Земную атмосферу изучает наука метеорология как наука о Земле. Наука метеорология изучает строение, свойства и физические процессы происходящих в атмосфере.
Атмосфера как наука о метеорологии
Атмосфера — это газовая оболочка Земли которая формирует основные метеорологические элементы.
Основные метеорологические элементы:
- Солнечное излучение
- Температура воздуха
- Давление и плотность воздуха
- Влажность воздуха
- Ветер
- Облачный покров
- Воздушный поток
- Воздушные массы
- Атмосферные фронты
Атмосфера в виде покрова простирается от поверхности Земли до высоты примерно в 200 км. После этого начинается открытый космос. Общий расчетный вес атмосферы составляет 5, 5х1018 тонн.
Газовая оболочка или воздух — это газ, состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, водяного пара и других вещества. Таким образом, все вместе образует газовую оболочку Земли, которую мы называем атмосферой. Без этой сферы мы вряд ли смогли бы обойтись на Земле. Судя по вертикальному поперечному сечению, атмосфера обладает разнообразными свойствами. Нижняя часть атмосферы, называемая тропосфера содержит 90% всего воздуха. Потому что она ближе к поверхности.
Земля в наибольшей степени подвержена влиянию тропосферы так как она находится в самой нижней части где много водяного пара. Погода и климат, которые влияют на нас, происходят главным образом в тропосфере. 
Атмосфера является жизненно важной только потому, что она содержит воздух, которым мы дышим и формирует основные метеорологические элементы. Она неоднородна –состоит из нескольких слоев, которые имеют свои определенные особенности.
Тропосфера
Тропосфера находится ближе всего к поверхности Земли и достигает высоты около 17 км. Однако эта высота зависит от широты, средней температуры в данной местности и времени года.
На полюсах и в полярных регионах эта высота достигает примерно 6-8 км. Напротив, на экваторе достигает 16-17 км. Масса всей тропосферы составляет 75 % от массы всех газообразных веществ. Почти все метеорологические явления и стихии происходят в тропосфере. Это происходит из-за горизонтальных и вертикальных воздушных потоков. Здесь исчезают и образовываются облака, механическая турбулентность и погодные условия. Тропосфера также содержит почти всю атмосферную влагу.
Главным свойством является понижение температуры воздуха с увеличением высоты, а это примерно на 0,65°C на каждые 100 метров высоты. В переходном слое, называемом тропопаузой, понижение температуры воздуха с высотой прекращается, и температура остается практически постоянной.
Толщина тропопаузы составляет около 2 км.
Стратосфера
Стратосфера простирается на высоту 50 км от тропопаузы. Нижний слой стратосферы – используется авиацией. Типичным для этой сферы является то, что погодные явления здесь не формируются и не проявляются.
Преобладает горизонтальный поток, а вертикальный поток минимален. В середине толщины этого слоя воздух начинает прогреваться, а на верхнем пределе, то есть около 50 километрах над уровнем моря, он холодный.
Мезосфера
Мезосфера простирается от высоты 50 км до 80 км. Здесь дует очень изменчивый ветер и характерно для этого слоя я снижение температура воздуха от -40°C до -90°C.
Термосфера
Термосфера находится на высоте от 80 км до 500 км над уровнем моря. — 600 км. Как правило, температура воздуха повышается до 1500°C. Для значительного количества электрически заряженных частиц это сфера обладает хорошей электропроводностью и, что самое важное, главная стихия здесь — северное сияние.
Экзосфера
Последний слой атмосферы — это экзосфера. Все начинается с 800 км и свободно выходит в открытый космос. На расстоянии примерно в 20 000 – 40 000 км заканчивается граница экзосферы.
Основные метеорологические элементы
Солнечное излучение как метеорологический элемент
Поверхность Земли нагревается под воздействием солнечной радиации.
Этот эффект также нагревает воздух. Количество солнечного света, падающего на поверхность Земли в значительной степени влияет на климат отдельных ландшафтов.
Излучение определяется наклоном (углом), под которым оно падает на поверхность Земли. Количество солнечной энергии падающее на поверхность Земли, растет от полюсов к экватору. Полярные круги и тропики это создает воображаемые границы с различным количеством солнечного света. Поверхность Земли может таким образом, разделитесь на температурные диапазоны с разным климатом.
Температура воздуха и адиабатический процесс
Изменение температуры воздуха с высотой на каждые 100 м характеризуется так называемым вертикальным температурным градиентом, который изменяется в зависимости от высоты над поверхностью Земли, днем и ночью, в зависимости от погодных условий.
