Облачность, её суточный и годовой ход

 

Степень покрытия небесного свода облаками называют облачностью. Облачность выражается в десятых долях покрытия неба (0-10 баллов). При облаках, полностью закрывающих небо, облачность обозначается числом 10, при совершенно ясном небе — 0. На метеостанциях облачность обычно определяют на глаз. Но существуют для этого и приборы в виде фотокамер с выпуклым полусферическим зеркалом. Принято отдельно оценивать общую облачность и количество нижних облаков, так как высокие и отчасти средние облака мало затеняют солнечный свет.

Облачность имеет большое значение для оборота тепла на Земле. Она отражает прямую солнечную радиацию и уменьшает её приток на земную поверхность, увеличивает рассеяние радиации, уменьшает эффективное излучение, меняет условия освещённости.

Суточный ход облачности на Земле сложен и в большой степени зависит от рода облаков. Внутримассовые слоистые и слоисто-кучевые облака, связанные с выхолаживанием воздуха от земной поверхности и со сравнительно слабым турбулентным переносом водяного пара вверх, имеют максимум ночью и утром.

Облака конвекции имеют отчетливо выраженный суточный ход. Они возникают в дневное время (максимальное прогревание суши) и исчезают к ночи. Поэтому над сушей в умеренных широтах летом наблюдаются два максимума облаков — утром и после полудня. В холодное же время года преобладает утренний максимум. В тропиках весь год преобладает послеполуденный максимум, так как важнейшим облакообразующим процессов является конвекция. Над морем облака конвекции и облака восходящего скольжения не имеют ясного суточного хода.

Годовой ход облачности различен в разных климатических зонах. В высоких и умеренных широтах над сушей максимум приходится на зиму, когда наиболее развита циклоническая деятельность, а минимум – на весну и лето, когда преобладают облака конвекции. Над морем в этих широтах различий в годовом ходе облачности между сезонами не наблюдается. Внутри континентов, где в зимнее время господствуют антициклоны, минимальная облачность наблюдается зимой, а максимальная летом.

В субтропиках, где летом господствуют антициклоны, на это время приходится минимум облачности, на зиму – максимум. В тропиках, в пассатной зоне – максимум облачности приходится на лето, минимум на зиму.

В географическом распределении облачности на Земле можно отметить следующие особенности. Над морем облачность больше, чем над сушей. В среднем для всего северного полушария она над морем — 5.6, над сушей — 4.8, для южного полушария — над морем 6.0, над сушей — 4.9. Для всего Земного шара в целом облачность составляет 5.4, то есть поверхность Земного шара в целом закрыта облаками более чем наполовину. От самых высоких к субполярным широтам облачность растёт и достигает максимума в зоне 70-60° широты. Это связано с максимальным развитием циклонической деятельности в субполярных широтах. Затем к субтропикам облачность убывает и достигает минимума в зоне 30-20°. Этот минимум связан с субтропическими антициклонами. Далее к экватору облачность снова увеличивается: это зона пассатов с их кучевыми облаками и затем зона внутритропической конвергенции вблизи экватора, где развивается сильная конвекция.

Световые явления в облаках. Радуга.

С облаками в атмосфере связаны различные световые явления (гало, венцы, радуга), которые обусловлены отражением, преломлением и дифракцией света в каплях и кристаллах облаков.

В ледяных облаках верхнего яруса возникают явления гало. К ним относятся световые круги радиусом 22 или 46 угловых градусов, центры которых совпадают с центром солнечного или лунного диска. Круги бывают слабо окрашены в радужные цвета (красный внутри). Окрашивание гало объясняется преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, неокрашенные (бесцветные) формы – отражением света от граней кристаллов.

В тонких водяных облаках, состоящих из однородных капель (высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счет дифракции возникают явления венцов. Венцы возникают также в тумане около искусственных источников света.

Радуга наблюдается в том случае, если облака, из которых выпадает дождь, освещены солнцем и расположены против него. Радуга представляет собой дугу радиусом около 42°, окрашенную по внешнему краю в красный, по внутреннему - в фиолетовый, а между ними - в остальные цвета спектра. Дуга радуги является частью окружности, центр которой лежит на прямой, соединяющей центр солнечного диска с глазом наблюдателя. Если солнце стоит на высоте более 42° над горизонтом, то центр радуги лежит глубоко под горизонтом и радуги не видно совсем, если ниже - дуга радуги составляет почти полуокружность. Кроме основной радуги, иногда можно видеть более слабую дополнительную радугу радиусом около 50⁰ с фиолетовым цветом по наружному краю, а в отдельных случаях возникают третья и четвертая радуги. Ширина и окраска радуги зависит от размеров капель. Радуга возникает при преломлении солнечных лучей при входе и выходе из капель, их отражении внутри капель и явлений дифракции на каплях.

