ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1 ВОДА В АТМОСФЕРІ

1.1 Випаровування і випаровуваність

1.2 Кількісні характеристики вмісту водяної пари в повітрі

1.3 Кругообіг води в природі

РОЗДІЛ 2 КОНДЕНСАЦІЯ І СУБЛІМАЦІЯ ВОДЯНОЇ ПАРИ В АТМОСФЕРІ

2.1 Процеси конденсації та сублімації

2.2 Утворення туманів, їх класифікація

РОЗДІЛ 3 ВИНИНЕННЯ ХМАР, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ

3.1 Виникнення хмар

3.2 Класифікація та характеристика хмар

3.3 Випадання опадів як наслідок протікання конденсаційних та сублімайних процесів в атмосфері

3.4 Розподіл опадів на земній поверхні

РОЗДІЛ 4 ВПЛИВ АНТРОПОГЕННИХ ФАКТОРІВ НА КОНДЕНСАЦІЙНІ ТА СУБЛІМАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ ВОДИ В АТМОСФЕРІ

4.1 Парниковий ефект

4.2 Кислотні дощі

РОЗДІЛ 5 ДИНАМІКА ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ ТА КІЛЬКОСТІ ОПАДІВ ПО ЧЕРНІГІВСЬКІЙ ОБЛАСТІ ЗА 2002 – 2007 РОКИ

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРСИАНИХ ДЕЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Атмосфера являє собою повітряну оболонку навколо земної поверхні, яка бере участь в обертанні Землі.

Метеорологія - це наука про атмосферу - повітряну оболонку Землі, яка оточує земну поверхню, наука про фізичні процеси та явища в атмосфері Землі в їх взаємодії з земною поверхнею та космічним середовищем.

Найбільший і найважливіший підрозділ метеорології — фізика атмосфери — вивчає фізичний механізм метеорологічних явищ і процесів. Досліджують процеси конденсації водяної пари, утворення хмар, висхідні та низхідні рухи повітря, механізм випадання опадів, туманів тощо.

Фізичні процеси у приземному шарі повітря, зокрема теплообмін між підстилаючою поверхнею і атмосферою, тепловий режим, розвиток турбулентних та вертикальних рухів, випаровування і конденсація — питання фізики приземного шару повітря. Стан атмосфери біля земної поверхні в даний час і в даній місцевості називається погодою.

В атмосфері відбувається дуже багато процесів пов`язаних з випаданням опадів, а їх кількість певною мірою залежить від інтенсивності протікання конденсаційних та сублімаційних процесів.

Предметом дослідження даної роботи є наслідки конденсаційних та сублімаційних процесів перетворення води в атмосфері.

Об`єкт дослідження – конденсаційні та сублімаційні процеси в атмосфері.

Мета дослідження полягає втому, щоб проаналізувати сутність процесів конденсації та сублімації води в атмосфері.

Головними завданнями роботи є:

1. охарактеризувати основні процеси, що відбуваються при перетворенні води в атмосфері;

2. розглянути процеси конденсації і сублімації водяної пари в атмосфері;

3. проаналізувати процеси вининення хмар, класифікацію та особливості кожного виду хмар;

4. дати аналіз випадання опадів як наслідок протікання конденсаційних та сублімайних процесів в атмосфері;

5. охарактеризувати динаміку зміни температури та кількості опадів по Чернігівській області за 2002 – 2007 роки;

6. проаналізувати вплив антропогенних факторів на конденсаційні і сублімаційні процеси води в атмосфері (кислотні дощі, смог, парниковий ефект).

РОЗДІЛ 1

ВОДА В АТМОСФЕРІ

1.1 Випаровування і випаровуваність

Відомо, що в природі існує кругообіг води. Це другий за значенням після кругообігу тепла кліматоутворюючий процес, який складається з випаровування її з земної і водної поверхні, конденсації водяної пари в атмосфері, випадання опадів і стоку (поверхневого і підземного).

Водяної пари в повітрі буває до 4%. Вона майже в півтора рази легша за повітря, а тому вологе повітря має меншу густину ніж сухе. Водяна пара скупчується головним чином в нижніх шарах повітря; до висоти 2 км зосереджена майже половина всієї пари. Водяна пара справді невидима і безбарвна. І тільки при переході водяної пари в рідину з'являються крапельки води, що висять, плавають у повітрі [12].

Випаровування - це фізичний процес переходу води з рідкого стану в газоподібний. Водяна пара постійно поступає в атмосферу внаслідок випаровування з поверхні ґрунту і води (підстилаючої поверхні), а також транспірації рослин. Випаровування, на відміну від транспірації, називають ще фізичним випаровуванням, а випаровування і транспірацію разом - сумарним випаровуванням.

Процес випаровування складається з того, що окремі молекули води, які швидко рухаються, долають сили зчеплення і відриваються від водної поверхні або від вологого ґрунту та переходять в повітря у вигляді молекул водяної пари. В повітрі вони швидко поширюються догори і в боки від джерела випаровування. Це відбувається частково внаслідок власного руху молекул. Процес поширення молекул називають молекулярною дифузією. До молекулярної дифузії в атмосфері приєднується ще і поширення водяної пари в горизонтальному напрямку із вітром, і у вертикальному - шляхом турбулентної дифузії, тобто разом з турбулентними вихорами, які виникають в повітрі. Одночасно із відривом молекул від водної поверхні чи ґрунту протікає зворотний процес переходу їх із повітря у воду чи грунт. Якщо досягається стан рухомої рівноваги, коли повернення молекул дорівнює їх відриву від поверхні, то випаровування припиняється. Процес відриву молекул продовжується, але він покривається поверненням молекул. Такий процес називається насиченням, водяна пара в цьому стані - насичуюча, а повітря - насиченим.

Швидкість та величина випаровування залежить від температури, швидкості вітру, дефіциту вологи, характеру випаровуючої поверхні, рослинного покриву та атмосферного тиску. Чим вища температура поверхні з якої відбувається випаровування, тим швидше рухаються молекули і тим більша кількість їх попадає в атмосферу [4].

Кожен кубічний метр повітря при відповідній температурі може містити тільки певну кількість водяної пари. При підвищенні температури повітря ця кількість збільшується завдяки розширенню повітря при нагріванні. Потенційно можливе випаровування, не обмежене запасами вологи, зветься випаровуваністю. Над водною поверхнею випаровування та випаровуваність майже однакові, над сушею (наприклад, пустелями) випаровуваність значно перевищує випаровування.

Таблиця 1.1

Максимальна кількість водяної пари та пружність насичення при різних температурах

Тем-ра, °С

30

25

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

Вміст водяної пари, q, г/м³

30,3

23,0

17,3

12,8

9,4

6,8

4,8

3,4

2,4

1,6

1,1

0,7

0,5

Пружність насич., Е, мбар

42,4

32,3

23,4

17,1

12,3

9,1

6,1

4,2

2,8

1,8

1,2

0,7

0,5

Оскільки випаровування і випаровуваність значною мірою залежать від температури, то їх географічний розподіл характеризується широтною зональністю. На суші, у помірному поясі, найбільше випаровування спостерігається в зоні мішаних лісів (500 – 600 мм), воно зменшується до 100 – 155 мм за рік у зоні тундри через пониження повітря і до 200 – 100 мм у зоні пустель як помірного так і тропічного поясів, внаслідок відсутності вологості. Найбільше випаровування на суші характерне для вологих, тропічних, субтропічних і екваторіальних лісів – до 800 – 1000 мм за рік.

На екваторі випаровування дорівнює випаровуваності.

На відміну від випаровування випаровуваність залежить від температури і насиченості повітря вологою, тому в полярних областях вона не значна (80 – 100 мм за рік) і поступово збільшується на південь до 300 - 400 мм у лісовій зоні, до 1000 мм у степах і 1500 – 2000 мм у пустелях помірного поясу. У тропіках на західних узбережжях материків випаровуваність становить 600 – 700 мм за рік, а в пустелях понад 3000 мм. Біля екватора випаровуваність відносно невелика (700 – 1000 мм), внаслідок високої вологості повітря. Вологий грунт вкритий рослинністю, можу випаровувати більше, ніж водна поверхня, оскільки до фізичного випаровування тут додається транспірація. За рік із земної поверхні випаровується в середньому 1000 мм вологи [14].

Атмосферне повітря постійно змінює свої характеристики: температуру, щільність, вологість. Вміст водяної пари в повітрі залежить від того, скільки водяної пари попадає в атмосферу шляхом випаровування. Природно, що над поверхнею океанів (морів) випаровування більше, ніж над материками, оскільки випаровування з водної поверхні не обмежене запасами вологи, змінюючись від 600мм за рік у середніх широтах до 2500 – 300мм за рік у тропічних та екваторіальних широтах.

За рік з поверхні земної кулі випаровується в середньому 1000 мм води; з них з океанів 1240 мм/рік, із суші - 480 мм/рік.

Вміст водяної пари в повітрі зветься його вологістю. Коли вміст водяної пари в повітрі стає максимально можливим, повітря стає насиченим.

Для кожної температури існує стан насичення, тобто деякий граничний вологовміст, який не може бути перевищений.

1.2 Кількісні характеристики вмісту водяної пари в повітрі

Для кількісного виразу вмісту водяної пари в повітрі використовують різні характеристики: абсолютну вологість; пружність водяної пари; відносну вологість; дефіцит пружності водяної пари; температуру точки роси.

Абсолютною вологістю повітря (q) називається фактична кількість водяної пари в грамах, що міститься в 1 м³ повітря (г/м³).

Пружністю водяної пари (е) називається парціальний тиск водяної пари, що міститься в повітрі, тобто це щільність (густина) водяної пари, тобто її маса в одиниці об'єму повітря (в г/м ). Пружність водяної пари вимірюється в мілібарах (мбар), мм. рт. ст., в гектопаскалях (гПа), а у Міжнародній системі одиниць SI - в ньютонах на одиницю площі (1 мбар = 100 Н/м² ). Кількість водяної пари в повітрі залежить від його температури. Якщо температура знижується, повітря досягає стану насичення і, за умови подальшого знижені температури, надлишок водяної пари починає конденсуватися. Розрізняють фактичну (тобто реальну на час спостереження) пружність (е) і пружність насичення водяної пари (Е).

Пружність водяної пари, що міститься в повітрі, може підвищуватися до певної межі, яка має назву насиченої пружності. Тобто насичена пружність (Е) – це межа вмісту водяної пари в повітрі при даній температурі (мм рт. ст., мбар, гПа). Наприклад, за температури 0 °С пружність насичення дорівнює близько 6 гПа, за температури -20 °С — близько 1 гПа, а за 30 °С — близько 42 гПа. Чим вища температура повітря, тим більше водяної пари воно може вмістити. Тому вдень, якщо достатня кількість вологи є на земній поверхні, у теплому повітрі пружність водяної пари більша, ніж у холодному.

Відносною вологістю (f) називається відношення фактичної пружності водяної пари до насиченої пружності при даній температурі, виражене у відсотках. Відносна вологість характеризує ступінь насичення повітря водяною парою при даній температурі й визначається за формулою:

Дефіцитом пружності водяної пари (d ) називається різниця між насиченою пружністю (Е) й пружністю водяної пари (е), що міститься в повітрі при даній температурі, тобто недостатня кількість насичення при даній температурі, (мбар):

Охолоджуючись, повітря стає насиченим, тобто досягає точки роси, у якій починається конденсація вологи

Точкою роси (Т^◦) називається температура, при якій водяна пара, що міститься в повітрі, при незмінному тиску досягає насиченості відносно плоскої поверхні чистої води або чистого льоду. Тобто, температура, при якій водяна пара, яка міститься в повітрі насичує його. Знаючи пружність водяної пари, можливо визначити точку роси за відповідними таблицями насиченої пружності. В цьому випадку в таблицях за визначеним значенням насиченої пружності визначають температуру. Ця температура й буде точкою роси [7].

