Дипломная работа

от 20 дней
от 7 499 рублей

Курсовая работа

от 10 дней
от 1 499 рублей

Реферат

от 3 дней
от 529 рублей

Контрольная работа

от 3 дней
от 79 рублей
за задачу

Билеты к экзаменам

от 5 дней
от 89 рублей

 

Курсовая Атмосферное давление.Влияние на окружающую среду и человека - Физика

  • Тема: Атмосферное давление.Влияние на окружающую среду и человека
  • Автор: Валерий
  • Тип работы: Курсовая
  • Предмет: Физика
  • Страниц: 37
  • ВУЗ, город: Волгоград
  • Цена(руб.): 1500 рублей

altText

Выдержка

ссаты, так как они замаскированы сильной циклонической активностью атмосферы, о которой мы расскажем ниже.
В поясе широт 200-300 в результате циркуляции в ячейках Хэдли и Ферелла происходит опускание воздуха. К земной поверхности , таким образом, поступает сухой верхний воздух. Поэтому не случайно, что в этом же широтном поясе находятся пустыни южного полушария в Южной Америке, Африке, и Австралии и северного полушария в Северной Америке, Африке и Аравии. Великие пустыни Азии смещены к 300-400 широты. Это объясняется возмущением идеализированной системы циркуляции атмосферы, которое вносится гигантской Евразией.

