Географія. Рівень стандарту. 11 клас. Безуглий

Тема 4. Атмосфера та системи Землі

§ 9. Сонячно-земні взаємодії. Тропосфера

ПРИГАДАЙТЕ: З яких шарів складається земна атмосфера? Якими властивостями характеризується атмосферне повітря у тропосфері? Як змінюються показники температури повітря і атмосферного тиску з висотою? Поясніть причини утворення вітрів і відмінності їхньої сили та швидкості. Як утворюються циклони та антициклони? У чому полягають відмінності їхнього поширення і переміщення в різних регіонах Землі?

• Сонячно-земні взаємодії. Земля отримує від Сонця світло й тепло, що забезпечує освітленість і температуру її поверхні, також піддається комбінованому впливу ультрафіолетового й рентгенівського випромінювання, сонячного вітру, сонячних космічних променів. Такий вплив позначається не лише на розподілі тепла й світла, а й на роботі різних технічних систем, зокрема радіосистем і енергомереж, на інтенсивності індукованих електричних струмів у трубопроводах тощо.

Головним джерелом енергії для всіх фізико-географічних процесів, що відбуваються на земній поверхні та в атмосфері, є сонячна радіація. Це випромінювання Сонця, що поширюється у вигляді електромагнітних хвиль зі швидкістю 300 000 км/с. Кількість сонячної радіації залежить від висоти сонця, географічної широти місцевості, пори року, прозорості атмосфери й вимірюється в кілокалоріях (ккал) на одиницю площі (на 1 см2). Вимірюють сонячну радіацію актинометрами та піргеліометрами.

До земної поверхні сонячна радіація доходить у вигляді прямої та розсіяної радіації. Пряма - сонячна радіація, яка доходить до земної поверхні у вигляді пучка паралельних променів, що виходять від сонячного диска. Розсіяна - сонячна радіація, що зазнала розсіювання в атмосфері, надходить на земну поверхню з усього небесного зводу. У похмурі дні вона є єдиним джерелом енергії у приземних шарах атмосфери.

Сукупність прямої та розсіяної сонячної радіації, що надходить у природних умовах на земну поверхню, називають сумарною сонячною радіацією. Вона залежить від географічної широти, висоти над рівнем моря, прозорості атмосфери й хмарності.

Унаслідок взаємодії із земною поверхнею частина сонячної радіації поглинається нею - це поглинута радіація, а частина відбивається - це відбита радіація. Здатність земної поверхні відбивати сонячні промені характеризується показником альбедо (А) - відношенням відбитої радіації (В) до сумарної (С), тобто: А = (В/С) х 100 %. Показник альбедо вимірюють у відсотках. Що вищий показник альбедо, то вища здатність поверхні до відбивання. Альбедо поверхні залежить від її кольору, шорсткості, вологості. Альбедо водної поверхні за висоти Сонця понад 60° є меншою, ніж альбедо суходолу, оскільки сонячні промені, проникаючи у воду, значною мірою поглинаються і розсіюються в ній. Також альбедо всіх поверхонь залежить від висоти Сонця: найменше альбедо буває близько полудня, найбільше - уранці й увечері. Найбільше сонячних променів відбиває поверхня льодовиків і снігу, а найменше - рілля (мал. 1).

Мал. 1. Показник альбедо різних підстильних поверхонь

• Тропосфера та її метеорологічні елементи. Тропосфера є нижнім шаром атмосфери, де зосереджено більше ніж 4/5 усієї маси атмосферного повітря і майже всю атмосферну водяну пару. Характеризується зменшенням температури з висотою в середньому на 6 °С на кожний кілометр. Саме в тропосфері формується погода, що залежить від багатьох чинників (висоти Сонця над горизонтом, рельєфу, віддаленості від морів та океанів, пори року тощо). За даними спостережень складають синоптичні карти, на основі яких розробляють прогнози погоди. Погода характеризується такими метеорологічними елементами, як температура повітря, атмосферний тиск, швидкість і напрямок вітру, вологість повітря, опади тощо.

