Физические процессы образования волнистообразных облаков

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего профессионального образования 
«Российский государственный гидрометеорологический университет» 
(РГГМУ)

 

 

 

 

 

Кафедра метеорологии, климатологии и охраны атмосферы

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА 

 

по дисциплине «Физика атмосферы» 

на тему: «Физические процессы образования волнистообразных облаков» 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

Студент: Аношина Вероника, гр. М-203

 

Преподаватель: Кашелева Л. В.

 

 

 

 

 

Дата сдачи: _______________

 

Дата защиты: _____________

 

Оценка: __________________

 

 

Санкт-Петербург 2015

Краткие исторические сведения

 

 

Облака – наиболее легко и естественно наблюдаемое атмосферное явление _привлекали к себе внимание еще первых натурфилософов. Уже они понимали, что разнообразие облачных форм связанно с погодой, т.е. с состоянием атмосферы , которая постоянно изменяется. Эту идею очень четко сформулировал в 1817г. Дове, заметивший, что «облако – это не предмет, а процесс». Несколько ранее Ламарком и Говардом были предложены первые схемы классификации форм облаков, наблюдаемых с земли.

Первые наблюдения по микрофизике облаков были проведены весьма давно. Начавшиеся примерно с 1840г. в Европе и Америке научные подъемы на аэростатах впервые позволили получить некоторое представление о внутреннем строении облаков, о составляющих их твердых и жидких частицах, о движении в их толще. Так, Фламмарион и Годар в 1868г. описали быстрое развитие вверх кучевых облаков днем со скоростью, превышающей скорость подъема аэростата, и оседание их вечером. В жаркий день в августе 1689г. в Дижоне ( Франция) Тиссандье обнаружил, что «гроза притягивает баллон», т.е. связана с областью сходимости учений – областью низкого давления, а в феврале 1873г. он наблюдал облако, состоявшее из «алмазных блесток», облепленных, однако, каплями замерзшей вода, а также глубокую (до 19 С) инверсию температуры над облачным слоем. Аэростатные наблюдения опровергли, в частности, старую восходящую к Герике гипотезу о микроскопических пузырьках, из которых якобы состоят облака. Заметим, что новый этап развития физии облаков, начавшийся примерно в 1941-1945гг., был связан также с серией специальных научных подъемов аэростатов в СССР, о которых мы расскажем ниже.

Следует отметить, что благодаря прогрессу в исследовании термодинамики атмосферы именно в середине XIX века стала очевидной влажность адиабатических процессов, в частности охлаждения воздуха при его подъеме, на которое Фурье и Пуассон  обратили внимание еще в 1822-1823гг. В 1843г. Пекле заметил, что наблюдаемый при подъеме градиент температуры в бщем заметно меньше адиабатического. В 1864-1865гг. Кельвин и независимо Рейе (Франция) изучили характеристики влажноадиабатического процесса, связанного с конденсацией водяного пара. Несколько позднее, в 1842г., Рейе рассмотрел такой процесс, считая его при разработке теории циклонов – так эти авторы связали влажноадиабатический процесс с развитием крупнейших возмущений атмосферы. Вскоре для описания адиабатических процессов были предложены первые адиабатные графики – Герца и Нейгорофа, учитывавшие различия их при образовании жидкой и ледяной фазы. Несколько ранее Кельвин и затем Гельмгольц описали процесс возникновения воздушных волн, обусловлтвающих формирование волнистых облаков. Опыт глобального изучения всех форм облаков, их распределение и движения был приобретен во время Международного облачного года (1896-1897). В этом эксперементе приняли участие специалисты из 12 стран, в том числе из России.

Возвращаясь к проблеме микрофизики облаков, отметим, что идею о значении ледяных кристаллов для образования осадков выдвинул еще в 1866г. Рену во Франции. Ее термодинамическое обоснование предложил в первые в 1911г. А. Вегенер, который доказал, что «перекоденсация» - перенос пара с переохлажденных капель на кристаллы – важнейший процесс при образовании крупных частиц осадков. Теория возникновения частиц осадков получила таким образом прочное основание. В дальнейшем Бежерон ввел понятие «коллоидальной неустойчивости облака», или, точнее, «фазовой неустойчивости».

Полностью перестроена макрофизика облаков была после открытия и описания в трудах В. Бьеркнеса и Я. Бьеркнеса в 1916-1919гг. атмосферных фронтов и их облачных систем. Фронтальный «механизм» оказался ответственным за образование большинства форм облаков, а выделяющиеся в облаках тепло конденсации – одним из главных источников энергии движение атмосферы.

 

                  Классификация облаков.

Наблюдающееся в природе разнообразие форм облаков во всевозможных сочетаниях является результатом сложных процессов, развивающихся в атмосфере.