Погода. Циклоны и антициклоны
Непериодические изменения погоды зависят от возникновения и передвижения особых областей с весьма характерным распределением барометрического давления и прочих метеорологических элементов. Эти области - особые образования в атмосфере, - настоящие вихри. Это циклоны, при которых преобладает пасмурная погода с сильными ветрами. Циклоническая деятельность способствует междуширотному обмену воздуха и является важнейшим фактором общей циркуляции атмосферы. Антициклоны характеризуются опусканием теплого воздуха, а также понижением относительной влажности воздуха. В летний период антициклон приносит жаркую, малооблачную погоду с редкими и непродолжительными дождями, в зимний период стабильный характер антициклонов способствует морозной погоде и возникновению туманов.
Мы очертим внешние, типические особенности погоды в таких вихрях и подробно рассмотрим механизм этих характерных явлений и господствующие в настоящее время в науке взгляды на причины, вызывающие возникновение и перемещение их в атмосфере. Необходимо, предварительно напомнить общие характерные черты названных вихрей.
Циклоном, или барометрическим минимумом, барометрическою депрессией называют обыкновенно область значительно по сравнению с окружающим районом пониженных давлений. От некоторого центра, в котором давление будет самым низким, это последнее увеличивается во все стороны. Если вблизи такого центра провести линии равных давлений (изобары), то эти линии сомкнутыми овалами будут расходиться от центра во все стороны. Вызванные таким распределением давления воздушные потоки под влиянием центробежной силы от вращения Земли вокруг оси и трения воздушных масс о земную поверхность будут приближаться к центру барометрического минимума, описывая спирали, закручивающиеся обратно часовой стрелке в северном и по часовой стрелке в южном полушарии. Различные части такого вихря будут отличаться и различною погодою. В огромном большинстве случаев изобары в барометрическом минимуме оказываются овалами, вытянутыми по направлению поступательного движения. Если разделить вихрь на две половины большою осью, параллельною направлению его движения и проходящею чрез центр наименьшего давления; если провести затем чрез центр малую ось овала, перпендикулярную к первой, то область минимума разделится проведенными линиями на правую и левую относительно направления движения, переднюю и заднюю его половины, - на 4 квадранта. Передняя половина минимума будет, каково бы ни было направление его движения, отличаться повышенною, по сравнению с окружающим районом, температурою, увеличенною облачностью с тяжелыми, плотными массами облаков, обложными, продолжительными осадками и усиливающимся до некоторого расстояния от центра ветром. Задняя половина минимума будет, напротив, отличаться постепенным, по мере удаления от центра, понижением температуры, уменьшением облачности с преобладанием разорванных форм облаков, ветром и осадками, переходящими из обложных в короткие шквалы и ливни, все реже и реже налетающие. Указанное отношение температур в обеих половинах относится к холодному времени года; в теплое же время оно будет обратным предыдущему. Так как в средних широтах северного полушария барометрические минимумы обыкновенно движутся от ЗЮЗ к ВСВ, то лежащая к северу от их главной оси, левая половина всегда будет по сравнению с южной более холодною, с менее плотными облаками и менее интенсивными осадками. Наконец, при прохождении минимума севернее места наблюдения ветер в этом последнем будет менять свое направление в нашем полушарии по часовой стрелке; при прохождении центра к югу от места наблюдения он будет меняться обратно часовой стрелке.
В антициклоне, или барометрическом максимуме, погода в области вихря будет совершенно отлична от таковой же в циклоне. Слабые ветры, раскручивающиеся по весьма пологим спиралям от центра высокого давления к периферии вихря по часовой стрелке в северном полушарии, и в обратном в южного. Малая облачность с сопровождающими ее большими амплитудами температурных колебаний, туманы и росы по ночам летом, сильные охлаждения, быстро переходящие в интенсивные морозы в зимнее время, - таковы типичные черты погоды в антициклонах. Наконец, если припомнить весьма большую подвижность барометрических минимумов и сравнительно большую устойчивость максимумов, то перечисленные особенности дадут достаточно полное представление о внешнем облике этих вихрей.
Механизм возникновения подобных вихревых систем вполне удовлетворительно разъяснен теоретическими исследованиями Ферреля, а также Гульдберга и Мона. Представим себе, что вследствие возникшей каким бы то ни было образом разности давлений воздуха в двух соседних точках земной поверхности началось перемещение масс воздуха от места с более высоким давлением к месту с меньшим давлением. Так как всякое перемещение всегда будет стремиться к пути наименьшего сопротивления, а следовательно, при прочих равных условиях и наименьшей длины, то, если бы не было никаких возмущающих обстоятельств, движение направилось бы по прямой, соединяющей названные точки; проведя через взятые точки изобары, т. е. линии равных давлений, в силу того же мы получили бы всегда движение по нормали к изобаре, или по направлению наибольшего градиента. Вследствие действия центробежной силы, возникающей при суточном вращении земли около своей оси, всякое тело, переходя от одной точки земной поверхности к какой угодно другой, не может двигаться по прямой, соединяющей два рассматриваемых пункта, а непременно отклонится от своего первоначального направления вправо в северном полушарии, влево в южном. Величина отклоняющего действия центробежной силы будет изменяться в зависимости от синуса широты места: она будет наибольшею на полюсах, 0 на экваторе. Но, кроме того, пришедшие в движение массы воздуха будут испытывать еще трение как о те поверхности, вдоль которых им приходится перемещаться, так и об окружающие, неподвижные или перемещающиеся в других направлениях массы воздуха. Назовем через G величину градиента, т. е. силу, движущую рассматриваемую массу; это будет падение давления на единицу длины или, точнее,
Пусть далее будет ω - угловая скорость вращения точек земной поверхности в единицу времени, v - скорость ветра (т. е. длина, проходимая рассматриваемой массой воздуха в единицу времени), φ - широта данного пункта и ρ - радиус кривизны той траектории, по которой движется рассматриваемая масса воздуха. Тогда, при установившемся движении, движущая сила будет
где знак + соответствует циклоническому, знак - антициклоническому движению. Первый член правой части написанного выражения есть отклоняющая сила вращения земли около оси, второй член - слагающая движения, зависящая от инерции движущейся массы. Написанное выражение имеет место в том случае, когда трение отсутствует. Если ввести трение воздушных масс, то, кроме написанных выше величин, в уравнение движения масс воздуха войдут еще коэффициент трения k и слагающая, зависящая от величины трения, заставляющая частицу воздуха отклониться от направления градиента (т. е. от нормали к изобаре) на угол α. Тогда:

