Структура и состав атмосферы
Атмосфера это газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.
Размеры. Потоки солнечной энергии, т.н. солнечный ветер, обтекая магнитное поле Земли, формируют удлиненную «полость», внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, – с противоположной, ночной стороны.
Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.
Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов в определенных пропорциях (см. табл.). В виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.
На основании осредненного распределения температур воздуха метеорологи разработали схему строения идеальной «средней атмосферы» (Рис 3.2).
Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия существования человека. Большая часть атмосферного водяного пара сосредоточена в тропосфере, и поэтому здесь главным образом и формируются облака, хотя некоторые из них, состоящие из ледяных кристаллов, встречаются и в более высоких слоях. Для тропосферы характерны турбулентность и мощные воздушные течения (ветры) и штормы. В верхней тропосфере существуют сильные воздушные течения строго определенного направления. Турбулентные вихри образуются под воздействием трения и динамического взаимодействия между медленно и быстро движущимися воздушными массами. Поскольку в этих высоких слоях облачности обычно нет, такую турбулентность называют «турбулентностью ясного неба».
В стратосфере также наблюдаются турбулентные возмущения и сильные ветры, дующие в разных направлениях, отмечаются мощные воздушные вихри, которые особенно опасны для высокоскоростных летательных аппаратов. Сильные ветры, называемые струйными течениями, дуют в узких зонах вдоль границ умеренных широт, обращенных к полюсам. Однако эти зоны могут смещаться, исчезать и появляться вновь. Струйные течения обычно проникают в тропопаузу и проявляются в верхних слоях тропосферы, но их скорость быстро уменьшается с понижением высоты. Часть энергии, поступающей в стратосферу, оказывает воздействие на процессы в тропосфере. Особенно активно это влияние проявляется в зонах атмосферных фронтов, где обширные потоки стратосферного воздуха были зарегистрированы существенно ниже тропопаузы, а тропосферный воздух вовлекался в нижние слои стратосферы.
Атмосферное электричество
Парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно «легким ионом».
В атмосфере присутствуют также комплексы молекул, известные в метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя «тяжелые ионы».
Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды.
Проводимость атмосферы достигает максимальной величины на высоте ок. 50 км, т.н. «уровне компенсации». Между поверхностью Земли и «уровнем компенсации» постоянно существует разность потенциалов в несколько сотен киловольт, т.е. постоянное электрическое поле.
Разность потенциалов между точкой, находящейся в воздухе на высоте нескольких метров, и поверхностью Земли превышает 100 В. Атмосфера имеет положительный заряд, а земная поверхность заряжена отрицательно.
Благодаря наличию градиента потенциала и проводимости атмосферы между «уровнем компенсации» и поверхностью Земли перемещаются заряженные частицы: положительно заряженные ионы – по направлению к земной поверхности, а отрицательно заряженные – вверх от нее. Сила этого тока составляет ок. 1800 А.
Молнии это поток и заряженных частиц в атмосфере или поток, направленный к земной или водной поверхности. Существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды). Линейные молнии (Рис. 3.3) представляют собой искровой разряд между облаком и земной поверхностью, следующий по каналу с направленными вниз ответвлениями.
Шаровая молния (Рис. 3.4) – настолько редкое и уникальное природное явление, что до сих пор не существует признанного всеми теоретического обоснования этого феномена, а до 2012 года даже не существовало подтверждения их реальности. Шаровая молния – это газовый разряд сферической формы, выглядит как плавающее в воздухе светящееся образование, перемещающееся по непредсказуемой траектории.
Помимо молний (искрового разряда) в атмосфере наблюдается и коронный разряд, называемый огнями Святого Эльма (Рис. 3.5). Коронный разряд возникает в газе в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острие, провода). В атмосфере коронный разряд выглядит как светящиеся кисти на острых концах высоких предметов (башен, корабельных мачт).