Добовий та річний хід абсолютної вологості повітря відповідає ходу температури. Відносна вологість має протилежний до температури хід. Добовий хід пружності водяної пари паралельний добовому ходу температури і досягає максимуму після полудня. Але в сухих внутрішніх континентальних областях пружність водяної пари збільшується від сходу сонця до 9-ї години ранку, після чого знижується до 15-ї години, отже має два мінімуми і два максимуми (о 9-й годині і 22-й годині).

Річний хід абсолютної вологості також паралельний річному ходу температури: найхолодніший місяць має найменшу, а найтепліший — найбільшу пружність водяної пари.

Географічний розподіл абсолютної вологості в основному пропорційно співвідноситься з розподілом температури. Біля екватора пружність водяної пари найбільша і становить 20-25 гПа. Вона зменшується в тропічних поясах до 20 гПа, у помірних — до 12 гПа влітку і 6 гПа взимку, в полярних областях — нижче 2 гПа. Узимку над холодними внутрішніми областями материків утворюються райони низької пружності. У Центральній Якутії та Антарктиді вона менша за 0,1 гПа. Улітку областями низької пружності є пустелі. У мусонному кліматі абсолютна вологість найвища влітку і найнижч взимку.

Кількість водяної пари, що може міститися в повітрі, залежить тільки від температури. Чим вища температура повітря, тим більше в ньому може бути водяної пари. І все таки повітря в пустині сухіше. Це пояснюється тим, що при більш високих температурах повітря, щоб досягти умов насичення, за яких починається конденсація, потрібно значно більше водяної пари, ніж при низьких температурах. Ось чому при однакових кількостях водяної пари в теплому повітрі відчуватиметься більша сухість, ніж у холодному.

Таким чином, характеристикою кількості водяної пари, що може вміститися в даному об'ємі, є так звана гранична пружність водяної пари, або, як іноді кажуть, пружність насичення, що залежить тільки від температури повітря. Так, при 20° морозу в 1 м³ може вміститись лише 1 мг водяної пари (незалежно від того, скільки в цьому кубометрі є повітря). Водяна пара тут буде насичена. Якщо в цьому кубометрі водяну пару нагріти до нуля градусів, то для насичення потрібно буде вже п'ять грамів пари. А при 20° тепла в 1 м³ може вміститися вже до 17 г водяної пари. При такій температурі впущені в наш кубометр додаткові кількості водяної пари (понад 17 г) згущатимуться в крапельки, конденсуватимуться і осідатимуть на стінах посудини або повиснуть як крапельки туману в повітрі. Для того, щоб вмістити ще водяної пари, потрібно підвищити її температуру. При охолодженні почнеться конденсація всього надлишку пари, утворяться крапельки води.

Відносна вологість має добовий і річний хід, протилежні добовому й річному ходу температури, оскільки із зниженням температури вона зростає.

Добовий мінімум відносної вологості співпадає з добовим максимумом температури після полудня, а максимум відносної вологості — з добовим мінімумом температури під час сходу Сонця. У горах і високих шарах атмосфери максимальна відносна вологість спостерігається вдень, а мінімальна — вранці [7].

Річний хід відносної вологості: в екваторіальних широтах вона становить понад 85%, а також над Північним Льодовитим океаном, на півночі Атлантичного і Тихого океанів та біля Антарктиди, де абсолютна вологість незначна, але дуже низька температура повітря; у помірних широтах — 75-80% узимку над охолодженими материками, а влітку — 60-70%; у субтропічних і тропічних пустелях — менше 50%. Відносна вологість залежить і від абсолютної вологості, тому в мусонних областях Індії взимку відносна вологість знижена до 50%, а на початку літнього мусону збільшується до 80-85% (рис. 3). З висотою вологість повітря зменшується. Половина водяної пари міститься в приземному шарі повітря до висоти 1,5 км.

1.3 Кругообіг води в природі

Вода випаровується з поверхні океанів, рік, озер, боліт, ґрунту, а також рослин (у результаті транспірації). Вона накопичується в атмосфері у формі невидимої водяної пари. Інтенсивність випару і транспірації визначаються в основному температурою, вологістю повітря і силою вітри і тому сильно змінюються від місця до місця й у залежності від метеорологічних умов. Велика частина атмосферної водяної пари надходить з теплих тропічних і субтропічних морів і океанів (рис. 1).

Рис. 1. Кругообіг води (вологообіг)

Усереднена для всієї земної кулі швидкість випаровування складає біля 2,5 мм у добу. У цілому вона урівноважена величиною середньоглобальної кількості атмосферних опадів (біля 914 мм/рік). Сумарний запас водяної пари в атмосфері еквівалентний приблизно 25 мм опадів, так що в середньому він обновляється кожні 10 днів. Водяна пара виноситься нагору і поширюється в атмосфері повітряними потоками різних розмірів – від локальних конвективних плинів до глобальних систем вітрів (західний перенос або пасати). У міру того як тепле вологе повітря піднімається нагору, воно розширюється в результаті зниження тиску у високих шарах атмосфери і охолоджується. Унаслідок цього відносна вологість повітря підвищується доти, поки повітря не досягне стану насичення водяною парою. Подальший його підйом і охолодження приводять до конденсації надлишкової вологи на дрібних зважених у повітрі частках і до утворення хмар, що складаються з крапельок води. Усередині хмар ці крапельки діаметром усього лише біля 0,1 мм падають дуже повільно, але не усі вони однакового розміру. Більш великі краплі падають швидше, обганяючи зустрічні на їхньому шляху більш дрібні, зіштовхуються і зливаються з ними. У такий спосіб більш великі краплі ростуть за рахунок приєднання дрібних. Якщо крапля в хмарі проходить відстань біля 1 км, вона може стати досить важкою і випасти з нього дощовою краплею. Дощ може утворюватися й інакше. Краплі у верхній, холодній частині хмари можуть залишатися рідкими навіть при температурі набагато нижче 0° С – звичайної точки замерзання води. Такі краплі води, що звуться переохолодженими, здатні змерзнути, тільки якщо в них впроваджуються особливі частки, що є ядрами льодоутворення. Замерзлі краплі розростаються в крижані кристали, а кілька крижаних кристалів можуть об'єднатися й утворити сніжинку. Сніжинки проходять крізь хмару й у холодну погоду досягають землі у виді снігу. Однак у теплу погоду вони тануть і досягають поверхні у формі дощових крапель. Кількість атмосферних опадів, що досягають поверхні землі в даному місці у вигляді дощу, граду або снігу, оцінюється товщиною шару води (у міліметрах). Він вимірюється спеціальними приладами – осадомерами, що звичайно розташовуються на відстані в кілька кілометрів один від іншого і фіксують кількість опадів за визначений проміжок часу, звичайно за 24 год [2].

Простий осадомер складається з вертикально встановленого циліндра з круглою лійкою. Дощова вода попадає в лійку і стікає у вимірювальний градуйований циліндр. Площа вимірювального циліндра в 10 разів менше площі вхідного отвору лійки, так що шар води товщиною 25 мм у вимірювальному циліндрі відповідає 2,5 мм опадів, що випали. Більш складні вимірювальні прилади безупинно реєструють кількість опадів, що випадають, на стрічці, укріпленої на барабані з годинниковим механізмом. Один з таких приладів оснащений маленькою судиною, що автоматично перекидається і звільняється від води, а також замикає електричний контакт, коли кількість води в осадомірі відповідає шарові опадів у 0,25 мм. Досить надійну оцінку інтенсивності дощу на значній території дає застосування радіолокаційного методу. Середня річна кількість опадів на всій поверхні Землі – біля 910 мм. У тропічних регіонах середньорічна кількість опадів не менш 2500 мм, у помірних широтах – біля 900 мм, а в приполярних районах – біля 300 мм. Головними причинами розходжень у розподілі опадів є географічне положення даного регіону, його висота над рівнем моря, відстань від океану і напрямок переважних вітрів. На гірських схилах, звернених убік, дують з океану вітри, кількість опадів звичайно велика, а в районах, захищених від моря високими горами, випадає дуже мало опадів. Максимальна річна кількість опадів (26.461 мм) було зареєстровано в містечку Черапунджі (Індія) у 1860–1861, а найбільша добова кількість опадів (1618,15 мм) – у Багіо на Філіппінах 14–15 липня 1911. Мінімальна кількість опадів зареєстрована в Аріке (Чилі), де середньорічна величина за 43-літній період склала всього 0,5 мм, а в Ікіке (Чилі) за 14 років не випало жодного дощу.

Водяна пара – це вода в газоподібному стані. Якщо повітря не здатне утримувати більші кількість водяної пари, воно переходить у стан насичення, і тоді вода з відкритої поверхні перестає випаровуватися. Вміст водяної пари в насиченому повітрі знаходиться в тісній залежності від температури і при її підвищенні на 10° С може збільшитися не більш, ніж удвічі. Відносна вологість – це відношення фактично утримуваної в повітрі водяної пари до кількості водяної пари, що відповідає станові насичення. Відносна вологість повітря поблизу земної поверхні часто велика ранком, коли прохолодно. З підвищенням температури відносна вологість звичайно зменшується, навіть якщо кількість водяної пари в повітрі мало змінюється. Припустимо, що ранком при температурі 10° С відносна вологість була близька до 100%. Якщо протягом дня температура понизиться, почнеться конденсація води і випаде роса. Якщо ж температура підвищиться, наприклад до 20° С, роса випарується, але відносна вологість складе лише біля 50%.

Кількість водяної пари, що може міститися в повітрі, залежить тільки від температури. Чим вища температура повітря, тим більше в ньому може бути водяної пари. І все таки повітря в пустині сухіше. Це пояснюється тим, що при більш високих температурах повітря, щоб досягти умов насичення, за яких починається конденсація, потрібно значно більше водяної пари, ніж при низьких температурах. Ось чому при однакових кількостях водяної пари в теплому повітрі відчуватиметься більша сухість, ніж у холодному.

РОЗДІЛ 2

КОНДЕНСАЦІЯ І СУБЛІМАЦІЯ ВОДЯНОЇ ПАРИ В АТМОСФЕРІ

2.1 Процеси конденсації та сублімації

Конденсація - це перехід води із газоподібного стану в рідкий. При цьому утворюються найдрібніші краплі води діаметром декілька мікрометрів. Конденсація починається тоді, коли повітря досягає стану насичення, а це частіше відбувається при зниженні температури до точки роси. Виникають початкові комплекси молекул води, які далі ростуть до розмірів хмарних крапель. Якщо точка роси значно нижче 0°С, то утворюються льодяні кристали. Перехід водяної пари в твердий стан (минуючи рідкий) називається сублімацією. Охолодження повітря в атмосфері відбувається частіше адіабатично, внаслідок його розширення без теплообміну. Це відбувається при підйомі повітря. Охолодження повітря відбувається під час вертикальної конвекції, тобто якщо воно піднімається та розширюється; якщо піднімається на атмосферних фронтах, де взаємодіють теплі й холодні повітряні маси; якщо піднімається вгору по схилах гір; якщо охолоджується поверхня суші та льоду; під час адвекції (переносу) повітря на охолоджену місцевість [22].

