Рис. 6. Тепловое излучение
СУТОЧНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
Суточные изменения прогрева земли очень важны для определения пилотами погоды: атмосфера спокойная или условия парящие. Нам нужно понимать, что солнечное излучение начинается с восходом солнца и увеличивается до максимума в полдень (по местному времени), а затем снижается до нуля с заходом солнца.
Пока прогрев превышает отдачу тепла, идет нагревание поверхности. Поверхность имеет максимальную температуру через некоторое время после полудня, около 15:00 (рис. 7). Это обычно время максимальной термической активности.
Рис. 7. Суточный цикл прогрева
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ
На рисунке 8 мы видим сезонные различия солнечной активности. Пик прогрева в течение дня приходится на полдень, но он намного меньше зимой (когда солнце дольше отсутствует) и максимальный летом. Время равноденствия, когда солнце над экватором. Естественно, что наибольшее количество тепла получают районы, близкие к экватору. Во время всех этих различных тепловых циклов, максимум температуры земли и термической активности соответствует показанному на рисунке 7.
Очень важно помнить и это видно на графике (рис. 8), что различные склоны обогреваются по-разному. Например, во время равноденствия восточные склоны в 8:00 получают столько же тепла, сколько и горизонтальная поверхность в полдень, а западные склоны в 16:00. Причина сезонных изменений в количестве солнечного тепла двояка: наклон земной оси относительно плоскости орбиты вращения земли вокруг солнца и эллиптическая форма этой орбиты.
Рис. 8. Сезонный прогрев
Эта особенность проиллюстрирована рисунком 9. Здесь мы видим, что когда земля наклонена северным полушарием от солнца, то это полушарие получает меньшее количество солнечного света и освещено меньшее время каждые сутки. То есть в северном полушарии зима, а в южном лето. На другой стороне орбиты в северном полушарии лето, а в южном зима. Интересный факт, когда северное полушарие отклонено от солнца, земной шар находится ближе к нему (рис. 9) и наоборот. Результатом этого является то, что в северном полушарии зимы мягче, а лето не такое жаркое. Так не было всегда, о чем свидетельствуют археологические изыскания.
Рис. 9. Изменение прогрева полушарий
Обратная ситуация в южном полушарии. Летом должно быть очень жарко, а зимой холодно. Погоду смягчает только то, что в южном полушарии большая часть поверхности занята водой, что несколько выравнивает температуру. И все-таки немногие люди живут южнее 38-ой параллели в южном полушарии, избегая суровой зимней погоды.
Сезонные изменения очень важно знать пилотам, чтобы понимать погодные условия, которые они несут:
Зима — холодно, большая плотность воздуха, временами сильный ветер, стабильный воздух.
Весна — изменение условий с холодными фронтами, несущими нестабильность воздуха и высокую термичность.
Лето — жарко и влажно, плохие условия для парения во влажных районах, но хорошая термическая активность с интенсивными прогревами в сухих.
Осень — холодные фронты и нестабильный воздух с термичностью в северных районах.
ВОДЯНЫЕ ПАРЫ
Вода постоянно и сильно влияет на погоду, потому что она занимает большие площади и присутствует в воздухе в качестве паров и как облака. Полное количество водяных паров, находящихся в атмосфере, более чем в шесть раз превышает количество воды, во всех реках земного шара! Даже самый маленький ливень — это тысячи тонн воды, а дождь над площадью, эквивалентной площади штата Орегон — это 8 миллионов тонн воды. Водяные пары образуются из открытых водоемов и туда же возвращаются.
Водяные пары — это газообразная фаза воды, а облака состоят из мельчайших капелек воды, которые конденсируются из пара. Условия образования облаков из пара называется точкой росы. Точка росы для данной порции воздуха зависит от его влажности и дается как температура.
ВЛАЖНОСТЬ
Абсолютная влажность измеряется как количество паров воды в данном объеме воздуха (г/м3).
Абсолютная влажность изменяется от 1/10000 до 1/40 в зависимости от испарений и температуры.
Относительная влажность измеряется в процентах как отношение фактического количества водяных паров в воздухе к максимально возможному при данной температуре. Относительная влажность дается в процентах и изменяется от нуля для теплого, сухого воздуха, до 100 % для насыщенного.
Мы должны понимать, что в теплом воздухе может раствориться больше водяных паров, чем в холодном. Следовательно, теплый воздух будет иметь более низкую относительную влажность, чем холодный при одинаковой абсолютной влажности. Мы можем увеличить относительную влажность данного объема воздуха путем его охлаждения. Если воздух достаточно остыл и его относительная влажность приближается к 100 % или насыщен, то начинают формироваться облака. Эта температура насыщения есть точка росы, о чем говорилось выше. Мы рассмотрим процесс облакообразования в главе 3.
Холодный воздух зимой всегда более близок к насыщению, чем летом, потому что он может растворить меньшее количество паров. Этот факт — плохая новость для пилотов, потому что, в основном, зимой большее количество облаков, более быстрое выпадение осадков и более низкая база облаков, потому что холодному воздуху нужен меньший подъем для насыщения. Когда мы согреваем холодный воздух в нашем доме зимой, мы уменьшаем относительную влажность и нам кажется, что воздух зимой более сухой. В данном случае изменяется относительная влажность, а не абсолютная.
УДИВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Вода может быть в трех формах: твердой, жидкой и газообразной. Есть некоторые уникальные свойства, которые отводят ей специальную роль в формировании погоды (рис. 10).
Рис. 10. Свойства воды
Для начала вода имеет высокую теплоемкость. Вода может поглощать солнечную радиацию без существенного увеличения температуры. Следовательно, вода днем прохладнее, чем земная поверхность, а ночью теплее, так как медленнее отдает полученное за день тепло. Ночью, медленно отдавая тепло, вода согревает воздух, что приводит к его нестабильности на побережье. Нагретая вода может согревать холодный зимний воздух, что приводит к "водной термичности", которую мы рассмотрим в главе 9. Результат эффекта смягчения температуры водой заключается в том, что зимой в непосредственной близости от воды воздух согревается, а летом охлаждается.
Это заметно в Англии и Франции, а также на территориях в высоких широтах, таких как штат Нью-Йорк, Онтарио, Британская Колумбия, где растут фруктовые сады и виноградники. Но следующее свойство воды еще важнее для нашего климата. Вода имеет уникальное свойство — замерзая, расширяться, что делает лед более легким, чем жидкость. Лед плавает. Как результат, только относительно тонкие ледяные поля покрывают открытые водоемы. Эти поля могут легко таять с поглощением тепла из окружающей среды. Если бы лед не плавал, он мог бы постепенно собираться на дне водоемов до полного их оледенения. Они медленно таяли бы в течении лета и понизили бы температуру по всему миру, во всяком случае, в районах с умеренным климатом точно.