К появлению огней Святого Эльма ведет повышение напряженности электрического поля в окружающей среде, во время грозы или ее приближении, метели, шторма и пр.
Оптические явления в атмосфере
Многообразие оптических явлений в атмосфере обусловлено различными причинами. К наиболее распространенным феноменам относятся радуга, северное и южное полярные сияния. Кроме того, особенно интересны гало, паргелий (ложное солнце) и дуги, корона, нимбы и призраки Броккена, миражи, светящиеся облака, зеленые и сумеречные лучи и др.
Радуга – самое красивое атмосферное явление (Рис. 3.6). Обычно это огромная арка, состоящая из разноцветных полос, наблюдаемая, когда Солнце освещает лишь часть небосвода, а воздух насыщен капельками воды, например во время дождя. Разноцветные дуги располагаются в последовательности спектра (красная, оранжевая, желтая, зеленая, голубая, синяя, фиолетовая).
Семь цветов, которые принято выделять в радуге – условность, на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков. Как правило, физические характеристики радуг существенно различаются, поэтому и по внешнему виду они весьма разнообразны.
Их общей чертой является то, что центр дуги всегда располагается на прямой, проведенной от Солнца к наблюдателю. Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно.
Главная радуга представляет собой дугу, состоящую из наиболее ярких цветов – красного на внешней стороне и фиолетового – на внутренней. Иногда видна только одна дуга (её угловой радиус составляет 40-42°), но часто с внешней стороны основной радуги появляется побочная (Рис. 3.7).
Она имеет не столь яркие цвета, как первая, и с обратным расположением цветов (красная полоса располагается с внутренней стороны). Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
Образование радуги объясняется многократным преломлением и внутренним отражением лучей солнечного света в каплях воды. Радуга не расположена в одной плоскости, она имеет огромную глубину, и ее можно представить в виде поверхности пустотелого конуса, в вершине которого находится наблюдатель (Рис. 3.8).
На восходе и закате Солнца наблюдатель видит радугу в виде дуги, равной половине окружности, так как ось радуги параллельна горизонту. Если Солнце располагается выше над горизонтом, дуга радуги меньше половины окружности. Чем выше точка наблюдения— тем окружность полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда Солнце поднимается выше 42° над горизонтом, радуга исчезает. Везде, кроме высоких широт, радуга не может появиться в полдень, когда Солнце стоит слишком высоко.
Когда дождь или водяная пыль образуют радугу, полный оптический эффект достигается за счет суммарного воздействия всех капелек воды, пересекающих поверхность конуса радуги. Роль каждой капли мгновенна. Поверхность конуса радуги состоит из нескольких слоев. Быстро пересекая их и проходя при этом через серию критических точек, каждая капля мгновенно разлагает солнечный луч на весь спектр, в строго определенной последовательности – от красного до фиолетового цвета. Множество капель создает эффект непрерывности радуги как вдоль, так и поперек ее дуги.
В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны (Рис. 3.9). Поскольку рецепторы человеческого глаза, работающие при слабом освещении,— «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).
Гало́ (от др.-греч. ἅλως — круг, диск; также а́ура, нимб, орео́л) — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг источника света. Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны (Рис. 3.10), иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни.
Наиболее яркими и полноцветными гало бывают паргелии, зенитная дуга, окологоризонтальная дуга, менее яркими - малое и большое гало. В малом 22° гало различима только часть цветов спектра (от красного до жёлтого), остальная часть выглядит белой из-за многократного смешения преломленных лучей. Большое 46° гало тусклое и мало цветное.
В тусклом лунном гало цветов глазом не видно, что связано с особенностями сумеречного зрения.
Светящийся круг в результате преломления света может быть окрашен в красные тона (реже всеми цветами спектра), и белым – в результате отражения. Ширина кольца такого гало превышает 2,5°. Как 46°, так и 22° гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца.