Температура повітря. Однією з основних метеорологічних характеристик погоди є температура повітря - змінна фізична величина, що характеризує тепловий стан атмосфери. Її вимірюють у градусах Цельсія (°С) і Кельвіна (К) за допомогою термометра, а прилад, який сам фіксує показники температури, називають термографом. Температура повітря часто коливається. Різницю між максимальним і мінімальним значеннями температури повітря за певний проміжок часу (доба, декада, місяць, рік) називають амплітудою температур. Закономірну зміну температури з висотою у тропосфері називають термічним ступенем. Температура повітря залежить від кута падіння сонячних променів на поверхню Землі: що більший кут падіння сонячних променів, то вища температура повітря. Кут падіння сонячних променів залежить від географічної широти місцевості, часу доби й пори року (мал. 2). Найнижчу температуру повітря на Землі (-89,2 °С) було зареєстровано 21 червня 1983 р. на антарктичній станції «Восток». Найхолоднішим населеним місцем у світі є сибірське селище Оймякон (біля м. Верхоянськ, Якутія), де в 1926 р. мінімальна температура знизилася до -71,2 °С. Найвищу температуру повітря (+58 °С) було зафіксовано 13 вересня 1922 р. в районі м. Тріполі (Лівія).

Тиск атмосфери. Силу, з якою атмосфера тисне на земну поверхню і все, що на ній розташовано, називають атмосферним тиском. Вимірюють цю силу здебільшого в міліметрах ртутного стовпчика (мм рт. ст.) за допомогою барометра. Оскільки атмосферний тиск створюється лише шаром атмосфери, який розташований вище, то з висотою атмосферний тиск знижується через кожні 100 м на 10 мм. рт. ст. Нормальним атмосферним тиском називають тиск - 760 мм рт. ст. (101 325 Па), що панує на рівні моря географічної широти 45°. Атмосферний тиск буває високим - якщо його значення перевищує нормальний атмосферний тиск, і низьким - якщо його значення стає меншим. Різниця тиску змушує повітря рухатися із зони високого тиску в зону низького тиску. На земній кулі виділяють сім основних поясів атмосферного тиску, що простяглися вздовж паралелей, з переважанням високого чи низького тиску (мал. 3).

Мал. 2. Типи річного розподілу температури на Землі

Вітри. Вітер - це горизонтальне переміщення повітряних мас із поясів високого тиску в пояси низького тиску. Характерними ознаками вітру є швидкість, напрямок і сила.

Напрямок вітру визначають за тією стороною горизонту, з якої він дме. Розрізняють північний, південний, західний, східний, північно-східний, південно-східний, північно-західний та південно-західний напрямки вітру. Швидкість вітру вимірюють у метрах на секунду (м/с), у кілометрах на годину (км/год), у балах (за шкалою Бофорта від 1 до 12 балів). Швидкість вітру залежить від величини баричного градієнта (зміна тиску на одиницю відстані в бік зменшення тиску) й характеру рельєфу. Силу вітру визначають тиском, що чинить рухоме повітря на предмети. Вимірюють її у балах. Сила вітру залежить від його швидкості.

Вітри поділяють на постійні, сезонні та місцеві. На Землі існують постійні вітри, що дмуть завжди в одному напрямку - від поясів високого тиску до поясів низького тиску. Низький тиск над екватором пояснюється тим, що тут надто нагріте легке повітря повсякчас піднімається вгору. У верхніх шарах тропосфери воно розтікається в напрямку полюсів, охолоджується і приблизно над 30° пн. ш. і 30° пд. ш. починає опускатися. Тут виникають тропічні пояси високого тиску й формуються постійні вітри, що дмуть від 30° пн. ш. до екватора - північно-східні пасати та від 30° пд. ш. до екватора - південно-східні пасати. У помірних широтах дмуть переважно західні вітри, утворення яких пояснюється тим, що від тропічних поясів високого тиску вітри спрямовані не лише до екватора, а й до полюсів, оскільки біля 65° пн. ш. і 65° пд. ш. розташовані пояси низького тиску. Унаслідок обертання Землі ці вітри відхиляються від свого меридіонального напрямку праворуч (у Північній півкулі) та ліворуч (у Південній півкулі). Так утворюється потужне західне перенесення.

Мал. 3. Пояси атмосферного тиску на Землі

Мал. 4. Формування антициклону й циклону

Мусони - стійкі вітри нижнього шару тропосфери, що протилежно змінюють свій напрямок двічі на рік. Зимовий мусон має напрямок із суходолу на море, літній - з моря на суходіл. Характерні райони мусонів - східні узбережжя материків, а також тропічні широти Північної півкулі.