и, наконец,
или для слабо искривленных траекторий, когда ρ - очень велико (т. е., главным образом, в антициклонах)
Эти простые формулы дают полное выражение того, что происходит с воздушными массами в районе образовавшегося вихря; они показывают, что в тех случаях, где k очень мало, движение воздушных масс будет происходить по направлениям, близким к касательной изобары в данном пункте или почти перпендикулярно к направлению градиента. При постоянных k и φ угол α будет также величиною постоянною, и массы воздуха в установившемся вихревом движении будут двигаться по логарифмическим спиралям, отличающимся именно указанным постоянством угла между касательною и радиусом кривизны. С изменением широты места угол α, при прочих равных условиях, должен изменять свою величину, увеличиваясь от экватора к полюсу. Наконец, при слабо искривленных траекториях он не зависит от скорости ветра. Проверка этих теоретических заключений данными, полученными из наблюдений, показывает вообще, что эти последние достаточно хорошо совпадают с теоретическими выводами. Но в образовавшемся вихревом движении, при котором массы воздуха будут двигаться по логарифмическим спиралям, приближаясь к центру вихря в случае циклона, удаляясь от центра при антициклоне, приходится считаться еще со следующим. По мере приближения к центру вихря площадь, занимаемая массами воздуха, будет все более и более суживаться. Если скорость движения воздушных масс не будет возрастать пропорционально уменьшению площади, занимаемой данною массою воздуха, то должно существовать в циклоне еще восходящее движение этих масс. Наблюдения показывают, что скорость ветра с приближением к центру циклона, возрастает только до ⅔ радиуса этого последнего, где она достигает максимума; с дальнейшим приближением к центру вихря скорость ветра снова уменьшается, а в центре даже падает до 0. С другой стороны, массы воздуха, ранее скопившегося близ центра вихря, вытесняемые все новыми, притекающими от периферии, должны себе найти выход. Таким образом, восходящее движение, усиливающееся по мере приближения к центру циклона, есть необходимое следствие установившегося вихревого движения, притом достигающее наибольшей силы в центральной части вихря. Таким же точно образом, необходимо допустить нисходящее движение воздушных масс в антициклоне, являющееся прямым следствием увеличения занимаемой данною массою воздуха площади при удалении этих масс от центра вихря, с одной стороны, и заполнения образующегося при оттоке от центра разрежения, с другой. Эти восходящие и нисходящие потоки и определяют все особенности погоды в обоих типах вихрей. Подымаясь кверху и расширяясь вследствие уменьшения давления с высотой, массы воздуха будут охлаждаться по мере поднятия почти на 1° С на каждые 100 м высоты, пока воздух не насыщен содержащимися в нем водяными парами. Как только насыщение водяными парами достигнуто, понижение температуры с возрастанием высоты уменьшается и будет тем меньше, чем выше начальная температура поднимающейся массы и чем меньше начальная упругость. Отсюда - большая облачность в Ц., сопровождающаяся обильными осадками; отсюда же типичная ясная погода антициклона, в котором нисходящие массы воздуха, нагреваясь на 1° на каждые 100 м опускания, все больше и больше удаляются, по мере понижения, от точки насыщения. Прибавим к сказанному еще влияние распределения температуры на области, охваченной вихрем, и в соседних с ним местностях, и тогда станут понятными дальнейшие частности погоды в различных частях циклона.
Рассмотрим механизм возникновения циклонов.
Вихревые движения атмосферы вызваны потерей устойчивости потока. Наиболее известный пример этого гидродинамического явления – турбулизация ламинарного потока жидкости или газа.
Объясним качественно явление потери устойчивости потока на примере турбулизации ламинарного течения со сдвигом. Под сдвигом понимают изменение скорости течения в направлении, перпендикулярном потоку. В потоке может возникнуть флуктуация движения, в результате которой элемент среды около точки А начинает двигаться перпендикулярно потоку. Через какое-то время элемент приходит в точку В. В нее элемент приносит с собой то значение скорости потока, которое он имел в точке А. Тем самым он возмущает исходный поток в точке В. В силу неразрывности среды движение элемента приводит к смещению соседних с ним элементов среды, которые занимают места, освобождающиеся по мере движения элемента. Соседние же элементы среды, смещаясь, вызывают движение элементов их окружающих, и т.д. в результате весь поток оказывается возмущенным.