Существует множество типов гало, но вызваны они преимущественно ледяными кристаллами (Рис. 3.11) в перистых облаках на высоте 5—10 км в верхних слоях тропосферы.
Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу.
Иногда в морозную погоду гало образуется кристаллами очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни (т.н. алмазная пыль), а нижняя часть гало может быть видна на фоне окружающего пейзажа, если Солнце находится достаточно низко над горизонтом.
Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман.
Паргелий (от др.-греч. παρα- и ἥλιος «солнце» — ложное солнце) — один из видов гало, выглядит как светлое радужное пятно на уровне солнца. Возникает вследствие преломления солнечного света в анизотропно ориентированных кристалликах льда, парящих в атмосфере. Аналогичное явление возникает и около луны (парселена).
Паргелический круг— белый, светлый (иногда местами радужный) круг, огибающий все небо параллельно горизонту на высоте облаков. Название обусловлено тем, что все паргелии располагаются на этом кругу (Рис. 3.12). Если кристаллы достаточно равномерно распределены в воздухе, становится видимым полный круг.
Виды паргелиев:
- 22° паргелии — один из самых распространенных элементов гало. Выглядят как два ярких радужных пятна на высоте Солнца, примерно на том же расстоянии от Солнца, что и малое гало (22°);
- вторичные паргелии — при наличии кристаллов в виде толстых ледяных пластинок яркие 22° паргелии могут создать свои ложные солнца (они будут располагаться уже на расстоянии 44° от Солнца);
- 120° паргелии — выглядят как точки на паргелическом круге на расстоянии 120° от Солнца;
- паргелии Лилеквиста — утолщения на паргелическом круге на расстоянии 150—160° от солнца;
- антигелий — на расстоянии 180° от Солнца.
Причиной возникновения антигелий является двойное внутреннее отражение солнечного света. Отраженный луч проходит по тому же пути, что и падающий луч, но в обратном направлении.
Световой или солнечный столб представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами, находящимися в воздухе. Плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если солнце находится на высоте 6° над горизонтом либо за горизонтом, столбовидные — если солнце находится на высоте 20° над горизонтом (Рис. 3.13).
Кристаллы стремятся занять горизонтальное положение при парении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения.
Полярное сияние - явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях. Явление свечения, до некоторой степени близкое полярным сияниям, называемое "свечением ночного неба", можно наблюдать при помощи специальных приборов на любой широте.
Полярные сияния имеют весьма разнообразные формы, включая проблески, пятна, однородные дуги и полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги и короны. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги, которая является одной из самых обычных форм и не имеет лучистой структуры. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же пульсировать с периодом менее минуты. Если яркость сияния увеличивается, однородная форма часто распадается на лучи, лучистые дуги, короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме быстро движущиеся вверх волн света часто венчаются короной.
Около 94% полярных сияний приурочено к высотам от 90 до 130 км над земной поверхностью, хотя для разных форм полярных сияний характерно свое собственное высотное положение. Максимальная до сих пор зарегистрированная высота появления полярного сияния - ок. 1130 км, минимальная - 60 км.
Линии равной частоты возникновения полярных сияний (изохазмы) имеют форму несколько деформированных окружностей с центром, примерно совпадающим с Северным магнитным полюсом Земли, находящимся в районе Туле в северной Гренландии. Изохазма максимальных частот проходит через Аляску, Большое Медвежье озеро, пересекает Гудзонов залив, южную часть Гренландии и Исландию, север Норвегии и Сибири. Аналогичная изохазма максимальных частот полярных сияний для Антарктического региона была выявлена во время исследований, проводившихся в рамках Международного геофизического года (МГГ, 1957 - 1958). Эти пояса максимальной частоты полярных сияний, представляющие собой почти правильные кольца, называются северной и южной зонами полярных сияний.
Наблюдения во время МГГ подтвердили, что полярные сияния появляются почти одновременно в обеих зонах. Исторические материалы свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан.