На Землі відбувається і місцева циркуляція, що охоплює невеликі території. Серед місцевих вітрів найвідоміші бризи, що формуються на узбережжі водойм. Бриз - вітер невеликої сили на берегах морів, озер і річок. Бризи мають добову періодичність: удень дмуть з водної поверхні на суходіл, уночі - навпаки. Сила вітру під час бризу не перевищує 3-4 балів.

Переміщення повітря відбувається в системі циклон-антициклон, які виникають унаслідок утворення у тропосфері областей високого й низького тиску з діаметром у декілька тисяч кілометрів. Циклон - атмосферний вихор з низьким тиском у центрі (мал. 4). Проходження циклону пов’язане з утворенням потужної хмарності й випаданням опадів. Розрізняють два основні види циклонів - позатропічні й тропічні. Позатропічні утворюються в помірних або полярних широтах, а тропічні циклони - у тропічних широтах, характеризуються великими баричними градієнтами й швидкістю вітру, що сягають штормових. Нижче від 8-10° північної і південної широти циклони формуються дуже рідко, а в безпосередній близькості до екватора - не виникають зовсім. Антициклон - замкнена область підвищеного атмосферного тиску з максимальним тиском у центрі, діаметром від кількох сотень до кількох тисяч кілометрів, зі своєрідними умовами погоди й системою течій повітря. Низхідний рух повітря в антициклоні зумовлює безхмарність. Улітку переважає спекотна та суха погода, узимку - морозна та ясна.

Вологість повітря. У повітрі тропосфери є водяна пара. Основна її частина зосереджена у приземному шарі тропосфери до висоти 5000 м. Уміст водяної пари в повітрі називають вологістю повітря. Вона є одним з найважливіших параметрів атмосфери, що визначає погоду, і характеризується абсолютною вологістю, відносною вологістю, дефіцитом вологості, точкою роси.

Абсолютна вологість - уміст водяної пари у грамах, що міститься в 1 м3 повітря. Вона залежить від температури: що вища температура, то вищою є вологість повітря. Відносна вологість - відношення абсолютної вологості до її максимального значення за певної температури. За 100-відсоткової відносної вологості в повітрі може відбутися конденсація водяної пари з утворенням туману, випаданням роси. Температуру, за якої відносна вологість становить 100 %, називають точкою роси. Оптимальна для людини вологість - 40-60 %.

Випаровування - перехід рідини в газоподібний стан, що відбувається за будь-якої температури. Його швидкість зростає з підвищенням температури. Випаровування супроводжується оберненим процесом - конденсацією пари. Якщо пара над поверхнею рідини насичена, то між процесами встановлюється динамічна рівновага, коли кількість молекул, що покидає рідину за одиницю часу, дорівнює кількості молекул, що повертаються в неї.

Для визначення рівня зволоження території використовують коефіцієнт зволоження - відношення річної кількості опадів до випаровуваності за той самий період. Обчислюють його за формулою: Kзв. = P/f, де Р - кількість опадів (мм), f - випаровування за той самий період (мм). Коефіцієнт зволоження є одним з головних кліматичних показників і вказує на посушливість чи, навпаки, вологість клімату. Що вищий коефіцієнт зволоження, то вологіший клімат, і навпаки. Коли кількість опадів і випаровуваність збігаються, то коефіцієнт зволоження дорівнює одиниці. Для різних природних зон характерний різний коефіцієнт зволоження. Наприклад, у напівпустелях він становить 0,5, у степу коливається від 0,8 до 1, у лісостепу - від 1 до 1,2, у лісовій зоні сягає понад 1,3.

Розрізняють три типи зволоження території: надмірне зволоження (К > 1), коли атмосферних опадів випадає більше, ніж максимально може випаруватися (у тундрі), достатнє зволоження (К = 1), коли кількість атмосферних опадів дорівнює максимально можливому випаровуванню (у лісостепу) і недостатнє зволоження (К < 1), коли кількість атмосферних опадів менша, ніж максимально може випаруватися (у пустелях).

Атмосферні опади. Вода в рідкому чи твердому стані, що випадає з хмар чи безпосередньо з повітря на земну поверхню, утворює атмосферні опади. З хмар випадають дощ, мряка, сніг, мокрий сніг, крупа, град, льодяний дощ. З повітря виділяються роса, іній, рідкий наліт, твердий наліт, паморозь.