По структуре облаков и связанных с ними осадков можно судить о состоянии атмосферы не только в момент наблюдения, но и о ближайших ее изменениях. Облака являются одним из наиболее важных элементов погоды. Кстати сказать, до начала систематического аэрологического зондирования облака являлись важным элементом так называемой косвенной аэрологии, так как по облакам судили о процессах в нижней половине тропосферы.

Несмотря на развитие исследований по физике облаков с помощью летающих лабораторий и радиотехнических средств, наблюдения за облачностью до сих пор ведутся визуально. Поэтому определение форм облаков, их вида и характера развития относится к наиболее трудным из наблюдений, ведущихся на метеорологических станциях. Наблюдения на станциях ведутся по международной системе классификации облаков.

В основе современной классификации лежат два признака: внешний вид облаков и высота их расположения. Это так называемая морфологическая классификация.

По международной классификации облака делятся по их внешнему виду на 10 родов. Каждый из них имеет различные виды и разновидности. Здесь приведены русские и латинские названия и их сокращения:

1) перистые  — cirrus (Ci);

2) перисто-кучевые  — cirrocumulus (Cc);

3) перисто-слоистые  — cirrostratus (Cs);

4) высококучевые  — altocumulus (Ac);

5) высокослоистые  — altostratus (As);

6) слоисто-дождевые  — nimbostratus (Ns);

7) слоисто-кучевые — stratocumulus (Sc);

8) слоистые — stratus (St);

9) кучевые — cumulus (Си);

10) кучево-дождевые— cumulonimbus (Cb).

Эти виды облаков между поверхностью земли и тропопаузой по высоте их расположения делят на три яруса.

Верхний ярус облаков в высоких широтах распространяется от 3 до 8 км, в средних широтах — от 5 до 13 км и в низких широтах — от 6 до 18 км.

Средний ярус облаков — от 2 до 4 о в высоких широтах, от 2 до 7 км — в средних и от 2 до 8 км — в низких широтах.

Нижний ярус облаков ограничен поверхностью земли и высотой 2 км.

К облакам верхнего яруса относятся перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые, к облакам среднего яруса — высококучевые, к-облакам нижнего яруса — слоисто-кучевые, слоистые, слоисто-дождевые. Высокослоистые облака обычно бывают в среднем ярусе, но нередко проникают и в верхний ярус, а слоисто-дождевые из нижнего проникают в средний и даже в верхний ярус. Кучевые и кучево-дождевые облака, находясь основанием в нижнем ярусе, при развитии проникают в вышележащие ярусы.

Слоистые и слоисто-кучевые облака образуются при медленном подъеме и адиабатическом охлаждении воздуха. Кучевые и кучево-дождевые облака возникают при быстром вертикальном подъеме воздуха и обычно распространяются до верхней тропосферы, поэтому они называются также облаками вертикального развития.

Облака верхнего яруса состоят из ледяных кристаллов. Они отличаются волокнистой и нитевидной структурой. Перистые облака иногда возникают в результате распада верхней части кучево-дождевых облаков, образующих «наковальню».

Высокослоистые и слоисто-дождевые облака нередко образуют мощные слои, из которых в зависимости от температуры воздуха выпадает дождь или снег.

Слоистые облака нижнего яруса являются водяными или смешанными. Плотность их бывает различна. При малой плотности через них просвечивает солнце. Если слоистые облака состоят из кристаллов льда, то около солнца наблюдаются световые круги (гало), образующиеся вследствие преломления и отражения света в ледяных кристаллах.

Слоисто-кучевые и высококучевые облака образуются в тех случаях, когда поднимающийся воздух встречает слой с инверсией температуры, препятствующий дальнейшему подъему воздуха. Эти облака обычно имеют небольшую вертикальную мощность. При большом влагосодержании воздуха и конвекции в подоблачном слое воздуха слоисто-кучевые облака могут дать небольшие осадки.

Кучевые и кучево-дождевые облака образуются вследствие термической конвекции. Вертикальная мощность их зависит от мощности неустойчиво стратифицированного слоя воздуха. Если влагосодержание воздуха мало и уровень конвекции невысок, т. е. на высоте 2—3 км располагается задерживающий слой устойчиво стратифицированного воздуха, то возникают плоские кучевые облака — так называемые кучевые облака хорошей погоды. Они характерны для спокойной летней погоды в антициклонах. Наоборот, при большом влагосодержании воздуха и неустойчивой стратификации его, распространяющейся до средней и верхней тропосферы, происходит развитие мощной кучевой облачности и переход ее в кучево-дождевую7 Выпадающие из этих облаков осадки имеют ливневый характер и часто сопровождаются грозами, градом и шквалами.

