Что изучает метрология

Метеорологией называется наука об атмосфере — воздушной оболочке Земли. Она относится не к географическим, а к геофизическим наукам, поскольку в ней, на основе законов физики, изучаются физические процессы, протекающие в атмосфере и верхнем слое почвы.

Земная поверхность окружена газовой воздушной оболочкой — атмосферой, принимающей участие во вращении Земли. На дне атмосферы в основном протекает наша жизнь. С высотой плотность воздуха убывает, и атмосфера постепенно сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти — в нижних 10 км, девять десятых — в нижних 20 км. Но присутствие воздуха – чем выше, тем все более разреженного — обнаруживается до очень больших высот.

Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в нижних 10–20 км атмосферы особенно важны с практической точки зрения и наиболее изучены; именно эти процессы будут излагаться в данном курсе. Заметим, что и высшие слои атмосферы, отдаленные от земной поверхности на сотни и тысячи километров, в последнее время изучаются все более успешно, особенно с помощью геофизических ракет и спутников.

В этих слоях при поглощении ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения происходят фотохимические реакции разложения газовых молекул на электрически заряженные атомы. Поэтому указанные слои сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью. В них наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение воздуха, создающее так называемый ночной свет неба; в них происходят сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением.

В Якутии проблемами аэрономии занимается Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук. Главным источником энергии для атмосферных процессов является солнечная радиация (солнечное излучение), приходящая к Земле из мирового пространства.

Именно лучистая энергия Солнца превращается в атмосфере и на земной поверхности в теплоту, энергию движения и другие виды энергии. На атмосферные процессы влияет солнечная энергия и энергия, идущая от земной поверхности. Большое значение для этих процессов имеет строение земной поверхности, ее рельеф. Свойства земной поверхности влияют и на оптические свойства атмосферы, и ее электрическое состояние.

Наличие атмосферы является важным фактором для разнообразных физических процессов, развертывающихся на земной поверхности — в почве и верхних слоях водоемов (например, ветровая эрозия, морские течения и ветровое волнение, установление и сход снежного покрова и многое другое), а также для живых организмов.

В составе солнечной радиации есть коротковолновая ультрафиолетовая радиация. Энергия ее невелика, но она производит сильнейшее фотохимическое действие на высшие слои атмосферы. Сильно влияет на высшие слои атмосферы и корпускулярная радиация Солнца, т. е. потоки заряженных элементарных частиц, выбрасываемых Солнцем.

Ультрафиолетовая и корпускулярная радиация значительно меняется во времени в зависимости от солнечной активности, т. е. от физических процессов, происходящих на Солнце. В зависимости от этого меняется состояние высших слоев атмосферы, содержание в них озона, ионизация, электропроводность и т. д., что, в свою очередь, сказывается и на состоянии нижних слоев, а стало быть, на погоде и климате. Механизм воздействия верхней атмосферы на нижние слои еще неясен.

Теплооборот создает тепловой режим атмосферы и формируется следующим образом. Сквозь атмосферу проходит поток солнечной радиации. Атмосфера частично поглощает солнечные лучи, преобразуя их энергию в теплоту; частично рассеивает их, меняя по качеству (спектральному составу); частично они отражаются назад облаками.

Радиация, прошедшая сквозь атмосферу (отчасти и рассеянная атмосферой), падая на земную поверхность, частично от нее отражается, но в большей части поглощается ею и нагревает верхние слои почвы и водоемов. Земная поверхность сама испускает невидимую инфракрасную радиацию, которая в большей части поглощается атмосферой и нагревает ее.

Кроме обмена тепла путем излучения, между земной поверхностью и атмосферой происходит обмен тепла путем теплопроводности. В передаче тепла внутри атмосферы особенно важную роль играет перемешивание воздуха в вертикальном направлении. Значительная часть тепла, поступающего на земную поверхность, затрачивается еще на испарение воды, переходя в скрытую форму. Потом, при сгущении водяного пара в атмосфере, это тепло, выделяясь, идет на нагревание воздуха.

Температура воздуха, ощущаемая нами как тепло или холод, имеет важнейшее значение для жизни на Земле. Она меняется в течение суток и в течение года в зависимости от вращения Земли и связанных с этим изменений в притоке солнечной радиации. Но она меняется и непериодически, в связи с воздушными течениями, направленными из одних мест Земли в другие.

Кроме теплооборота, между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный оборот воды, или влагооборот. Водяной пар — вода в газообразном состоянии — является важной составной частью атмосферного воздуха. С поверхности океанов и других водоемов, влажной почвы и растительности вода испаряется в атмосферу, на что затрачивается большое количество тепла из почвы и верхних слоев воды. Вода играет важнейшую роль в переносе тепла между атмосферой и гидросферой, а значит, и в формировании погоды и климата.

При существующих в атмосфере условиях водяной пар может испытывать и обратное преобразование: он конденсируется, сгущается, вследствие чего образуются облака и туманы, В процессе конденсации в атмосфере освобождаются большие количества скрытого тепла. Из облаков при определенных условиях выпадают осадки. Возвращаясь на земную поверхность, осадки тем самым уравновешивают испарение в целом для всего Земного шара.

Количество выпадающих осадков и его распределение по сезонам влияют на растительный покров и земледелие. От распределения и колебания количества осадков зависят также условия стока, режим рек, уровень озер и другие гидрологические явления. От большей или меньшей высоты снежного покрова зависят промерзание почвы и режим вечной мерзлоты.

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения. На характер движения воздуха относительно земной поверхности важное влияние оказывает тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение. Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, а всю систему воздушных течений на Земле — общей циркуляцией атмосферы.

С перемещениями воздуха в процессе общей циркуляции связаны основные изменения погоды: воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности и пр. Кроме общей циркуляции атмосферы, существуют местные циркуляции: бризы, горно-долинные ветры и др.; возникают также сильные вихри малого масштаба — смерчи, тромбы. Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.