На поток со сдвигом накладывается система хаотичных, случайных движений, которая выглядит как система соседствующих друг с другом вихрей. Молекулярная вязкость среды тормозит движение элементов. Чтобы начальная флуктуация заданной силы могла развиться в вихрь, исходный элемент, прежде чем он будет остановлен вязким трением, должен успеть дойти до такой точки В, в которой скорость потока существенно отлична от скорости в точке А. Но это означает, что поток может быть турбулизован только в случае большого сдвига скорости течения.
Аналогично возникновение вихрей в атмосфере происходит в результате потери устойчивости воздушных потоков, характеризуемых большим сдвигом ветра. При этом протяженность потоков должна быть много дольше размеров вихрей. Выше было показано, что межширотные течения в конвективных ячейках благодаря действию силы Кориолиса получают зональную составляющую ветра, называемую далее зональным ветром. Поток воздуха вдоль параллели является протяженным, так как обходит всю планету, и имеет сдвиг, поскольку зональный ветер меняет знак с изменением широты. Зональные потоки могут иметь сильные сдвиги ветра не только в меридиональном, но и в вертикальном направлении. Большие вертикальные сдвиги ветра возникают в струйных течениях атмосферы, огибающих Землю вдоль параллели. На осях струй, находящихся вблизи высоты 12 км, скорость зонального ветра доходит зимой до 60 м/с. для сравнения укажем, что в тропосфере – нижнем слое атмосферы до высоты примерно 15 км – характерная скорость ветра равна 10 м/с.
Циклоны средних и высоких широт возникают при потере устойчивости зонального потока со сдвигом. Лабораторные эксперименты позволяют в этом убедиться. Однако потеря устойчивости зонального потока дает лишь «зародыш» циклона. Образовавшись, зародыш живет по своим законам. Циклон сначала усиливается – происходит дальнейшее уменьшение давления в его центре и увеличение скорости ветра, а затем деградирует. Время жизни циклона от возникновения до исчезновения 3-4 суток. Разгон воздушной массы в усиливающемся циклоне происходит за счет перехода в кинетическую энергию потенциальной и тепловой энергии атмосферы, запасаемой в результате неравномерного (увеличивающегося от полюсов к экватору) нагревания атмосферы солнцем. Направленная к центру циклона сила давления приводит к тому, что в слое, примыкающем к поверхности, ветер имеет составляющую, направленную туда же. Сила Кориолиса отклоняет движение элементов воздуха вправо в северном полушарии и влево в южном. Поэтому траектории элементов воздуха указанном слое представляют собой сходящиеся к центру циклона спирали. Системе циклонов сопутствуют антициклоны – области повышенного давления. В антициклонах ветер слабее, чем в циклонах, так как существует физический запрет на его увеличение. Система циклонов и антициклонов, находящихся на разных стадиях развития и двигающихся в зональном потоке с запада на восток, в основном определяет погоду средних и высоких широт. Как правило, горизонтальное распределение давления выглядит более хаотичным, чем на рис 3.
В отличие от циклонов средних и высоких широт, тропические циклоны – явление довольно редкое. За год над океанами в тропиках возникает и движется в сторону высоких широт всего около 50 тропических циклонов. Энергия ветра, доходящего до 110 м/с, черпается из теплоты парообразования, выделяемой при конденсации водяного пара в сопровождающих тропический циклон ливневых облаках. Циклон усиливается и существует до тех пор, пока требуемое количество водяного пара доставляется стягивающимися к его центру приповерхностными потоками воздуха. Когда циклон выходит на сушу или оказывается над относительно холодным океаном внетропических широт, то ослабевает испарение, обогащающее воздух водяным паром и циклон затухает.
