації хмар беруть до уваги їх висоту і форму.

Основні типи хмар — перисті, шаруваті і купчасті. Крім того, часто зустрічаються в природі хмари перисто-шаруваті, шарувато-дощові, шарувато-купчасті та ін.

Різноманітність форм хмар залежить від умов їх утворення. Так, купчасті хмари утворюються тільки в теплий період року при висхідних потоках повітря. Нагріваючись від поверхні землі, повітря у вигляді струменів піднімається вгору, на висоті воно охолоджується, водяна пара починає конденсуватись, утворюються дрібнесенькі краплинки води, які підтримуються висхідними потоками.

Хмари утворюють хмарність, під якою розуміють ступінь вкриття неба хмарами. Хмарність визначають за десятибальною шкалою (від 1 до 10 балів).

Хмарність на Землі розподіляється зонально. Велика хмарність в екваторіальному поясі — понад 7 балів; у тропічному поясі вона різко знижується —до 1—2 балів. Наприклад, в Асуані середня річна хмарність становить 0,4 бала. У помірних широтах хмарність знову збільшується. Найбільша хмарність на берегах Білого моря. До полюсів хмарність дещо зменшується.

Опади.

 Під атмосферними опадами розуміють воду в твердому або рідкому стані, яка випала з хмар у вигляді дощу, снігу, граду або крупи.

Не кожна форма хмар виділяє опади. Тільки три типи хмар дають опади: високошаруваті, шарувато-дощові і, купчасто-дощові. Ці хмари складаються з дрібнесеньких краплинок води, кристаликів льоду і переохолодженої води. У них швидше збільшуються окремі елементи і під дією сили маси, переборюючи силу висхідних потоків, починають падати на землю у вигляді дощу або снігу.

Особливий вид опадів — крупа й град. Снігова крупа – це кулеподібні снігові грудочки діаметром від 2 до 5 мм, білого кольору, досить легкі. Вона утворюється, коли сніжинки з верхніх частин хмари опускаються у шар хмар з великою кількістю дрібнесеньких переохолоджених краплин, сполучаючись із якими сніжинки швидко ростуть і у вигляді грудочок падають на землю.

Град — особлива форма льодяних опадів, які випадають у теплий період року під час грози з купчасто-дощових хмар. Кожна градинка складається з непрозорої снігової серцевини — ядра, вкритого оболонками. Розмір градин коливається від горошини до величини курячого яйця. Град утворюється, коли льодяна крупа потрапляє в потужний висхідний потік повітря і високо піднімається, а потім падає на землю. Падаючи вниз і проходячи через хмари, вона вкривається льодяною кіркою. Град частіше спостерігається в гірських областях, ніж на рівнинах. Він завдає великої шкоди сільському господарству.

Для вимірювання кількості опадів користуються опадоміром. Головна його частина — відро, встановлене на стовпі так, що його верхній край знаходиться на висоті 2 м від поверхні землі. Відро міняють двічі на добу. Кількість опадів вимірюють за допомогою спеціальної вимірної склянки.

Погода .

Погода - сукупність процесів, які відбуваються в нижньому шарі атмосфери в тому чи іншому пункті в певний момент. Погода — це складний комплекс явищ: температури, тиску, вітру, вологості, хмарності, опадів, а також звукових та електричних явищ в атмосфері. Усі вони перебувають у зв'язку і взаємодії. Зміна одного явища, наприклад температури, призводить до зміни тиску, вологості, хмарності і опадів. Крім того, погода формується внаслідок складної взаємодії сонячної радіації, яка надходить на поверхню Землі, і циркуляції повітря над поверхнею. Це залежить не тільки від широти місця, а й від різноманітності поверхні. Наприклад, південні схили гір і височин нагріваються більше, ніж північні; водойми— повільніше, ніж суша; поля — більше, ніж ліси й болота. Таким чином, важливий елемент погоди — температура - в різних місцях буває різна. А різноманітність температурних умов, у свою чергу, впливає на інші елементи погоди. Різкі зміни в погоді найчастіше зумовлені зміною повітряних мас.

Повітряні маси і фронти. Нижній ша