О скорости вертикального движения воздуха. Слоистые, слоисто-дождевые и другие фронтальные облака образуются в результате медленного и продолжительного подъема воздуха на большой территории. Это так называемые упорядоченные вертикальные движения, скорости которых измеряются в десятых долях или целых сантиметрах в секунду. В сравнении с горизонтальными скоростями ветра вертикальные его движения во много раз меньше. Однако эти скорости достаточны, чтобы при восхождении воздуха произошло такое значительное адиабатическое его охлаждение, которое обусловило бы конденсацию водяного пара и выпадение обложных осадков. При этих же скоростях, но нисходящих движениях воздуха водяной пар, наоборот, удаляется от состояния насыщения, облака рассеиваются и наступает ясная погода. Это обычно происходит в системе усиливающихся антициклонов. Нетрудно подсчитать, например, что при обычной в этих случаях скорости, равной 3 см/сек, общий подъем воздуха за 12 часов составит почти 1300 м, а за сутки вдвое больше. Такие скорости подъема или опускания воздуха характерны для устойчивой стратификации атмосферы.

 

                Волновые движения атмосферы. Волнистообразные облака

В атмосфере наблюдаются волновые движения самой различной амплитуды и длины волны. Под влиянием таких движений могут при определенных условиях формироваться вонистообразные облака, которые имеют вид распространенного по горизонтали (на десятки и сотни километров) слоя, состоящего из валов, гряд, плит и др. Эти облака имеют сравнительно небольшую вертикальную мощность – в несколько десятков и сотен метров, в отдельных случаях до 2-3 км и более.

Наблюдаемые в атмосфере волнистообразные облака образуются в основном под влиянием рех волновых движений, которые возникают в слоях с инверсионной или сильно устойчивой стратификацией (в так называемых задерживающих слоях) и при обтекании воздушным потоком гор и возвышенностей ( волны препятствий). В гребне волны воздух совершает восходящее движение и охлаждается, приближаясь к состоянию насыщения, - здесь может образоваться облачность.

Остановимся на краткой характеристике волн, которые возникают на поверхностях, разделяющих воздушные потоки с различной плотностью (температурой) и горизонтальной скоростью движения. В том простейшем случае, когда рассматривается плоское движение двух бесконечно протяженных (по вертикали)несжимаемых воздушных потоков с горизонтальной скоростью   и   , неменяющейся высотой (но различной в обоих потоках), скорость распространения волны с рассчитывается по формуле Гельмгольца:

 

 

где   - длина волны, Т и Т – температура воздуха вблизи поверхности раздела соответственно верхнего (более теплого) и нижнего потоков,   - ускорение силы тяжести.

Согласно теории устойчивость волны зависит от знака подкоренного выражения. Приравнивая его к нулю, найдем выражение для предельного значения

 

 

Все волны, для которых      , устойчивы (амплитуда не изменяется во времени), а более короткие (     ) – неустойчивы (амплитуда увеличивается со временем. Предельные значения     приведены в таблице ( в ней

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно цаблице, предельная длина волны изменяется от сотен метров до 5-8 км. В таких же пределах заключены и наблюдаемые в атмосфере расстояния между соседними валами облаков. Так, Зайцев и Ледохович по колебаниям температуры нашли, что вблизи верхней границы слоистых и слоисто-кучевых облаков Арктики среднее расстояние между максимумами температуры составляет 1060м в верхней части облака (ниже верхней границы на 50— 100 м) и 760 м — в слое от 0 до 50 м над верхней границей облака или тумана (соответствующие средние амплитуды колебаний температуры равны 0,57 и 1,15°; максимальные амплитуды — 1,63 и 4,54°).

Данные табл. можно толковать также следующим образом. Волна с длиной  , равной указанному в таблице значению (например, 1595 м, соответствующему   Т = 8° и     —12 м/сек), будет оставаться устойчивой до тех пор, пока разность скоростей ветра в воздушных потоках не превзойдет (при    Т =8°) 12 м/сек-, и, наоборот, волна с    =1595 м потеряет устойчивость, если при   Т=8°    >12 м/сек. При постоянном      = 12 м/сек волна длиной 1595 м будет устойчивой лишь в случае таких поверхностей раздела, на которых скачок температуры превышает 8°. Из структуры подкоренного выражения в формуле следует, что увеличение разности температур способствует росту устойчивости, а увеличение      — росту неустойчивости волн.

Волны, длина которых равна значениям, приведенным в табл. распространяются, как следует из формулы, со скоростью

 

 

Если длина волны    <    , то с может быть как больше, так и меньше с*.

Теорию волн, возникающих на поверхностях раздела, обобщил на случай сжимаемых потоков Д. Л. Лайхтман. Решение линеаризованных уравнений движения построено для слу чая, когда температура воздуха в обоих потоках — линейная функция высоты (с одинаковым у). а скорость ветра не зависит от высоты.

При обтекании гор и возвышенностей возникает, как следует из теории, развитой Н. Е. Кочиным, А. А. Дородницыным и др., сложная система волн, в которой про исходит чередование слоев с восходящими и нисходящими вертикальными движениями. Длина и амплитуда волн зависят от целого ряда факторов: скорости набегающего потока, вертикального градиента температуры, ширины горы и др. Возмущающее влияние гор распространяется до большой высоты (на всю тропосферу, а, возможно, и стратосферу).