Результаты фото- и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям. Максимальная активность в течение суток отмечается ок. 23 ч, сезонный же пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним временные интервалы (март - апрель и сентябрь - октябрь).
Продолжительность основных циклов активности полярных сияний составляет примерно 27 дней и ок. 11 лет, поскольку период вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом ок. 11 лет. Эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли. Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах.
Ионосферные наблюдения в радиоволновом диапазоне показывают, что на высотах 80-150 км во время полярных сияний повышается ионизация атмосферы, а при интенсивных полярных сияниях и температура ее верхних слоев.
Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и выражается в баллах по принятой международной шкале.
Слабые полярные сияния, по интенсивности свечения приблизительно соответствующие Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной освещенности тонких перистых облаков - в II балла, а кучевых облаков - в III балла, свету полной Луны - в IV балла.
Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III балла не кажутся разноцветными, так как интенсивность отдельных цветов в них ниже порога восприятия. Полярные сияния с интенсивностью свечения в IV и III балла кажутся цветными, как правило, желтовато-зелеными, иногда - фиолетовыми и красными.
Основная часть излучения испускается азотом и кислородом, главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород обычно придает полярным сияниям желтоватые тона. В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление в атмосферу потока протонов.
Мираж (фр. mirage — букв. видимость) — оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко различными по плотности слоями воздуха. Для наблюдателя такое отражение проявляется в том, что вместе с отдалённым объектом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещённое относительно предмета.
Миражи делят на нижние, видимые под объектом, верхние, — над объектом, и боковые.
Нижний мираж - наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности (Рис. 3.14). Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой.
Верхний мираж - наблюдается над холодной подстилающей поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха растёт с увеличением высоты). Верхние миражи случаются реже, чем нижние, но бывают более стабильными из-за устойчивости температурной стратификации. Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этих случаях, они слабее, менее четкие и менее стабильные. Верхний мираж может быть прямым или перевернутым, в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Часто изображение выглядит как фрагментарная мозаика прямых и перевернутых частей (Рис. 3.15).
Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом (Рис. 3.16).
Это наблюдалось и задокументировано в первый раз в 1596 году, когда судно под командованием Виллема Баренца в поисках Северо-восточного прохода застряло во льдах на Новой Земле. Экипаж был вынужден пережидать полярную ночь. При этом восход Солнца после полярной ночи наблюдался на две недели раньше, чем ожидалось. В 20-м веке это явление было объяснено, и получило название "Эффект Новой Земли".
Таким же образом, корабли, находящиеся на самом деле так далеко, что они не должны быть видны над горизонтом, могут появиться на горизонте, и даже над горизонтом, как верхние миражи. Это может объяснить некоторые истории о полетах кораблей или прибрежных городов в небе.
Когда границей двух воздушных масс является вертикальная плоскость, наблюдаются боковые миражи. Боковой мираж - это отражение от нагретой отвесной стены (Рис. 3.17). Понятно, что в море боковой мираж может наблюдаться только у нагретого солнцем борта судна.
Короны, или венцы, – небольшие концентрические цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками.
Радиус короны меньше радиуса гало и составляет ок. 1–5°, ближайшим к Солнцу оказывается голубое или фиолетовое кольцо. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. В других случаях за пределами ореола видно не менее двух концентрических колец большего диаметра, очень слабо окрашенных. Это явление сопровождается радужными облаками. Во время затмений именно корона окружает затемненное Солнце (Рис. 3.18).
Зеленый луч – вспышка солнечного света изумрудно-зеленого цвета в тот момент, когда последний луч Солнца скрывается за горизонтом. Красная составляющая солнечного света исчезает первой, все прочие – по порядку вслед за ней, и последней остается изумрудно-зеленая. Это явление возникает, лишь, когда над горизонтом остается только самый краешек солнечного диска.
Литература
Гидрометеорологическое обеспечение судовождения - Панов Б.Н. [2020]