Виділення захованої теплоти при конденсації водяної пари в атмосфері приводить до того, що коли утворюється хмара, то виділяється деяка кількість тепла, яка йде на нагрівання повітря або, після складних перетворень енергії, витрачається на розвиток руху в атмосфері. Так, наприклад, підраховано, що при випаданні шару дощу завтовшки 20—30 мм може виділитись стільки тепла, скільки потрібно, щоб нагріти всю товщу повітря, в якій створюються опади, на 5—6 градусів.

Перетворення води або водяної пари в атмосфері, перехід води з одного стану в інший супроводиться складними енергетичними процесами, що закінчуються або виділенням тепла, або витрачанням його і, отже, охолодженням повітря. Це дає право назвати водяну пару головним «рознощиком» енергії в атмосфері.

Пара і крапельки води (і хмари) відіграють ще й іншу роль в атмосфері. Водяна пара вбирає променисту енергію, що йде від поверхні Землі в світовий простір, і надійно вкриває Землю, не даючи їй охолоджуватись.

Умови конденсації:

а) зниження температури повітря;

б) наявність ядер конденсації (частинок, на яких можливе осідання водяної пари.

При конденсації кожного грама води виділяється 600 кал тепла, при сублімації 1 г льоду - 677 кал.

Утворення крапель при конденсації і сублімації відбувається на деяких центрах, які називаються ядрами конденсації. Це частинки гігроскопічних солей, краплі кислот, тверді частинки (аерозолі), які є продуктами згорання або органічного розпаду, на яких осідає водяна пара у вигляді краплинок, утворюючи хмари й тумани. Найчастіше серед аерозолів трапляються сполуки Хлору, Сульфуру, Нітрогену, Карбону тощо. Вони надходять до атмосфери з поверхні океанів, суші, з відходів промислових центрів, а також із Космосу. Кількість ядер конденсації в 1 см³ повітря біля земної поверхні може налічувати тисячі і десятки тисяч, а в містах — мільйони.

Рівень конденсації — висота, на якій повітря охолоджується до точки роси. У тундрі цей рівень розміщений на висоті кількох сотень метрів, а в пустелях — кількох кілометрів.

2.2 Утворення туманів, їх класифікація

Накопичуючись у приземному шарі атмосфери, продукти конденсації та сублімації можуть утворювати туман (дрібних краплин води або кристалів льоду). При утворенні туману теплота віддається приземному шару повітря. Видимість в тумані може досягати 1 км. Якщо видимість перевищує 1 км, туман називають серпанком. Скупчення твердих частинок (диму й пилу) в сухому повітрі називають імлою. Тумани виникають з різних причин. Але майже завжди, вивчаючи ці причини, ми виявляємо, що утворення туману відбувається або в результаті зволоження повітря, або в результаті зниження температури чи засмічення вологого повітря гігроскопічними речовинами. Розглянемо деякі випадки утворення туманів. Нерідко у вогких місцях, у долинах, на дні яких часто течуть невеличкі річки або є болота, вночі збирається холодне повітря, що стікає а горбів; у холодному, густому повітрі випари боліт, річечок тощо охолоджуються і утворюють тумани. Тут тумани виникають, як правило, в ясні, холодні ночі при слабких вітрах. Перед ранком туман витягується тонким, низьким шаром, в кілька метрів заввишки.

На морозі пара швидко конденсується, утворюючи туман. Іноді при сильних морозах міста в Сибіру вкриті суцільним туманом. Спостерігачеві з повітря ці тумани здаються величезними кусками хмарних ковдр [17].

Коли на сильному морозі людина або тварина прискорено дихає, з рота йде пара. Ця видима пара являє собою туман, найпростішу хмарку, що виникає через замерзання видихуваної пари. В сильний мороз пара раптом перетворюється в кристалики, які труться один об одного, тоді можна навіть почути характерний шелест.

Перетворення водяної пари в туман може відбуватись як в результаті сильного охолодження повітря на місці, так і в результаті руху великих повітряних мас. Якщо потоки холодного повітря проносяться над теплою водою або над теплою вологою поверхнею ґрунту, то в такому холодному повітрі може виникнути туман. Ось чому, коли після відлиги настають морози, виникає морозний серпанок, або туман. Узимку при теплих вологих вітрах з півдня над дуже охолодженими ділянками земної поверхні так само можуть виникнути низькі рухливі, «бродячі», тумани, що поширюються в сторону переміщення повітряних потоків біля земної поверхні.

Над водними поверхнями тумани виникають частіше, ніж над ділянками суші. Так, пізньої осені вода в ріках звичайно буває тепліша за повітря. З поверхні теплої води безперервно відбувається випаровування. Пара, потрапляючи в холодніше повітря, конденсується, збирається в крапельки води, утворюючи туман, що густою смугою огортає русло ріки. Так виникають тумани над ополонками, розводдями серед криги в холодних морях. В той час як береги вкриті снігом, у відкритому морі плавають величезні крижані поля й окремі крижини. Між ними темніють розводдя, відкриті водні поверхні. Тут вода звичайно має температуру 1—2° нижче нуля і не замерзає через свою солоність і рухомість. А повітря над такими розводдями може бути набагато холодніше. Волога, що випарувалася з поверхні води, тут-таки, над водною поверхнею, конденсується, утворюючи туман [5].

Залежно від умов формування, тумани бувають різних типів:

а) радіаційні тумани — утворюються в теплу пору року увечері або вночі за тихої безхмарної погоди над річками, озерами, низовинами; виникають внаслідок охолодження нижнього шару повітря від охолодженої за рахунок радіаційного випромінювання поверхні;

б) адвективні тумани —- виникають при переміщенні теплого повітря над холодною поверхнею. Охоплюють великі території і мають значну потужність, характерні для морських узбереж, особливо восени;

в) тумани випаровування — спостерігаються восени над водоймами (річками, озерами), коли їхня вода тепліша за повітря;

г) тумани змішування — утворюються на межі повітряних мас з різною температурою і вологістю. Серед них розрізняють гарруа — тумани, характерні для берегових пустель у тропіках, де біля берегів проходять холодні течії. Тумани змішування утворюються також між холодними і теплими течіями (о. Ньюфаундленд). По суті тумани змішування є різновидом адвективних туманів;

д) тумани схилів — виникають на гірських схилах внаслідок підняття та адіабатичного охолодження повітря;

е) міські тумани — пов'язані з величезною кількістю ядер конденсації у повітрі великих міст. Коли туман перемішується з димом, вихлопними газами автотранспорту, продуктами горіння, видимість падає майже до нуля, повітря стає задушливим, — це смог (від англійських слів «смоук» — дим і «фоґ» — туман).

За температури -5...-10 °С тумани можуть складатися з краплинок води і з кристаликів льоду (мішані тумани). Найчастіше тумани спостерігаються в Арктиці та над морями біля берегів Антарктиди. У помірних широтах виділяють район о. Ньюфаундленд, поблизу якого протікає тепла течія Гольфстрім і Лабрадорська холодна течія; прибережні пустелі Південної Америки і Південної Африки, де тепле повітря з пустель проходить над холодними океанічними течіями. Тумани виникають часто в Середній Європі, на берегах Каліфорнії, Атлантичному узбережжі Південної Америки, Мадагаскарі. Мало туманів у внутрішніх частинах материків, особливо в пустелях (карта) [14].

Піднімаючись, повітря адіабатично охолоджується і на деякій висоті (рівень конденсації) стає насиченим, тобто в результаті конденсації водяної пари в атмосфері виникають скупчення продуктів конденсації (краплин і кристалів), які називають хмарами, тобто хмари - це сукупність завислих у повітрі продуктів конденсації та сублімації водяної пари.

РОЗДІЛ 3

ВИНИНЕННЯ ХМАР, КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ

3.1 Виникнення хмар

Хмари виникають при конденсації водяної пари в атмосфері, коли утворюються або крапельки води, або кристали льоду. Формування хмар відбувається, коли при підйомі й охолодженні водяна пара переходить через точку насичення. При підйомі повітря попадає в шари усе більш низького тиску. Ненасичене повітря з підйомом на кожен кілометр охолоджується приблизно на 10°С. Якщо повітря з відносною вологістю біля 50% підніметься більш ніж на 1 км, почнеться утворення хмари. Конденсація спочатку відбувається в основі хмари, що росте нагору доти, поки повітря не перестане підніматися і, отже, охолоджуватися. Улітку цей процес легко побачити на прикладі пишних купчастих хмар із плоскою основою, що здіймається й опускається разом з переміщенням повітря вершиною. Хмари формуються також у фронтальних зонах, коли тепле повітря сковзає нагору, насуваючи на холодне, і при цьому охолоджується до стану насичення. Хмарність виникає й в областях низького тиску з висхідними потоками повітря.

Звичайно в хмарах повітря дуже вогке, бо водяна пара в них насичена. Саме тому в хмарах є умови для конденсації пари, тобто для утворення крапельок води. Якщо краплі збільшуються в розмірах, то вони стають важчими і падають. Коли крізь хмару, що складається з крапель води, падають сніжинки або льодяні кристалики (з вище розміщених частин хмари), краплі випаровуються, а кристалики за їх рахунок збільшуються [11].

Вирісши й обважнівши, кристалики у вигляді сніжинок можуть при своєму падінні досягти землі.

Буває так, що в атмосфері є достатня кількість пари, вологість повітря велика, температура низька — і все-таки конденсація не відбувається, краплі не виникають. Іноді буває, що хмара складається з переохолоджених крапель води, а кристалики не утворюються. Відомі також випадки, коли в хмарах переохолоджені краплі дощу мали температуру 40° нижче нуля, а кристалики з цих крапель не утворювались, вода не замерзала.

Електричні розряди в атмосфері та ультрафіолетове проміння Сонця можуть так само утворювати ядра конденсації своїм діянням на атмосферу. Велика кількість ядер надходить у повітря разом з випарами з поверхні океанів і морів. Наявність деяких видів ядер конденсації в повітрі може привести до утворення туману навіть тоді, коли повітря не досягло повної вологості, тобто коли водяні пари в повітрі не насичені. Саме так буває над великими промисловими центрами, над якими часто, особливо вранці, коли температура повітря ще низька, утворюються тумани або темні, низькі, задимлені хмари. Основні хмарні системи виникають там, де є умови для підняття повітря та його охолодження.

Відомо, що густина повітря з висотою зменшується. Тому повітря, яке підіймається, потрапляє в шари меншої густини й розширюється. На це розширення витрачаються внутрішні запаси енергії, отже, знижується температура повітря. Тоді водяна пара в повітрі, що піднялося й охолонуло, конденсується, збирається в крапельки води, в хмари [9].

Хмарність визначає собою основні риси погоди. Хмари захищають земну поверхню в розпал літнього дня від палючого сонячного проміння й утворюють прохолоду. Без хмар не буває дощу й снігу, і опади істотно змінюють характер погоди. Мільйони тонн води переносять хмари з вологих місць в сухіші: дощі вкривають землю шаром води. її шар в 10 мм завтовшки дає більш як 8000 відер води на гектар.