Атмосферні опади вимірюють дощомірами, опадомірами, плювіографами на метеорологічних станціях, а для великих площ - за допомогою радіолокації. Кількість опадів виражається в міліметрах шару води, що випала, а інтенсивність - у міліметрах на хвилину, годину, добу. У різних куточках Землі кількість опадів різна. Так, у Києві випадає приблизно 600 мм опадів на рік, натомість на екваторі їх у 10 разів більше, а у тропічних пустелях у 10 разів менше. Опади на Землі розподіляються зонально. Найбільше їх випадає в екваторіальних і помірних широтах, найменше - у тропіках і біля полюсів. Зональний розподіл опадів порушується характером рельєфу тощо. Найбільше опадів на Землі випадає на південно-східних схилах Гімалаїв у м. Черапунджі, де за рік випадає понад 12 тис. мм опадів.

Підсумуйте свої знання:

  • 1. Поясніть значення понять: сонячна радіація, тропосфера, атмосферний тиск, вітер, циклон і антициклон, вологість повітря (абсолютна й відносна), атмосферні опади.
  • 2. На основі конкретних прикладів охарактеризуйте роль синоптичних карт у побуті та господарській діяльності.
  • 3. Підготуйте повідомлення «Взаємодія атмосфери з літосферою, гідросферою, біосферою» (на власний вибір).

Перевірте, чого навчилися:

Користуючись сучасними сайтами українських гідрометеорологічних центрів (для населеного пункту - на власний вибір), порівняйте їхні прогнози на найближчі 3-5 діб і спробуйте зробити свій власний прогноз, спираючись на зміни температурного режиму, атмосферного тиску, напрямку й сили вітру, вологості тощо.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 5

Тема. Визначення середніх температур та амплітуди їхніх коливань за добу, місяць, рік. Аналіз рози вітрів.

Мета. Поглибити знання про погоду, її елементи та причини мінливості погоди; закріпити вміння обчислювати середні значення та амплітуди температури атмосферного повітря, аналізувати панівні напрямки вітрів (за діаграмою рози вітрів); спираючись на проведений аналіз, оцінити причини виявленої динаміки ходу температур і переважаючих напрямків вітру за одиницю часу (добу, місяць, рік).

Завдання 1. За допомогою систематизованих відомостей про температуру повітря календаря погоди шкільного кабінету географії або сайту гідрометеорологічного центру (наприклад, щоденник погоди для школярів на сайті) обчисліть для свого населеного пункту (обласного центру або іншого населеного пункту - на вибір):

  • а) середні температури атмосферного повітря (за добу, місяць, рік);
  • б) амплітуди коливань температури атмосферного повітря (за добу, місяць, рік).

Алгоритм визначення середніх температур атмосферного повітря:

Значення середніх температур атмосферного повітря обчислюють як середнє арифметичне число. Наприклад:

  • а) середню добову температуру визначають діленням суми температур на кількість вимірів протягом доби. Якщо під час спостереження були й додатні, і від’ємні температури, то обчислюють окремо суму додатних і суму від’ємних температур. Потім від більшої суми віднімають меншу, а різницю ділять на кількість вимірів. Біля знайденого числа ставлять знак діленого;
  • б) середню місячну температуру обчислюють діленням суми середньодобових температур за місяць на кількість днів місяця;
  • в) середню річну температуру обчислюють діленням суми середньомісячних температур на кількість місяців року.

Алгоритм визначення амплітуди коливань температури атмосферного повітря:

1. Пригадайте сутність поняття «амплітуда коливань температури»: різниця між максимальною та мінімальною температурою.

2. За інформацією про добові, середньомісячні температури повітря на одній з метеорологічних станцій визначте амплітуду коливань температури повітря (за добу, місяць, рік).

Наприклад, скориставшись Щоденником погоди у Дніпрі за вересень 2018 р.

Розв’язок. Потрібно від найбільшої температури за місяць відняти найменшу.

34° - 12° = 22° - місячна амплітуда коливань температури.

Відповідь. 22°.

Завдання 2. За допомогою систематизованих відомостей про напрямки вітрів календаря погоди шкільного кабінету географії або сайту гідрометеорологічного центру, наприклад, архів погоди в Харкові за місяцями та сезонами на сайті визначте для свого населеного пункту (обласного центру або іншого населеного пункту - на власний вибір):

  • а) переважаючі напрямки вітрів (за місяць, сезон, рік);
  • б) визначте відмінності панівних напрямків вітрів упродовж року.

Завдання 3. Поясніть причини виявленої динаміки ходу температур і переважаючих напрямків вітру за одиницю часу (добу, місяць, рік).