 

Туман, дымка, мгла.

 

Воздух часто бывает замутнён вследствие наличия в нём различных примесей и мельчайших зачаточных продуктов конденсации. Примеси рассеивают проходящий свет, что приводит к ухудшению дальности видимости. Если помутнение невелико, оно называется дымкой. Помутняющими частичками являются микроскопические капельки и пылинки. Дымка наблюдается обычно у поверхности, распространяясь от неё на более или менее значительную высоту. При этом дымка ослабляет краски ландшафта и уменьшает видимость (дальность видимости от 1 до 10 км). Если диаметр помутняющих частичек меньше, чем длины световых волн, то есть измеряются в десятых долях микрометра, то дымка окрашивает отдалённые предметы в синий цвет, белые или светящиеся предметы приобретают желтоватую окраску. Такое помутнение называют опалесцирующим. При более значительных размерах помутняющих частиц дымка принимает белесоватый или сероватый оттенок.

Более крупные продукты конденсации и их большая концентрация у поверхности вызывают более значительное ухудшение видимости (дальность видимости становится меньше километра). В таких случаях говорят о тумане. При низких температурах туман состоит не только из жидких капелек, но и из кристалликов.

Если сильное помутнение вызвано не продуктами конденсации, а содержанием в воздухе большого количества твёрдых коллоидных частиц, явление носит название мглы. Мгла особенно часто наблюдается при пыльных бурях, лесных пожарах и над промышленными городами. При мгле относительная влажность может быть очень невелика, что отличает мглу от тумана. Дальность видимости при сильной мгле может уменьшаться так же, как при тумане.

Смог.

Очень неприятное и даже опасное явление представляет собой уменьшение прозрачности воздуха, связанное с антропогенными примесями и называемое смогом. Онвозникает в больших городах или индустриальных центрах. Сильные смоги могут приводить к серьёзным заболеваниям дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы, иногда даже к смертельным случаям.

Смог возникает в определенных метеорологических условиях: отсутствие осадков, безветренная погода, температурная инверсия, сохраняющихся в течение нескольких дней. Эти условия препятствуют вертикальному и горизонтальному перемещению воздуха и его очищению от поступающих загрязнителей. В зависимости от географических условий выделяют 3 типа смога.

1. Ледяной смог. Он зафиксирован в полярном климате и возникает зимой, в условиях низких температур (t° < -35°С), когда Солнце поднимается не более чем на 4-5 часов, и практически отсутствует суточный ход температуры. Загрязнителем являются водяные пары искусственного происхождения, которые преобразуются в мельчайшие ледяные кристаллики (5-10 мкм в диаметре) и уменьшают дальность видимости до 10 м. К водяным парам примешивается двуокись серы и при окислении кислородом воздуха происходит образование серной кислоты. Впервые такой вид смога был отмечен в США в поселке Фербенкс на Аляске.

2. Смог лондонского типа возникает в условиях умеренного влажного климата в переходные сезоны, при сильных туманах и температуре воздуха, близкой к 0°С. Основные загрязнители — продукты сгорания торфа, нефти, угля. При образовании этого типа смога снижается видимость, быстро нарастает концентрация вредных веществ, воздух приобретает неприятный запах. В 1952 году в Лондоне при таком смоге погибло 4 тысячи жителей. Наиболее часто этот смог отмечают в Лондоне, Нью-Йорке, Брюсселе.

3. Фотохимический (Лос-Анджелесский) смог характерен для субтропиков с жарким летом и высокими значениями солнечной радиации (свыше 2.0 Кдж/см²мин). Основными загрязнителями являются выхлопные газы. Под воздействием солнечной радиации и, прежде всего ультрафиолетовой ее части, происходят фотохимические преобразования выхлопных газов. Катализатором этих реакций является озон О₃. Фотохимические преобразования угарного газа СО, соединений азота NO_х, азотной кислоты НNО₃ приводят к образованию органических перекисей (фотооксидантов), по своей токсичности превосходящих исходные загрязнители. Фотохимический смог имеет белый цвет. В стабильных синоптических условиях дымовая шапка такого смога может сохраняться над городом до 270 дней.