3.2 Класифікація та характеристика хмар

Основа сучасної міжнародної класифікації хмар була закладена в 1803 англійським метеорологом-аматором Цибулею Говардом. У ній для опису зовнішнього вигляду хмар використані латинські терміни:

alto – високо, cirrus – пір'ястий, cumulus – купчастий, nimbus – дощовий і stratus – шаруватий. Різні сполучення цих термінів застосовуються для найменування десяти головних форм хмар: cirrus – пір'ясті; cirrocumulus – пір'ясто-купчасті; cirrostratus – пір'ясто-шаруваті; altocumulus – високо-купчасті; altostratus – високо-шаруваті; nimbostratus – шарувато-дощові; stratocumulus – шарувато-купчасті; stratus – шаруваті; cumulus – купчасті і cumulonimbus – купчасто-дощові. Висококупчсті і високо-шаруваті хмари розташовуються вище, ніж купчасті і шаруваті.

За своєю будовою хмари поділяються на три класи: водяні, кристалічні (льодяні), змішані. Водяні хмари (краплинні) можуть існувати не тільки за додатних температур, а й за від'ємних у переохолодженому стані. За від'ємних температур утворюються мішані хмари, які складаються з переохолоджених крапель і кристаликів льоду. За досить низьких температур (-30... -50 ^SC) хмари складаються тільки з кристаликів льоду, їх називають кристалічними або льодяними.

За походженням розрізняють хмари конвективні, хвилясті та фронтальні. Конвективні хмари утворюються в нестійких повітряних масах і пов'язані з інтенсивною конвекцією й адіабатичним охолодженням висхідного повітря. Це купчасті або купчасто-дощові хмари. У їх верхній частині з'являються льодяні кристали, а основна маса складається із крапель води. Вони мають велику вертикальну потужність і вершинами сягають висоти 15-20 км в тропічних і екваторіальних широтах.

Хвилясті хмари (шаруваті, шарувато-купчасті, висококупчасті) виникають внаслідок слабкого турбулентного переносу водяної пари в стійких повітряних масах вгору, від земної поверхні, де на певній висоті міститься шар інверсії температури. Водяна пара нагромаджується під цим шаром, оскільки зверху починається підвищення температури і конвекція припиняється [25].

Фронтальні хмари утворюються на атмосферних фронтах, тобто смугах, які розділяють різні повітряні маси. Коли тепле повітря рухається і витісняє холодне — це теплий фронт, а коли холодне повітря рухається, а тепле відступає— це холодний фронт. Фронт завжди нахилений відносно земної поверхні, через те що холодне повітря підтікає під тепле у вигляді клину. Внаслідок ковзання по лінії фронту виникають хмари висхідного ковзання. На теплому фронті — це перисті, перисто-шаруваті, високошаруваті, шарувато-дощові, а на холодному — перисті, перисто-купчасті, висококупчасті, купчасто-дощові.

Водність хмар — це маса краплин води і кристаликів льоду в одиниці 'б єму повітря хмари. У водяних хмарах в 1 м³ повітря хмари міститься від °>01 г до 3 г води, а в кристалічних значно менше і становить від кількох сотих. До кількох тисячних грама.

Форма хмар в тропосфері дуже різноманітна, але їх можна звести до основних типів в залежності від форми і висоти. В кінці XIX ст. була прийнята міжнародна класифікація хмар, яка в сучасному варіанті виділяє 4 родини і 10 основних родів за їх зовнішнім виглядом.

Хмари верхнього ярусу (Н > 6 км):

1. Перисті —білі, тонкі, волоконні, без полів, нитковидні.

2. Перисто-шаруваті — тонка прозора білувата пелена

3. Перисто-купчасті - дрібні напівпрозорі кульки або складки, розміщені групами або рядками.

Хмари середнього ярусу (2 <Н< 6 км):

4. Високо-купчасті — смуги або шари з просвітами білого або сірого кольору.

5. Високо-шаруваті — суцільний рівний або волоконний покрив сірого чи синюватого кольору.

Хмари нижнього ярусу (Н <2 км):

6. Шаруваті - однорядний шар сірого кольору (схожий на туман).

7. Шарувато-купчасті — великі, низько розміщені хвилі або глиби сіруватого кольору.

8. Шарувато-дощові —безформний суцільний сірий покрив.

Хмари вертикального розвитку (1 км <Н <6 км):

9. Купчасті - щільні, окремо розміщені, розбиті за вертикаллю, з білими куполоподібними вершинами й плоскою сіруватою основою.

10. Купчасто-дощові — потужні утворення у вигляді гір та башт, верхня частина яких іноді нагадує ковадло.

Купчасті та купчасто-дощові хмари це хмари вертикального розвитку, конвективні за походженням. Купчасті хмари складаються із крапель, але опадів не спричиняють. Це щільні високі хмари з білими купчастими та куполоподібними вершинами і плоскою основою сірого або синього кольору. Розрізняють плоскі, середні, потужні різновиди (залежно від їх товщини). Купчасто-дощові, або грозові, хмари знизу складаються із крапель, а зверху — із кристаликів. Вони білі, щільні, з темною основою, мають форму гір чи великого ковадла. З них випадають зливові дощі та град, що супроводжуються грозою.

Перисті, перисто-купчасті й перисто-шаруваті хмари складаються із кристаликів льоду, не спричиняють опадів, вони тонкі, білого кольору. Перисті хмари мають волокнисту будову, білі, прозорі. Серед них розрізняють ниткоподібні та щільні. Перисто-купчасті хмари утворюють тонкі шари, пасма, дрібні хвилі. Розрізняють два їх види: хвилясті та купчастоподібні. Перисто-шаруваті хмари схожі на однорідну тонку плівку, яка не розмиває обрисів Сонця і Місяця. Розрізняють два види перисто-шаруватих хмар: ниткоподібні й туманоподібні.

Висококупчасті хмари білі або сіруваті, складаються із дрібненьких переохолоджених крапель, нагадують хвилі, купи, пластівці з просвітами блакитного неба, опадів не дають. Розрізняють хвилясті й куп. Купчасті та купчасто-дощові хмари займають нижній та середній яруси, а вершини їх розміщені у верхньому ярусі. Це хмари вертикального розвитку, конвективні за походженням. Купчасті хмари складаються із крапель, але опадів не спричиняють. Це щільні високі хмари з білими купчастими та куполоподібними вершинами і плоскою основою сірого або синього кольору. Розрізняють плоскі, середні, потужні різновиди (залежно від їх товщини). Купчасто-дощові, або грозові, хмари знизу складаються із крапель, а зверху — із кристаликів. Вони білі, щільні, з темною основою, мають форму гір чи великого ковадла. З них випадають зливові дощі та град, що супроводжуються грозою [2].

Перисті, перисто-купчасті й перисто-шаруваті хмари складаються із кристаликів льоду, не спричиняють опадів, вони тонкі, білого кольору. Перисті хмари мають волокнисту будову, білі, прозорі. Серед них розрізняють ниткоподібні та щільні. Перисто-купчасті хмари утворюють тонкі шари, пасма, дрібні хвилі. Розрізняють два їх види: хвилясті та купчастоподібні. Перисто-шаруваті хмари схожі на однорідну тонку плівку, яка не розмиває обрисів Сонця і Місяця. Розрізняють два види перисто-шаруватих хмар: ниткоподібні й туманоподібні.

Висококупчасті хмари білі або сіруваті, складаються із дрібненьких переохолоджених крапель, нагадують хвилі, купи, пластівці з просвітами блакитного неба, опадів не дають. Розрізняють хвилясті й купчастоподібні види.

Високошаруваті хмари складаються із суміші сніжинок та дрібних краплин, мають вигляд сірої або синюватої однорідної плівки, через яку Сонце і Місяць просвічуються, як крізь матове скло. Взимку спричиняють випадання снігу, а влітку опадів не спричиняють. Розрізняють туманоподібні та хвилясті види.

Шарувато-купчасті хмари складаються з однакових крапель, утворюють сірі великі пасма, хвилі, купи, пластини. Від висококупчастих відрізняються меншою висотою розміщення над землею, великими розмірами куп і більшою щільністю. Інколи з них випадає нетривалий дрібний дощ.

Шаруваті хмари — це однорідний сірий шар повітря, схожий на туман, іноді розірваний знизу. Шаруваті хмари закривають все небо, розрізняють туманоподібні, хвилясті, розірвано-шаруваті їх види. З них може падати негустий сніг або дрібнесенький дощ (мряка).

Шарувато-дощові хмари складаються з великих крапель внизу і дрібних вгорі. Саме такі хмари вкривають небо в похмурні осінні дні. Часто з них мрячить дрібний і неприємний дощик. В таких випадках можна побачити розірвані, темні, брудні пластівці, що мчать під більш густим шаром суцільних шаруватих хмар. Ці пластівці називаються розірвано-дощовими хмарами. Вони виникають завдяки дощу і являють собою клоччя, шмаття туману. Схожі на темно-сірий суцільний шар, ніби освітлений зсередини, коли немає дощу. Спричиняють обложні дощі або сніг, іноді з перервами.

Хмарність – ступінь покриття неба хмарами. Визначається вона візуально в десятих частках неба (чи в інших одиницях, наприклад, у відсотках): 0 – чисте небо, 1 – одна десята частина неба покрита хмарами, 10 – суцільна хмарність. Окремо оцінюють загальну хмарність і хмарність нижнього ярусу На всіх широтах над океанами хмарність більша, ніж над сушею. У річному погодному циклі всюди, крім Європи і субтропічного поясу, максимум хмарності припадає на літо, а мінімум — на зиму або інші пори року. У субтропіках і Європі максимальна хмарність взимку, а мінімальна — влітку або навесні. Значною хмарністю характеризуються екваторіальні широти (5-6 балів), а незначною — тропіки (3—4 бали) з поступовим збільшенням середньорічної хмарності від субтропіків (4—5,7 балів) до субполярних широт (6-7,6 балів) і зниженням до 6,3-6,4 бала в полярних областях [15].

Хмари нижнього ярусу (шаруваті, шарувато-купчасті і шарувато-дощові) складаються майже винятково з води, їхні основи розташовуються приблизно до висоти 2000 м. Хмари, що стеляться по земній поверхні, називаються туманом.

Основи хмар середнього ярусу (високо-купчастих і високо-шаруватих) знаходяться на висотах від 2000 до 7000 м. Ці хмари мають температуру від 0° С до –25° С и часто являють собою суміш крапель води і крижаних кристалів.

Хмари верхнього ярусу (пір'ясті, пір'ясто-купчасті і пір'ясто-шаруваті) звичайно мають нечіткі обриси, тому що складаються з крижаних кристалів. Їхні основи розташовуються на висотах більш 7000 м, а температура нижче –25°С.

Купчасті і купчасто-дощові хмари відносяться до хмар вертикального розвитку і можуть виходити за межі одного ярусу. Особливо це відноситься до купчасто-дощових хмар, основи яких знаходяться усього в декількох сотнях метрів від земної поверхні, а вершини можуть досягати висот 15–18 км. У нижній частині вони складаються з крапельок води, а у верхньої – із кристалів льоду.