В описанных основных процессах нагревания и охлаждения с изменением высоты (которые являются необходимым следствием возникшего вихревого движения), кроются в значительной мере и те причины, вследствие которых вихрь приходит в более или менее быстрое поступательное движение, или становится стационарным, оставаясь иногда в течение продолжительного времени неизменным на одном и том же месте. Антициклонический вихрь, как только он возник, уже в самом себе носит условия стационарности - условия очень малых скоростей поступательного движения. Являясь мало зависимым от местных влияний, антициклон поддерживается исключительно массами воздуха, которые опускаются из верхних слоев атмосферы, где температурные и другие условия весьма однородны на очень большом протяжении. Антициклон уже этой независимостью от условий, существующих в нижних слоях атмосферы, обречен на несравненно большую устойчивость, или стационарность, нежели вихрь циклонический. Слабость ветров и отсутствие в нем больших градиентов еще более увеличивают его стационарность. Только в том случае, когда антициклон достигает большой высоты и, своею верхнею частью войдет в верхние, имеющие определенное поступательное движение, слои атмосферы, вихрь будет перемещаться по земной поверхности, медленно увлекаемый этими верхними течениями. Так как общее движение на больших высотах в средних и высоких широтах направлено вообще от З к В, то и направление перемещения антициклона будет вообще то же, если только другие условия, в виде подобных же вихрей циклонического или антициклонического характера, не будут препятствовать этому, Затем перемещения антициклона могут быть вызваны также чисто механическим давлением других вихрей, образующихся по соседству. Для циклона направление перемещения также до известной степени связано с движением атмосферы. Особенно характерным образом это влияние атмосферы на направление движения циклона сказывается на тропических ураганах, отличающихся от циклонов средних широт только своими размерами и более резко выраженным характером всех типических свойств этих вихрей. Вообще все вихри циклонического характера обнаруживают тенденцию двигаться от экватора к полюсам, как вихри антициклонического типа - обратную. Возникая в узкой полосе между 6° с. ш. и тропиком, ураганы северного полушария движутся сначала от юго-востока к северо-западу, так как движение атмосферы в полосе между экватором и тропиком направлено именно от востока к западу. Перейдя через тропик, ураганы резко меняют направление движения и от юго-запада движутся теперь уже к северо-востоку, опять следуя общему направлению движения атмосферы. Траектория их движения имеет, таким образом, вид параболы, обращенной выпуклостью к западу. Но, кроме этой общей причины, до известной степени определяющей общее направление движения циклона, на перемещение этих последних сильно влияют местные условия, - особенно температура и влажность в районе, окружающем образовавшийся вихрь, - влияют иногда настолько сильно, что под влиянием этих местных условий движущийся уже по определенному направлению циклон нередко полностью изменяет направление своего движения и описывает сложные и запутанные траектории, иногда образуя даже ряд петель.
Всасывая и подымая вверх в своей центральной части огромное количество воздуха, который затем вверху растекается во все стороны, циклонический вихрь в своем поступательном движении, захватывая все новые и новые массы воздуха, должен быть уподоблен волне, перекатывающейся в воздухе с места на место. Но, если вихрь этот не связан с определенными массами воздуха, если, далее, массы эти, поднимаясь вверх и охлаждаясь по мере поднятия, будут отдавать здесь содержащиеся в них водяные пары, то, как было показано, очень важно, каковы будут их начальная температура и влажность. Чем влажнее притекающий воздух, тем скорее достигнет он при подъеме насыщения водяными парами; а чем он теплее, тем больше отдаст он окружающим массам скрытой теплоты, выделяющейся

 

НАШИ КОНТАКТЫ

Skype: forstuds E-mail: [email protected]

ВРЕМЯ РАБОТЫ

Понедельник - пятница 9:00 - 18:00 (МСК)

ПРИНИМАЕМ К ОПЛАТЕ