В тропосфере, самом нижнем слое атмосферы, температура воздуха снижается на 0,65°C на каждые 100 метров. Температурный градиент указывает на стабильность температурного слоя. Из-за нестабильной температурной стратификации в атмосфере развивается вертикальный обмен, который называется заменой конвекции.
Разница между охлаждением адиабатически выходящего объема воздуха и изменением температуры с высотой в окружающей атмосфере, выраженной в температурном градиенте, является определяющим фактором стабильности или нестабильность температурного слоя. При стабильной температуре она подавляется, а при нестабильной в атмосфере развивается вертикальный обмен, который мы называем конвективным обменом (конвекцией).
Давление и плотность воздуха
Атмосферное давление, или барометрическое давление, — это давление, прямо пропорциональное давлению воздуха.
Давление воздуха выражается в паскалях. На поверхности Земли оно чаще всего находится в диапазоне от 980 до 1040 ГПа. Стандартное давление воздуха на уровне моря составляет 1013,25 ГПа. Чем теплее воздух, тем ниже и наоборот, чем холоднее воздух, тем большей плотностью и давлением он обладает.
Измеряя давление с помощью специальных приборов, мы определяем высоту над уровнем моря.
Влажность воздуха
Важную часть воздуха составляют водяные пары. Влажность — это количество пара содержится в воздухе. Испарение — это процесс, при котором водяной пар попадает в воздух. Этот процесс прекращается в тот момент, когда воздух насыщается водяным паром. Максимальная влажность воздуха или максимальное насыщение воздуха водяным паром напрямую зависит от температуры воздуха. Влажность воздуха может быть по-разному выражена в абсолютной влажности, относительной влажности воздуха, удельной влажности, насыщающая добавка и точка росы.
Ветер
Воздух только в исключительных случаях находится в состоянии покоя.
Постоянно происходят вертикальные и горизонтальные перемещения. Таким образом, ветер — это движение воздуха вдоль земной поверхности. Обычно мы измеряем с помощью метеорологических приборов только горизонтальную составляющую, однако ветер имеет и вертикальную составляющую. Сила, которая вызывает значительные изменения как в скорости, так и в направлении ветра, называется силой трения. Эти сила воздействует на воздух, который перемещается в приземном слое атмосферы.
Облачный покров
Облачность — это степень покрытия неба облаками. Мы различаем дневные и ночные облака. Это влияет на суточный ход облачного покрова многие факторы включают, например, природу адвекции, тип воздушных масс, время изменение температурной стратификации.
Воздушный поток
Воздушный поток работает по принципу перепада давления в атмосфере Земли. Если на воздушную массу будет действовать со всех сторон одинаковое давление, тогда она будет оставаться в равновесии состояния. Однако, если давление оказывается с одинаковой силой с разных сторон, воздух начинает сжиматься двигаясь в направлении от более высокого давления к более низкому. Скорость потока зависит от изменений давления на горизонтальном расстоянии, так называемый горизонтальный градиент давления.
Мы различаем два основные типы потоков: адвекция, при которой преобладают горизонтальные движения воздуха, а затем конвекция, при которой преобладает вертикальный поток воздуха.
Воздушные массы
Понятие воздушной массы — это большая масса, размером от сотен до тысяч кубических метров, которая имеет очень похожие физические свойства. К таким свойствам относятся, например, температурное расслоение, прозрачность, влажность. Другие физические свойства приобретает воздушная масса, находящаяся в них длительное время под воздействием на определенной территории.
Воздушные массы делятся на четыре группы: экваториальные, тропические, умеренные или полярные и Арктические (также Антарктические). Перемещая воздушные массы, они сохраняют свои свойства в течение длительного времени и вместе с ними влияют на окружающую среду, но не сохраняют их постоянно.
Процесс, посредством которого данная воздушная масса изменяется в зависимости от окружающей среды, называется преобразованием воздушной массы.
Кроме того, воздушные массы подразделяются на теплые и холодные. Если горячий воздух перемещается в холодную среду, таким образом, нагревая окружающую среду, но затем она постепенно остужается. Для холодного воздуха верно обратное.