3.3 Випадання опадів як наслідок протікання конденсаційних та сублімайних процесів в атмосфері

Атмосферні опади - це вода у рідкому (дощ, мряка) або твердому (сніг, град, снігова та льодяна крупа) стані, що випадає з хмар на поверхню Землі. Опади характеризують за товщиною шару (у мм), сезонним розподілом, тривалістю випадання, інтенсивністю, ймовірністю

Залежно від умов конденсації водяної пари розрізняють орографічні, конвективні та фронтальні опади. Орографічні опади утворюються при піднятті повітря навітряними гірськими схилами. Конвективні опади утворюються в потужних висхідних потоках повітря, вони мають локальне поширення, носять зливовий характер, починаються і закінчуються раптово. Фронтальні опади утворюються в циклонах на межі теплого і холодного повітря, при цьому дощ або сніг падає тривалий час більш-менш рівномірно.

Дощ складається із крапель діаметром понад 0,5 мм, а мряка — із краплинок від 0,5 до 0,05 мм, отже, мряка падає повільно і переноситься вітром. Сніжинки складені зі скупчень кристалів, форма всіх сніжинок шестипроменева, діаметр кожної — кілька міліметрів.

Мокрий сніг або сніг із дощем випадають із підвищенням температури, коли сніжинки злипаються в пластівці, а температура досягає 0 °С.

Крупинки снігу й льоду випадають із шарувато-дощових або купчасто-дощових хмар, якщо температура від'ємна, і мають діаметр близько 1 мм. Під час сильного морозу із хмар нижнього ярусу можуть випадати голки льоду — кристали у вигляді шестикутних призм. Якщо відбувається інверсія температури, краплі дощу замерзають у повітрі й на земну поверхню падають кульки льоду діаметром 1-3 мм (льодяний дощ) [21].

Обложні опади пов'язані з атмосферними фронтами і хмарами висхідного ковзання (шарувато-дощовими і високошаруватими). Це тривалі опади середньої інтенсивності, вони випадають на великій площі порівняно рівномірно і переважають у помірному поясі.

Зливові опади короткочасні, але інтенсивні, випадають на порівняно меншій площі з купчасто-дощових хмар конвективного походження. Зливи — це основний вид опадів у тропічних та екваторіальних широтах.

Мряка — це опади малої інтенсивності, з дуже дрібненьких краплин або дрібнесеньких сніжинок. Вони випадають із шаруватих і шарувато-купчастих хмар, зокрема хвилястих, і утворюються в межах однієї стійкої повітряної маси.

Із хмарами й опадами пов'язані різноманітні електричні процеси й оптичні явища, більшість яких ще недостатньо вивчена. Під час грози злива супроводжується електричними розрядами (блискавками), громом і шквалами вітру. З атмосферною електрикою пов'язують появу кулястої блискавки діаметром кілька десятків сантиметрів, яка рухається в повітрі й може вибухати або спокійно зникати.

Вогнями Святого Ельма називають явище стікання розрядів із загострених предметів в атмосферу. У перисто-шаруватих, перисто-купчастих, високо-купчастих і високо-шаруватих хмарах навколо Місяця й Сонця можуть виникати кольорові, жовті або білі круги чи стовпи.

Веселка з'являється на фоні купчасто-дощових хмар, з яких йде дощ, якщо вони освітлені сонцем.

Конденсація і сублімація можливі й на земній поверхні, внаслідок чого утворюються гідрометеори: роса, іній, твердий і рідкий наліт, паморозь (наземні опади).

Роса та іній виникають в ясну й тиху погоду вночі внаслідок зниження температури до точки роси і вихолодження поверхні (випромінювання теплоти).

Рідкий наліт утворюється, якщо температура охолодженої поверхні додатна, а твердий наліт, якщо від'ємна. Наліт формується на навітряному боці холодних предметів за умови адвекції теплого повітря.

Паморозь — це пухкі білі кристали, які осідають на деревах, дротах тощо в морозну, тиху погоду, коли в повітрі утворюються кристалики льоду, котрі, доторкаючись предметів, примерзають до їх поверхні [18].

Ожеледь — це наліт льоду на земній поверхні та предметах, який утворюється під час випадання мряки, дощу або осідання густого туману. Необхідною умовою утворення ожеледі є випадання переохолоджених крапель за від'ємної температури (від 0 до -15 °С). Товстий шар ожеледі може ламати гілля і обривати дроти ліній електромережі. Небезпечним є намерзання льоду на літаках, яке відбувається в шарувато-дощових хмарах, складених із крапель, охолоджених до —10 °С. Це явище називають обледенінням літаків.

З повітря на поверхню осідають гідрометеори - роса, іній, рідкий наліт, твердий наліт, паморозь, ожеледь.

Роса – найдрібніші краплинки води, які часто зливаються. Вона з’являється вночі на поверхні, яка охолола в результаті випромінювання тепла.

Іній – твердий білий осад, який утворюється за таких умов, як і роса, але при температурі нижче 0^◦С.

Рідкий і твердий наліт - тонка водяна чи льодяна плівка на вертикальних поверхнях стін, стовпів і т. д., яка виникає при зміні холодної погоди теплою в результаті стикання вологого і теплого повітря з охолодженою поверхнею.

Паморозь – льодяні кристали (кристалічна паморозь) чи пухкий лід (зерниста паморозь), яка наростає з навітряної сторони предметів (На гілках дерев, проводах тощо).

Ожеледь – суцільний шар щільного льоду на земній поверхні і на різних предметах.

При стійких від'ємних температурах повітря сніг, що випав на земну поверхню, може утворювати сніговий покрив. Сніговий покрив характеризують висотою, густиною (відношення маси снігу до його об'єму) та запасом води в снігу, що утворюється при таненні снігу (шар води в мм): Значення снігового покриву зумовлене його властивостями. Сніговий покрив впливає на клімат, оскільки у снігу дуже велике альбедо (80-90%). Але теплопровідність снігу мізерна, тому під ним достатньо висока температура, яка захищає рослини від вимерзання. Від товщини снігового покриву залежить глибина промерзання ґрунту. Танення снігового покриву забезпечує живлення річок, весняну повінь, а також поповнює запас ґрунтових вод

Дощ - вода, яка утворюється при конденсації водяної пари, що випадає з хмар і досягає земної поверхні у виді крапель рідини. Діаметр дощових крапель коливається від 0,5 до 6 мм. Краплі дрібніше 0,5 мм називаються мрякою. Краплі крупніше 6 мм сильно деформуються і розбиваються при падінні на землю. Дощ звичайно йде з «теплих» хмар, тобто з хмар з температурою вище крапки замерзання. Тут дрібні крапельки, що несуть заряди протилежного знаку, притягаються і зливаються в більш великі краплі. Вони можуть збільшитися настільки, що стануть занадто важкими, перестануть утримуватися в хмарі висхідними потоками повітря і проллються дощем [6].

У залежності від обсягу опадів, що випадають за визначений проміжок часу, по інтенсивності розрізняють слабкі, помірні і сильні (зливові) дощі. Інтенсивність слабкого дощу міняється від мізерно низкою до 2,5 мм/год, помірного дощу – від 2,8 до 8 мм/год і при сильному дощі – більш 8 мм/год, або більш 0,8 мм за 6 хв.

Обложні затяжні дощі при суцільній хмарності на значній території звичайно слабкі і складаються з дрібних крапель. Дощі, що випадають на невеликих ділянках спорадично, звичайно більш інтенсивні і складаються з більш великих крапель. За одну сильну грозову зливу тривалістю всього 20–30 хв може випасти до 25 мм опадів.

Випадання граду. Із зливових, грозових хмар на землю може випадати не тільки дощ, а й град. Звичайно град випадає в червні—липні, коли частіше утворюються грозові хмари. Це свіже повітря біля землі мало близько + 16°, тобто було майже на 10° холодніше. Вузька зона поділу, що відокремлювала холодний потік повітря від теплого (атмосферний фронт) зміщувалася на схід, і холодне повітря, яке на передньому краї мало форму клина, витісняло вгору тепле повітря. Виникли потужні висхідні потоки повітря і потужні грозові хмари. Грози й зливи надвечір охопили майже всю Середньоруську височину.

Ядро градинки утворюється в хмарі, що складається з переохолоджених крапель води і сніжинок, кристаликів льоду. Градинка виникає в результаті зіткнення переохолодженої краплі з кристаликом та її раптового замерзання. Дальше зростання ядра відбувається внаслідок намерзання водяної пари на кристалику. В розрізі градинки Нагадують цибулину, мають кілька шарів. Створюється-враження, наче градинку кілька разів опускали й виймали на морозі з льодяної води. Це підтвердило припущення, що градинка може рости і з дрібної краплі переохолодженої води. Крапля (або кристалик), досягши рівня низьких температур, Замерзає, на неї намерзає шар льоду. Обважнівши, градинка падає вниз, де плавають в хмарі крапельки води. Тут градинка обростає плівкою води, яка замерзає іноді у вигляді скловидної маси. І якщо градинку підхоплює сильний висхідний потік повітря, вона знову піднімається до шару низьких температур повітря, вкривається корочкою льоду за рахунок пари, що є в хмарі, і, знову обважнівши, починає падати вниз. Так градинка може мандрувати в хмарі, багато разів піднімаючись і опускаючись, поки не обважніє настільки, що випаде з хмари на землю (рис. 2).

Рис. 2. Схема утворення граду в купчасто-дощових хмарах

3.4 Розподіл опадів на земній поверхні

Опади характеризують за їх середнім багаторічним значенням за рік і за місяцями, середньою кількістю днів з опадами (за місяцями і за рік), тривалістю випадання опадів у годинах, інтенсивністю опадів у міліметрах (за добу, за хвилину або за годину).

Добовий хід опадів буває континентальний та береговий. У континентальному типі основний максимум фіксують після полудня, а додатковий максимум — уранці, особливо в тропічних широтах. Береговий тип характеризується одним максимумом опадів (уночі й зранку) і одним мінімумом після полудня. У деяких районах добовий хід опадів узимку береговий, а влітку — континентальний [16].

Річний хід опадів залежить від загальної циркуляції атмосфери і місцевих фізико-географічних умов. Основні типи річного ходу опадів наступні.

Екваторіальний тип. Характерні два максимуми (дощові сезони), які чергуються з порівняно сухими сезонами. Середини дощових сезонів співпадають з рівноденнями, коли сонце проходить над екватором і разом з ним рухається зона найбільш інтенсивної конвекції. Наприклад, на метеорологічній станції Лібревіль (0°37' пн. ш., 9°31' сх. д.) сума опадів за січень становить 200 мм, лютий — 220 мм, березень — 340 мм, червень — 5 мм, липень — 3 мм, вересень — 250 мм, листопад — 380 мм, за рік — 2410 мм.

Тип тропічних і субекваторіальних мусонів (Індія, Південно-Східний Китай, Гвінейська затока, північ Австралії). У річному ході опадів чітко виділяється літній максимум і зимовий мінімум. Цей контраст може підсилити орографія (характер земної поверхні). Наприклад, на станції Черрапунджі в Індії (25°16' пн. ш., 91°47' сх. д.) за грудень реєструють в середньому лише 10 мм опадів, за липень — 2730 мм, а за рік — 11633 мм. Тут зафіксований абсолютний максимум опадів за рік для всієї Землі — 23000 мм.

Тропічний тип. Максимум опадів припадає на час літнього сонцестояння в дощовий сезон, який біля тропіків триває 4 місяці, а мінімум — на сухий сезон за найнижчого стояння сонця. Наприклад, на станції Аліс-Спрінгс (23°36' пд. ш., 133°37' сх. д.) за грудень реєструють в середньому 37 мм опадів, січень — 43 мм, червень — 15 мм, за рік — 273 мм.