Смог уменьшает количество солнечной радиации в городах на 30-40%, почти полностью препятствует проникновению ультрафиолетовой радиации. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждения растений, зданий.

 

Осадки. Формы осадков.

 

При определённых условиях из облаков выпадают осадки, то есть капельки или кристаллы настолько крупных размеров, что они уже не могут удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее известными и важными осадками являются дождь и снег. Однако име­ется еще несколько видов осадков, отличающихся от типичных форм дождя и снега.

Как дождь, так и снег выпадают в основном из облаков восходящего скольжения и облаков конвекции. В зависимости от типа облачности характер выпадения осадков будет разный.

Из облаков восходящего скольжения (слоисто-дождевых, иногда с участием высоко-слоистых) выпадают обложные осадки — длительные осадки средней интенсивности. Они выпадают на больших площадях, сравнительно равномерно и достаточно продолжительно (часами и десятками часов). В умеренных широтах наибольший процент в общем количестве осадков приходится на обложные осадки.

Из кучево-дождевых облаков, связанных с конвекцией, выпадают ливневые осадки, интенсивные и мало продолжительные. Из слоистых, слоисто-кучевых облаков, типичных для тёплых устойчивых воздушных масс (волнистые облака) могут выпадать моросящие осадки, состоящие из очень мелких капелек или снежных зёрен.

По форме различают следующие виды осадков: дождь, морось, снег, крупа, снежные зёрна, ледяные иглы, ледяной дождь, град.

Дождь состоит из капель диаметром 5 мм-0,5 мм. При более значительных размерах капель они при падении разбиваются на части. В ливневых дождях капли значительно крупнее, чем в обложных, особенно в начале дождя.

Морось состоит из капель диаметром порядка 0.5-0.05 мм с очень малой скоростью падения, они легко переносятся ветром в горизонтальном направлении.

Снег состоит из сложных ледяных кристаллов (снежинок). Основная их форма — шестилучевая звезда. Размеры различны, — чаще всего порядка нескольких миллиметров. Снежинки при выпадении часто слипаются в хлопья. При температурах, близких к нулю, выпадает мокрый снег или снег с дождём. Для него характерны крупные хлопья.

Снежная и ледяная крупа выпадает из слоисто-дождевых и кучево-дождевых облаков. Она имеет вид округлых ядрышек диаметром 1 мм и больше. Крупа чаще всего наблюдается при температурах, близких к нулю.

Снежные зёрна выпадают из слоистых облаков зимой вместо мороси. Они имеют диаметр менее 1 мм и напоминают манную крупу.

Из облаков нижнего и среднего яруса при низких температурах выпадают ледяные иглы (кристаллы в виде шестиугольных призмочек) и ледяной дождь (прозрачные ледяные шарики от 1 до 3 мм в диаметре). При значительных морозах ледяные иглы возникают у самой поверхности Земли и хорошо видны, когда, отражая солнечные лучи, сверкают своими гранями; ледяной дождь свидетельствует о наличии инверсии температуры.

Летом, в достаточно жаркую погоду, иногда выпадает град - крупные кусочки льда неправильной формы размером от горошины до 5-8 см в диаметре. Вес градин в отдельных случаях достигает 300 г. Для образования градин необходима большая водность облаков, поэтому град выпадает в теплое время года при высоких температурах у земной поверхности. Наиболее часты выпадения града в умеренных широтах, а наиболее интенсивны - в тропиках. Град выпадает из кучево-дождевых облаков при грозах, как правило, вместе с ливнем.

Осадки любых видов выпадают из облаков только в том случае, когда хотя бы часть элементов, составляющих облако, по каким-то причинам укрупняется. Тогда облачные элементы становятся настолько тяжелыми, что преодолевают сопротивление воздуха и выпадают в виде осадков. Укрупнение может происходить по следующим причинам: в результате слияния отдельных капель, в результате сублимации кристаллов, т.е. перегонки водяного пара с капелек на кристаллы. Последний способ дает обильные осадки.

Измерение количества осадков осуществляется дождемерами и самопищущими приборами - плювиографами.

Количество осадков, выпавшее в каком-либо месте за определенный период времени, измеряется в мм слоя выпавшего осадка. Твердые осадки выражают слой воды, который они бы образовали, растаяв.

Для характеристики климата используют многолетние средние значения количества (суммы) осадков по месяцам и за год. Кроме того, важным бывает знать среднее число дней с осадками за месяц, год и ряд других характеристик.