Атмосферные фронты
Атмосферные фронты — это довольно узкие переходные слои, разделяющие воздушные массы, обладающие различными свойствами (температура, влажность). Длина достигает нескольких сотен километров, ширина которых обычно составляет всего несколько десятков километров. По вертикали фронты состоят из нескольких километры в длину, часто доходящие до тропопаузы. В соответствии с его специфическими характеристиками мы различаем:
Теплый фронт
Теплый фронт наблюдается, когда более легкий и теплый воздух попадает в массу холодного воздуха. Из-за того, что холодный воздух тяжелее и ему мешает земная поверхность, более легкий более теплый воздух начинает выходить наружу вслед за холодным воздухом, поднимающимся вверх. Этот процесс вызывает конденсируется водяной пар и создается массивная облачная система – высокие облака, слоистые облачность. Теплый фронт обозначен на синоптических картах красной линией с полукругами.
Холодный фронт
Холодный фронт наблюдается, когда более тяжелый холодный воздух переходит в массу теплого воздуха. Он имеет форму клина, который скользит под потоком теплого воздуха. В то время как холодный воздух тяжелее и замедляется из-за трения о поверхность Земли, это фронтальная граница раздела очень крутая. Затем теплый воздух резко поднимается на границе раздела воздушных масс с высотой, которая сильно влияет на тип и форму облака. Там, где сходятся два фронта это называется точкой окклюзии (закупорки). Существует два типа холодного фронта: быстрый и медленный.
Холодный фронт обозначен на синоптических картах синей линией с треугольниками в направлении движения.
Для возникновения окклюзионного фронта необходимо наличие теплого и холодного фронтов. Для создания окклюзии, когда более быстрый холодный фронт догоняет более медленный теплый фронт, и их коллизия. Основной принцип окклюзионного фасада заключается в том, что теплый воздух попадает вниз и холодный воздух выталкивается и поднимается вверх.
Формирование давления
Напорные пласты делятся в зависимости от способа их образования, вертикального и горизонтального размера, основываясь на температуре воздуха, продолжительности формирования давления и т.д.. Можно точно определить барическое поле и его зависимость от температуры. Изобары есть типа трубопровода, соединяющего воздух с одинаковым давлением.
Изобары создают различные формы и кривые, которые отображаются на картах.
Благодаря этим картам мы можем выделить несколько типов образований:
а) область высокого давления — антициклон
Антициклон — это область высокого давления воздуха, ограниченная по крайней мере, на замкнутой изобаре. Центр самого высокого атмосферного давления находится в центре зоны высокого давления воздуха. На картах этот центр обозначается буквой V –выше. От самого высокого атмосферного давления, которое находится в центре этого образования, давление в направлении к краям уменьшается. Под антициклоном мы можем представить область с горизонтальными размерами от многих сотен до тысяч километров в диаметре.
Характерной особенностью высоты давления является нисходящий поток из верхних слоев из тропосферы к поверхности Земли, на которой происходит постепенное потепление и высыхание воздуха. На Земле этот теплый воздух движется от центра антициклона к его краю. Этот процесс приводит к вращению всей массы в северном полушарии по часовой стрелке. В южном полушарии все наоборот. Эти вращения вызывают инерцию атмосфера Земли, вызванная вращением Земли вокруг своей оси – силой Кориолиса, которая на экваторе почти не проявляется, на полюсах сила крупнейшая.
Из-за преобладающего нисхождения воздушных потоков, высокое давление в основном при хорошей погоде. Этот процесс, однако, не может быть подтвержден из-за погодных условий.
б) борозда низкого давления
Это вытянутый выступ области низкого давления воздуха. Это разделяет два вида давления. Самое низкое давление возникает по оси борозды.
в) зона низкого давления — циклон
Циклон низкого давления, по крайней мере, один раз граничит с антициклоном. Центр самого низкого атмосферного давления находится в середине зоны низкого давления воздуха. На картах этот центр обозначается буквой N-ниже.
Характерный для низкого уровня давления — это всасываемый воздух и восходящий поток от поверхности Земли к более высоким уровням. Циклон вращается против часовой стрелки в северном полушарии под действием силы Кориолиса, а в южном полушарии — полностью в обратном направлении или по часовой стрелке. Однако проявления погодных условий зависят в зависимости от времени года и места происшествия. Летом циклон очень сильный, ветер и непрекращающийся дождь. В зимние месяцы происходит потепление воздуха.
г) гребень высокого давления
Это удлиненный выступ высокого давления воздуха или разделяющая полоса. Самое высокое давление возникает в области оси гребня.
Таким образом, основные метеорологические элементы формируются в атмосфере, а земную атмосферу изучает наука метеорология.