Середземноморський тип (західна частина материків і островів у субтропічних широтах, Каліфорнія, південь Африки і Австралії, південний берег Криму та середземноморські країни). Максимум опадів припадає на зиму або осінь. Сухий сезон улітку пов'язаний із впливом субтропічних антициклонів. Взимку вони зміщуються до тропіків, а в субтропіках панує циркуляція повітряних мас помірного поясу. Наприклад, на станції Гібралтар (36°07' пн. ш., 5°24' зх. д.) за липень випадає 1 мм, за листопад — 160 мм, за рік — 910 мм опадів; в Ялті (44°30' пн. ш., 34°14' сх. д.) за січень випадає 80 мм, за серпень — 30 мм, за рік — 600 мм опадів.

Морський тип помірних широт. Характерний для західних частин материків помірного поясу, куди циклони частіше приходять взимку. Опади розподіляються рівномірно протягом року з невеликим переважанням узимку. У берегових районах Західної Європи максимум опадів припадає на осінь і зиму, а мінімум — на початок літа й весну. Наприклад, на станції Валенсія (39"48' пн. ш., 10°12' зх. д.) за травень випадає 80 мм, за грудень — 160 мм, а за рік — 1430 мм опадів.

Материковий континентальний тип помірних широт (Азія, Східна Європа та Північна Америка). Максимум опадів припадає на літо, а мінімум — на зиму, бо взимку переважає антициклонна суха погода. Так, у Чикаго (41°55' пн. ш., 97°36' зх. д.) в січні й лютому випадає по 50 мм, за липень — 90 мм, а за рік— 840 мм опадів. У Тобольську (58°12' пн. ш., 68°13' сх. д.) за січень випадає 20 мм, лютий —15 мм, а за липень — 80 мм, за рік — 440 мм. Мусонний тип помірних широт (Схід Євразії). Вирізняється більш різким річним коливанням ходу опадів з максимумом влітку і мінімумом узимку. У Владивостоці (43°06' пн. ш., 131°54' сх. д.) за січень випадає 10 мм опадів, за серпень — 139 мм, за вересень — 110 мм, а за рік — 742 мм.

Пустельний тип помірних і субтропічних широт (Середня Азія). Літо сухе, а найбільша кількість опадів припадає на весну, коли тут проходить помірний фронт. Наприклад, у Ташкенті (41°18' пн. ш., 68°17' сх. д.) за серпень випадає 1 мм, за березень — 60 мм, за рік — 350 мм опадів.

Полярний тип. Опади характерні для всіх місяців, але максимум припадає на літо, коли збільшується випаровування і вологість повітря через підвищення температури. На мисі Челюскін (77°43' пн. ш., 104°18' сх. д.) за грудень випадає 3 мм, за липень — 29 мм, а за рік — 116 мм опадів. Але на узбережжях морів, у зв'язку з більш інтенсивною циклонічною діяльністю, максимум опадів може припадати на зиму. Так, на станції Мирний (66°30' пд. ш., 93°00' сх. д.) за січень випадає 4 мм опадів, за липень — 106 мм, за рік — 626 мм.

Щороку суми опадів коливаються навколо середнього багаторічного значення, яке метеорологи вважають за норму. Середнє відхилення річних або місячних сум опадів від норми (у відсотках) називають річною або місячною мінливістю опадів. Наприклад, на материках Євразія та Північна Америка мінливість річних опадів становить 10-20% і збільшується до 20-30% на півночі й у пустелях. Для всіх пустель земної кулі характерна значна мінливість кількості опадів. Мінливість сум опадів за місяць ще більша в умовах континентального клімату, де в зоні степів вона зростає до 40-60%, а в пустелях — до 90%. У зоні степів велика мінливість опадів призводить до того, що в інколи виникає посуха (60-70 днів без дощу влітку). Це зона нестійкого зволоження. Посухи бувають у степових зонах Євразії та Північної Америки, часто і в лісостеповій зоні, а 1-2 рази на 100 років навіть у Фінляндії та Швеції.

Географічний розподіл опадів залежить від розподілу і водності хмар, особливо змішаних, які складаються з крапель і кристаликів. Усе це залежить від розподілу температури, тобто пов'язане із зональністю. Отже, основна закономірність розподілу опадів — це зональність. Велике значення мають також і такі незональні фактори, як віддаленість суші від моря та орографія Максимальна кількість опадів припадає на екваторіальний та субекваторіальний пояси приблизно від 17° пн. ш. до 20° пд. ш. Сюди входять Амазонія, Центральна Америка, береги Гвінейської затоки, басейн Конго, острови Індонезії. У зоні, де зустрічаються пасати обох півкуль (див. розділ 9. 5), спостерігається найбільш потужний висхідний рух повітря, насиченого вологою, та його адіабатичне охолодження, конденсація, інтенсивне утворення хмар, які сягають значної висоти. Річна кількість опадів тут становить 2000-3000 мм і більше. Найбільша кількість опадів випадає на схилах гір Кауаі на Гаванських островах (11980мм), у Гімалаях (Черрапунджі— 11633мм), на схилах вулкана Камерун (10287 мм), в Андах Колумбії (8992 мм) [25].

У тропічних поясах, між 20° і 32° широти, панує сухе повітря, тому тут розміщені пустелі. Це обумовлено адіабатичним нагріванням повітря, яке опускається, в антициклонах. Біля західних берегів материків протікають холодні течії, над якими повітря більш холодне, ніж вгорі й над сушею. Середня кількість опадів у тропічних і субтропічних пустелях становить 200 мм за рік, але в деяких пунктах пустелі Атакама — 0,8 мм, пустелі Сахара — 2,5 мм, в Адені — 43,9 мм, в Австралії — 102 мм за рік. На східні узбережжя материків (Флорида, Південно-Східна Бразилія, Південно-Східна Азія, Пів-денно-Східна Африка і схід Австралії) пасати, які дмуть з океанів, приносять опади, тому клімат тут вологий тропічний.

На півдні помірних широт північної півкулі, у внутрішніх пустельних районах материків, влітку за високих температур хмарність незначна. Узимку переважає малохмарна погода, пов'язана з високим атмосферним тиском. Опадів тут дуже мало — 100-200 мм за рік. На північ від пустель і напівпустель розміщені степові зони недостатнього зволоження з кількістю річних опадів від 500 мм на заході до 300 мм на сході. Але загалом від субтропіків до помірних широт кількість опадів збільшується, оскільки в помірних широтах розвинута циклонічна діяльність, яка спричиняє велику хмарність. У лісових зонах річна сума опадів зростає до 500-1000 мм, а випаровування значно меншає — це зона надлишкового зволоження. Сума опадів зменшується із заходу на схід, але на східних узбережжях, в умовах мусонного клімату, знову збільшується до 500-1000 мм.

На навітряних схилах гір кількість опадів зростає. Наприклад, у Норвегії вона становить 1700мм, у Шотландії— 4000-5000 мм, в Югославії — 5000 мм, в Альпах — 4000 мм, на південно-західних схилах Великого Кавказу — понад 3000 мм, на схилах Кордільєр півострова Аляска і Анд у Південному Чилі — від 2000 до 3000 мм, на західному схилі Кордільєр у Канаді — понад 6000 мм опадів за рік.

За Полярними колами опадів мало через низькі температури, незначний вміст вологи і низьку водність хмар, а в Антарктиді ще й хмарність незначна. Тут випадає в середньому 200-250 мм опадів. У зоні тундри кількість опадів зменшується із заходу на схід від 400-300 до 100 мм за рік, незважаючи на велику кількість днів з опадами. Але випаровування тут ще менше, тому це зона надлишкового зволоження. Зволоження ґрунту залежить не тільки від кількості опадів у даній місцевості. Приблизно однакова кількість опадів випадає і в напівпустелі Прикаспійської низовини, і в тундрі. Але в першому випадку є нестача вологи, що обумовлює розвиток типово ксерофільної рослинності, а в другому є надлишкове зволоження, що спричиняє заболочення [26].

Тому для визначення рівня зволоження враховують не тільки кількість опадів, а й можливість їх випаровування. Характеризуючи зволоження за рік, за сезон, за місяць використовують відношення суми опадів до випаровуваності, яке називають коефіцієнтом зволоження клімату.

К_з=

де Х – кількість опадів, Е – випаровуваність.

М. М. Іванов підрахував коефіцієнт зволоження для різних зон і областей. Якщо коефіцієнт перевищує 100% в усі місяці року, то клімат вважають постійно вологим. Якщо частина місяців має зволоження менше 100%, то клімат вважають не постійно вологим, 25-100% в усі місяці року — помірно вологим, менше 25% — постійно посушливим.

Від ступеня посушливості і зволоження клімату та його температурного режиму залежать процеси ґрунтоутворення, рослинний покрив і природні ландшафти певної місцевості. Тому коефіцієнти зволоження вважаються комплексними показниками характеристики природних зон і висотних поясів у горах. Так, коефіцієнт зволоження від 70% до 100% типовий для лісостепів і саван, від 35% до 60% — для степів та сухих саван, 20-30% — для напівпустель, 10% і менше — для пустель. У лісових зонах коефіцієнт завжди перевищує 100%.

РОЗДІЛ 4

ВПЛИВ АНТРОПОГЕННИХ ФАКТОРІВ НА КОНДЕНСАЦІЙНІ ТА СУБЛІМАЦІЙНІ ПРОЦЕСИ ВОДИ В АТМОСФЕРІ

4.1 Парниковий ефект

Температура землі підтримується завдяки балансу між нагріванням землі сонячним промінням та охолодженням після повернення енергії в космос. Такий баланс між енергією, що надходить і випромінюється, потрібен для підтримання життя на землі. В сонячний день основна частина енергії, що потрапляє на поверхню землі, є короткохвильовим випромінюванням, яке проникає крізь атмосферні шари, нагріваючи землю.

Задля підтримання енергетичного балансу землі частина енергії повинна залишати землю. Це є довгохвильове інфрачервоне випромінення. Але якби такі промені могли легко відображатися в космос, температура Землі була б нижчою на 30 градусів. Життя на Землі не могло б існувати.

На щастя, значна кількість інфрачервоних променів утримується в атмосфері, завдяки так званим парниковим газам. Тому і температура Землі підвищується. Ці гази функціонують, як скло в теплицях, що дозволяє сонцю потрапляти всередину, і затримує інфрачервоні промені, забезпечуючи належну температуру.

Таким чином парниковий ефект є не результатом діяльності людини, а природним явищем. Він позитивно впливає на всі екосистеми, стабілізує температуру атмосферного повітря, і є нормальним для рослинного, тваринного світу та життя людей.

Для підтримання життя на Землі необхідний правильний баланс між поглинанням та випроміненням енергії. Збільшуючи викиди парникових газів в атмосферу, люди порушують баланс, що склався впродовж століть. Багато хто з нас думає, що це лише вихлопні гази машин та викиди промислових підприємств.

Існують 6 основних парникових газів, які входять до хімічного складу атмосфери:

- водяна пара;

- вуглекислий газ;

- метан;

- озон;

- закис азоту,

- і останнім часом хлоро-фторо-вуглеці. Крім них, всі гази зустрічаються в природі.

В результаті діяльності людини концентрація цих газів збільшується, через що зростає парниковий ефект. Неприродний та потенційно небезпечний процес.

CO₂ – найзначніший з антропогенних парникових газів. Хоча цей газ природного походження, завдяки діяльності людини він створюється у найбільшій кількості.

Індустріалізація призвела до збільшення використання видів палива, що видобувається з надр Землі: вугілля, нафта, газ (органічне паливо). При їхньому спалюванні у великій кількості викидається CO₂. Причиною 45и відсотків викидів CO₂ є транспорт та виробництво електроенергії та тепла. За оцінками вчених за останні 200 років концентрація CO₂ в атмосфері збільшилася на 26 відсотків. Це – найвищий рівень за всю історію людства. Вуглекислий газ становить 55 відсотків антропогенного парникового ефекту. Глибинні проби крижаного покриття Землі дають можливість оцінити склад атмосфери за останнє тисячоліття. Ці данні, а також сучасні спостереження виявляють значне збільшення концентрації вуглекислого газу, метану та інших парникових газів.

Серед причин збільшення концентрації метану - вирощування рису, утилізація відходів, видобування вугілля, тваринництво, видобування та транспортування природного газу. В результаті цих видів діяльності метан потрапляє в атмосферу, їх темпи постійно зростають.

Озон - це речовина, що захищає нас від шкідливого ультрафіолетового проміння. Його найбільша концентрація у верхніх шарах атмосфери, де формується так званий озоновий шар. Заподіяні цьому шару ушкодження викликають занепокоєння. Озон також є парниковим газом. Завдяки складним хімічним реакціям в щільних шарах атмосфери деякі речовини, переважно створені людиною, з’єднуються і виникає озон. Кількість озону в багатьох випадках залежить від погодних умов та наявності сонячного світла. Його кількість також зростає.

Рослинний світ створює закис азоту, але підвищення концентрації цього газу пов’язують з сільськогосподарською діяльністю та спалюванням біомаси, наприклад деревини.

Хлорофторовуглеці виникають виключно в результаті діяльності людини. Вони нетоксичні та інертні, що робить їхнє використання безпечним та корисним при виготовленні аерозолів, холодильних газів та ізоляційних матеріалів. Вони також використовуються при виготовленні штучної гуми та очищенні електронних механізмів. Ці гази відомі, як руйнівники озонового шару. Вони значно підсилюють парниковий ефект і дуже важливі, оскільки поглинають інфрачервоне випромінювання, яке не поглинули інші гази.

Водяна пара – один з найважливіших парникових газів. Але ми його таким не сприймаємо. Він усюди зустрічається в природі. Він невидимий. Діяльність людини не впливає на нього безпосередньо, але існує важливі непрямі зв’язки. Потепління, що відбувається через дію інших парникових газів, збільшує випарювання та призводить до підвищення кількості водяної пари в атмосфері. Це також може збільшити потепління.

Деякі гази в атмосфері більш стабільні, ніж інші. Важлива не тільки їхня кількість. Кількість будь-якого газу в атмосфері визначає баланс між кількістю викидів і розміром та інтенсивністю поглиначів.

Поглинання – це процес, в результаті якого речовина залишається в атмосфері. Основні поглиначі вуглекислого газу – це океан та процес фотосинтезу на суші та у воді. Сонячна енергія, що використовується рослинами, ініціює процес, внаслідок якого вуглекислий газ розпадається на вуглець та кисень.

Але газ ненадовго зникає з атмосфери. Мертві рослини та морські мешканці назавжди закріплюють його у земному ґрунті та на океанському дні, якщо тільки їх з часом не спалюють як органічне паливо.

Не тільки збільшється кількість викидів CO₂, спалюючи органічне паливо, але й зменшуємо кількість природних поглиначів, таких, як ліс. Знищення лісів негативно впливає на обидва процеси.

4.2 Кислотні дощі

Терміном "кислотні дощі" називають усі види метеорологічних опадів - дощ, сніг, град, туман, дощ зі снігом, - кислотність яких вище нормальної. Мірою кислотності є значення рН (водневий показник).

Шкала значення рН йде від 0 (украй висока кислотність), через 7 (нейтральне середовище) до 14 (лужне середовище), причому нейтральна крапка (чиста вода) має рН = 7. Дощова вода в чистому повітрі має рН = 5,6. Чим нижче значення рН, тим вище кислотність. Якщо кислотність води нижче 5,5, то опади вважаються кислотними.

Варто звернути увагу ще на одну особливість шкали рН. Кожна наступна сходинка на шкалі рН говорить про десятикратну зміну концентрації іонів водню в розчині. Наприклад, кислотність речовини зі значенням рН=4 у десять разів вище кислотності речовини зі значенням рН=5, у сто разів вище, ніж кислотність речовини зі значенням рН6 і в сто тисяч разів вище, ніж кислотність речовини зі значенням рН=9.

Кислотний дощ утворюється в результаті реакції між водою і такими забруднюючими речовинами, як діоксид сірки (SО2) і різних оксидів азоту (NOx). Ці речовини викидаються в атмосферу автомобільним транспортом, у результаті діяльності металургійних підприємств і електростанцій, а також при спалюванні вугілля і деревини. Вступаючи в реакцію з водою атмосфери, вони перетворюються в розчини кислот - сірчаної, сірчистої, азотистої й азотний. Потім, разом із снігом чи дощем, вони випадають на землю.

Природними джерелами надходження діоксиду сірки в атмосферу є головним чином вулкани і лісові пожежі.

Природні надходження в атмосферу оксидів азоту зв'язані головним чином з електричними розрядами, при яких утвориться NО, згодом - NO₂. Значна частина оксидів азоту природного походження переробляється в ґрунті мікроорганізмами, тобто включена в біохімічний круговорот.

Діоксид сірки, що потрапив в атмосферу, перетерплює ряд хімічних перетворень, що ведуть до утворення кислот.

Частково діоксид сірки в результаті фотохімічного окислювання перетворюється в триоксид сірки (сірчаний ангідрид) SО₃:

2SO₂ + О₂ → 2SO₃,

який реагує з водяною парою атмосфери, утворюючи аерозолі сарною кислоти:

SО₃ + Н₂О → H₂SО₄.

Основна частина діоксиду сірки, що викидається у вологому повітрі утворить аерозоль сірчистої кислоти і зображують умовною формулою Н2SO3:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃.

Сірчиста кислота у вологому повітрі поступово окисляється до сірчаної:

2H₂SO₃ + O₂ → 2H₂SO₄.

Аерозолі сірчаної і сірчистої кислот приводять до конденсації водяної пари атмосфери і стають причиною кислотних опадів (дощі, тумани, сніг). При спалюванні палива утворяться тверді мікрочастинки сульфатів металів (в основному при спалюванні вугілля), легко розчинні у воді, що осаджуються на ґрунт і рослини, роблячи кислотними роси (рис. 4.1.).

Аерозолі сірчаної і сірчистої кислот складають близько 2/3 кислотних опадів, інше приходиться на частку аерозолів азотної й азотистої кислот, що утворяться при взаємодії діоксиду азоту з водяною парою атмосфери:

2NО₂ + H₂О → НNО₃ + HNO₂.

Рис. 4.1. Схема утворення кислотних аерозолів і дощів

Існують ще два види кислотних дощів, що поки не відслідковуються моніторингом атмосфери. Хлор, що знаходиться в атмосфері, при з'єднанні з метаном (джерела надходження метану в атмосферу: антропогенний - рисові поля, а також результат танення гідрату метану у вічній мерзлоті внаслідок потеплення клімату) утворить хлороводень, що добре розчиняється у воді з утворенням аерозолей соляної кислоти:

Сl + СН₄ → СH₃ + HCI, СН₃ + Cl₂ → СН₃Сl + Сl.

Джерела кислото-створюючих викидів: теплові електростанції, автотранспорт, металургійні і хімічні прежпріятія, авіація.

РОЗДІЛ 5

ДИНАМІКА ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ ТА КІЛЬКОСТІ ОПАДІВ ПО ЧЕРНІГІВСЬКІЙ ОБЛАСТІ ЗА 2002 – 2007 РОКИ

Клімат області помірно-теплий, м'який з достатнім зволоженням. В середньому за рік температура повітря складає 5,7-6,6°.

В зимовий період на область часто поширюється північна частина відрога високого тиску із районів Сибіру, а також арктичні повітряні маси, з якими пов'язані значні похолодання. Частіше всього їх вплив виявляється у січні і лютому.

Січень є найхолоднішим місяцем року. Середні січневі температури знаходяться в межах - 6,2-7,6°. В лютому середньомісячна температура підвищується всього на 0,2-0,6°. В окремі роки (30-40%) лютий буває значно холодніший січня.

Щорічно мінімальна температура буває - 15° і нижче. Ймовірність мінімальної температури нижче - 20° біля 90%, а нижче - 30° від 11% на півдні області і до 22% на півночі.

Абсолютний мінімум температури за зиму знаходиться в межах 34-37° морозу.

В порівнянні з лютим в березні температурний режим в середньому підвищується на 5°. Майже такий же ріст температури і від березня до квітня.

Більш інтенсивний ріст температури відбувається в травні. Це пов'язано із зменшенням хмарності, збільшенням світлої частини доби і висоти сонця над горизонтом. Різниця в середніх температурах за літні місяці невелика і складає 1-2°.

Найтепліший місяць року - липень, середня температура 18,4-19,7°. Абсолютний максимум температури 38-39°. В 75-80% років в літній період можлива максимальна температура 30° і вище. В літній період по області переважають західні і північно-західні вітри.

Для агрометеорологічної оцінки термічних умов території показовим явищем є кількість днів з температурою вище 0, 5,10,15°.

Результати спостережень за погодними умовами, які були на території Чернігівської області на станції м. Чернігів в період 2002 – 2007 років представлено в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1

Температурний режим на протязі 2002 – 2007 років по Чернігівській області

Роки

Середньомісячна температура повітря, ⁰С

Середня за рік

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2002

-2,6

2,9

4,9

6,8

14,9

18,2

22,8

18,7

13,0

6,1

2,7

-9,5

8,2

2003

-4,8

-7,0

-1,5

5,3

18,2

16,2

20,7

18,1

12,3

6,7

2,6

-1,8

7,2

2004

-4,2

-3,4

2,2

8,1

12,2

16,7

19,5

19,7

13,4

8,3

1,6

-0,4

7,7

2005

-5,1

-3,9

-1,8

7,4

12,7

14,9

21,5

15,6

14,2

7,1

3,5

-1,7

6,8

2006

-2,5

-2,8

3,8

8,4

15,3

17,3

22,4

17,2

13,8

6,2

2,7

-2,8

8,2

2007

-6,7

-6.2

-1,4

6,8

14,4

17.5

19,4

18.2

13,2

6,8

0,6

-4,2

6,5

Середня за 6 років

-4,3

-3,4

1,0

7,1

14,6

16,8

21,0

17,9

13,3

6,8

2,2

-3,4

7,4

Як видно з таблиці 5.1 середньорічна температура становить в межах від 6,9 до 8,3 ⁰С.

В зимовий період на область часто поширюється північна частина високого тиску із районів Сибіру, а також пов`язані значні похолодання. Частіше всього їх вплив виявляється в січні і лютому.

Січень є найхолоднішим місяцем року. Середні січневі температури знаходяться в межах – 4....5. В лютому середньорічна температура підвищується всього на 1,5⁰С. В окремі роки лютий місяць буває значно холоднішим (рис. 5.1).

Температура, ⁰С

Рис. 5.1. Середня за 6 років динаміка зміни температури (в ⁰С) по Чернігівській області

Таблиця 5.2

Середньомісячна температура повітря по Чернігівській області по місяцях за 2007 рік

Станції

І

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XIІ

За рік

Семенівка

-7,4

-7,2

-2,6

6.0

13.5

16.9

18,6

17.5

12,3

6.0

0,0

-4,9

5,7

Щорс

-6,9

-6,6

-1.9

6.6

14.2

17,3

19,2

18,0

12.8

6,5

0.6

-4,4

6,3

Покошичі (Коропський)

-7,6

-7,4

-2.6

5,9

13,7

16,9

18,8

17,6

12,6

6.0

-0.1

-5,0

5.7

Нові Млини (Борзнянський)

-7,4

-7,1

-2.2

6,6

13,8

16,8

18.4

17,4

12,6

6.4

0,1

-4,6

5,9

Чернігів

-6,7

-6.2

-1,4

6,8

14,4

17.5

19,4

18.2

13,2

6,8

0,6

-4,2

6,5

Ніжин

-6,8

-6,3

-1.6

6,8

14,2

17,3

19,1

18.0

13.0

6.6

0.5

-4,1

6,4

Остер

-6,2

-5,8

-1,0

7,2

14,4

17,5

19.3

18,2

13.2

7,0

0,9

-3,8

6,7

Прилуки

-6,8

-6,6

-1.4

7,2

14,6

17,8

19.7

18,6

13,4

6.8

0.6

-4,4

6.6

Річна сума опадів складає по області в середньому 500-600 мм. В окремі роки кількість опадів значно відхиляється від цих величин. З 1945 по 2003 р. найбільша кількість (річна) опадів відмічена в 1970 і місцями в 1980 та 2003 роках - 779-907мм. У 1946 році, місцями в 1951, 1972, 1975 та 2002 роках, сума опадів складала тільки 312-400 мм. Протягом року опади розподіляються нерівномірно. Біля 70% всієї кількості їх випадає в теплий період, тобто з квітня по жовтень і тільки 30% приходиться на холодні місяці (таблиця 5.2.).

Протягом холодного періоду місячна кількість опадів мало змінюється. За холодний період в середньому випадає 150-180 мм опадів, за теплий 324-415 мм. Максимальна кількість опадів припадає на липень. В 25% років в липні випадає 100-175 мм опадів. За теплий сезон відмічається в середньому 53-60 днів з дощами, які дають за добу не менше 1 мм опадів. Переважаючим типом опадів в цей період є короткочасні зливові дощі. Загальна кількість днів з опадами в році 152-171. Найбільша добова кількість опадів складає по області 58-94, місцями 136-200 мм. Така кількість опадів іноді випадає протягом 2-3 годин. Ймовірність опадів 101-150 мм в літній період складає 10-25%.

Бездощові періоди тривалістю 10-20 днів повторяються досить часто. Ймовірність їх у вегетаційний період складає 65-75%. Періоди без дощу тривалістю 21-30 днів бувають рідше. Ймовірність його в травні-червні 25%, липні-вересні 15%. Більш довгі бездощові періоди (більше 30 днів) повторюються один раз в 10-20 років.

На загальному фоні бездощових періодів виділяються засушливі, які починаються на 10-й день бездощів'я. Засушливі періоди можуть супроводжуватися суховіями. Суховійними днями прийнято вважати такі, коли підносна вологість повітря складає 30% і нижче, температура повітря 25° і вище, і швидкість вітру не менше 5 м/сек. Інтенсивні суховії по області бувають в середньому 1 раз на 10 років. В травні - на початку червня 1979 року вони спостерігались по всій області і спричинили загибель знач-ної частини посівів і зниження врожаю більшості сільськогосподарських культур.

Дослідним шляхом встановлено, що при запасах вологи в орному шарі нижче 5 мм сходи зернових культур не з'являться, при 5-10 мм сходи зріджені. Оптимальні умови в період посів-кущення утворюються при запасах вологи в орному шарі ґрунту більше 30 мм.

Середні багаторічні запаси вологи в орному шарі в період посіву складають по області 20-30 мм. Ймовірність їх в цей період менше 10 мм 5-6%, на південному сході області до 20%. В межах 20-30 мм зберігаються запаси вологи в орному шарі і до припинення вегетації. Таким чином, в осінній період озимі в основному задовільно забезпечені вологою.

Весною перед поновленням вегетації озимих і на час посіву ранніх ярих зернових культур запаси вологи в основному близькі до максимальних, тобто до граничної польової вологоємності.

Період від виходу в трубку до колосіння зернових культур є критичним по відношенню до великої потреби рослин у волозі. В цей період відбувається найбільший приріст вегетативної маси, формуються органи плодоношення. Максимальні врожаї бувають при запасах вологи в метровому шарі 125-175 мм. Якщо запаси вологи в цей період будуть недостатніми - 60-80 мм, навіть при умові, що число колосків в колосі заклалось більше, частина із них залишиться недорозвинутою. Весняна ґрунтова засуха більш небезпечна для ярих зернових культур. В період наливу зерна при зменшенні запасів вологи в метровому шарі ґрунту до 25 мм спостерігається сильне зниження абсолютної ваги зерна, нерідко на 50 %, зерно буває дуже плюсклим. Несприятливими в цей період являються і великі запаси вологи - більше 125 мм, які спричиняють вилягання рослин, розвиток хвороб і шкідників. Найбільш сприятливі умови по вологозабезпеченню для наливу і дозрівання зерна створюються при запасах вологи в метровому шарі біля 80 мм.

Річна сума опадів становить від 46,4 до 56,5 мм. Протягом року опади розподіляються нерівномірно. Біля 70 % всієї кількості їх випадає в теплий період, тільки 30 % припадає на холодну пору року (таблиця 5.3.).

Таблиця 5.3

Кількість опадів на протязі 2002 – 2007 років

Роки

Опади, мм

Середня за рік

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2002

24,2

52,3

11,3

59,9

168,9

25,6

27,3

72,0

96,4

66,3

46,7

16,6

55,4

2003

31,1

11,6

22,3

36,9

50,4

33,2

20,3

101,3

65,5

123,3

23,3

36,3

46,3

2004

72,4

59,6

30,5

19,2

69,9

7,0

135

30,7

40,7

15,5

39,9

28,4

45,7

2005

35,4

22,4

12,9

17,8

69,5

45,1

88,7

97,4

38,6

88,1

22,3

18,4

46,4

2006

40,2

43,7

18,5

64,0

61,0

18,7

95,1

117,6

55,7

87,1

63,8

12,9

56,5

2007

55,8

61,5

20,7

28,4

95,7

13,7

112,4

45,2

66,1

77,2

55,7

21,3

51,9

Середня за 6 років

43,2

41,8

19,3

37,7

85,9

23,9

79,8

77,4

60,5

76,2

41,9

22,3

50,4

Протягом холодного періоду місячна кількість опадів мало змінюється. За холодні місяці в середньому випадає 150 – 180 мм опадів, за теплий 324 – 415 мм.

Кількість опадів, мм

Рис. 5.2. Середня за 6 років динаміка зміни кількості опадів (в мм) по Чернігівській області

ВИСНОВКИ

1. В ході аналізу літературних джерел щодо питання конденсаційних та сублімаційних процесів води в атмосфері було встановлено, що конденсація являє собою процес переходу води з газоподібного стану в рідкий, а сублімація – процес переходу води з газоподібного стану в твердий стан.

2. Проаналізувавши протікання конденсаційних та сублімаційних процесів води в атмосфері з`ясували як відбувається утворення хмар, випадання опадів та їх основні види.

3. В результаті дії антропогенних факторів конденсаційні та сублімаційні процеси води в атмосфері сприяють утворенню кислотних дощів, утворення парникового ефекту.

4. Аналізуючи кількість опадів по Чернігівській області за останні 6 років можемо спостерігати деяку залежність, а саме: підвищення температури, в основному, призводить до збільшення кількості опадів; з березня по травень простежується підвищення температури, і разом з тим випадає значна кількість опадів, з жовтня до грудня спостерігається зниження температури, і також кількість опадів знижується.

СПИСОК ВИКОРСИАНИХ ДЕЖЕРЕЛ

1. Xoлтон Дж. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 255 с.

2. Агроклиматический атлас Украинской ССР. - Киев: Урожай, 1964.-37 с.

3. Алисав Б.Г. Климатология. – М.: Мир, 1974. – 225 с.

4. Артамонов Б. Б. Метеорологія і кліматологія. – Х.: Основа, 2004. – 180 с.

5. Астапенко П.Д. Вопросы о погоде. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 240 с.

6. Атлас облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1957. – 40 с.

7. Білявський Г. О. Основи екології. - К.: Либідь, 2004. – 290 с.

8. Борисенков Е.П. Климат и деятельность человека. - М.: Наука, 1982. - 132 с.

9. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 350 с.

10. Вайсберг Дж. Погода на Земле. Метеорологія. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 200 с.

11. Витвицкий Г.Н. Зональность климата Земли. - М.: Наука, 1980. – 120 с.

12. Вайсберг Дж. Погода на Земле. - М.: Наука, 1980. - 248 с.

13. Волошина А.П., Евневич Т.А., Земцова А.И. Руководство к лабораторним занятиям по метеорологии и климатологии. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 82 с.

14. Гарвей Дж. Атмосфера и океан. - М.: Прогресс, 1982. - 184 с.

15. Гилл А. Динамика атмосферы и океана: В 2 т. - М.: Мир, 1986. T.I. - 397 с.; Т.2 - 415 с.

16. Гончаренко С.У. Фізика Атмосфери. - К.: Либідь, 1990. - 124 с.

17. Гончаров Л.Д. Клімат і загальна циркуляція атмосфери. Навч посібник. - К., 2005. - 350 с.

18. Гончаров Л.Д. Кліматологія і загальна циркуляція атмосфери. - К.: Либідь, 2005. – 200 с.

19. Дзердзеевский Б.Л. Общая циркуляция атмосферы и климат. - М.: Наука, 1975. - 288 с.

20. Дикий Л.А. Гидродинамическая устойчивость и динамика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 250 с.

21. Динамика климата/ Под ред. С. Манабе. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 574 с.

22. Динамика погоды. /Под ред. С. Манабе. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 418 с.

23. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии: Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 752 с.

24. Неклюкова Н.П. Практикум по общему землеведению. - М.: Мир, 1977. – 143 с.

25. Неклюкова Н.П.. Общее землеведение. - М.: Просвещение, 1976. – 336 с.

26. Остапчук В.В. Метеорологія і кліматологія. Ніжин, 2006. – 190 с.

27. Прох Л.З. Погода та клімат. – К.: Рад. школа, 1957. – 162 с.

28. Судакова С.С. Общее землеведение. - М.: Недра, 1987. – 325 с.

29. Федорищак Р.П. Загальне землезнавство. - К.: Вища школа, 1995. – 223 с.

30. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 568 с.

31. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. - М.: Мир, 1994

32. Чернюк Г. В. . Метеорологія і кліматологія – Т., 2005. – 175 с.

33. Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. М.: Институт охраны природы и заповедного дела, 1992. – 175 с.

ДОДАТКИ

Перисто-шаруваті хмари

Купчасті хмари

Купчасто-дощові хмари

Високошаруваті хмари

Перисто-купчасті хмари

Перисті хмари

Шарувато-дощові хмари

Високо-купчасті хмари

Шарувато-купчасті

Розвиток купчатих хмар при гарній погоді

Грозова хмара з «ковадлом»

Утворення конвективних опадів

Орографічні опади