Презентация на тему «Атмосфера Земли и погода»

Слайд 1. Атмосфера Земли и погода

• Строение воздушной оболочки, механизмы циркуляции воздуха и формирование погоды

Доклад: Здравствуйте! Тема моей презентации — «Атмосфера Земли и погода». Мы разберём, как устроена воздушная оболочка планеты, откуда берутся ветер, облака и осадки и почему прогноз погоды сегодня стал точной расчётной задачей. Работа опирается на классические учебники метеорологии и климатологии и на современные данные наблюдений.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Атмосфера как оболочка Земли
• Из чего состоит воздух
• Строение атмосферы по высоте
• Тропосфера — «кухня погоды»
• Солнечная радиация и радиационный баланс
• Атмосферное давление
• Ветры Земли
• Общая циркуляция атмосферы
• Вода в атмосфере: влажность и облака
• Атмосферные осадки
• Воздушные массы и атмосферные фронты
• Циклоны и антициклоны
• Погода и климат
• Опасные атмосферные явления
• Метеорологические наблюдения и приборы
• Как составляется прогноз погоды
• Учёные, создавшие метеорологию
• Атмосфера и изменение климата
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Перед вами содержание доклада. Сначала мы посмотрим на атмосферу как на целостную оболочку: её массу, состав и вертикальное строение. Затем перейдём к физическим механизмам погоды — теплу, давлению, ветру и воде в воздухе. В финале речь пойдёт о наблюдениях, прогнозе и о том, как меняется атмосфера в наши дни.

Слайд 3. Введение

• Атмосфера — воздушная оболочка Земли массой около 5,15 квадриллиона тонн; именно в ней рождаются все явления, которые мы называем погодой.
• Погода определяет работу сельского хозяйства, транспорта, энергетики и строительства: по оценкам, от метеорологических условий зависит до четверти валового внутреннего продукта страны.
• В России ежегодно фиксируют более тысячи опасных гидрометеорологических явлений, а ущерб от них исчисляется десятками миллиардов рублей.
• Понимание строения атмосферы и законов движения воздуха — основа физической географии, климатологии и современного прогноза погоды.

Доклад: Начну с того, зачем эта тема нужна. Погода — не отвлечённое явление: от неё напрямую зависят урожай, работа транспорта, нагрузка на энергосистему и сроки строительства. При этом опасных явлений становится больше: в России их ежегодно фиксируют больше тысячи, а ущерб измеряется десятками миллиардов рублей. Понимать, как устроена атмосфера, — значит понимать, откуда берётся этот риск и как им управлять.

Слайд 4. Атмосфера как оболочка Земли

• Атмосфера прослеживается до высоты порядка 1000 км, но условной границей с космосом принято считать линию Кармана на высоте 100 км.
• Масса воздушной оболочки — около 5,15 квадриллиона тонн, это менее одной миллионной доли массы планеты.
• Половина всей массы воздуха сосредоточена ниже 5,5 км, а 90 % — ниже 16 км: по сравнению с радиусом Земли атмосфера тонка, как кожура яблока.
• Оболочку удерживает сила тяжести, поэтому плотность воздуха быстро убывает: от 1,225 кг/м³ у поверхности до тысячных долей грамма на кубометр к высоте 30 км.
• Без атмосферы средняя температура поверхности была бы около −18 °C вместо нынешних +15 °C: воздух и водяной пар удерживают тепловое излучение Земли.

Доклад: Атмосфера кажется огромной, но на деле она поразительно тонкая. Её масса — около пяти квадриллионов тонн, то есть меньше миллионной доли массы планеты, и половина этой массы умещается в нижних пяти с половиной километрах. На снимке хорошо видно, какой узкой голубой полосой выглядит воздушная оболочка с орбиты. И именно эта тонкая плёнка удерживает тепло: без неё средняя температура поверхности была бы минус восемнадцать градусов вместо плюс пятнадцати.

Слайд 5. Из чего состоит воздух

• До высоты 90–100 км воздух постоянно перемешивается турбулентностью, поэтому доли основных газов практически одинаковы в любой точке планеты. Меняется лишь содержание водяного пара — от сотых долей процента над полюсами до 4 % во влажных тропиках.

Доклад: Состав воздуха у поверхности почти не меняется от места к месту: азот, кислород и аргон дают более девяноста девяти процентов объёма. Причина в турбулентном перемешивании — до высоты около ста километров газы не успевают разделиться по массе. Единственная по-настоящему переменная составляющая — водяной пар, и как раз его превращения дают нам облака, осадки и большую часть погодных явлений.

Слайд 6. Строение атмосферы по высоте

• Слои выделяют по характеру изменения температуры с высотой.
• Между слоями лежат тонкие переходные прослойки — паузы: тропопауза, стратопауза, мезопауза.
• В тропосфере температура падает в среднем на 0,65 °C на каждые 100 м подъёма.
• В стратосфере температура, наоборот, растёт: озон поглощает ультрафиолетовое излучение.
• Выше 90 км газы перестают перемешиваться и постепенно разделяются по молекулярной массе.
• Экзосфера — выше 800 км, зона рассеяния лёгких газов в межпланетное пространство
• Термосфера — 90–800 км, разреженный газ разогрет до 1500 °C, здесь горят полярные сияния
• Мезосфера — 50–90 км, самое холодное место планеты, до −90 °C, здесь сгорают метеоры
• Стратосфера — 11–50 км, озоновый слой и эшелоны полёта авиалайнеров
• Тропосфера — 0–11 км, около 80 % массы воздуха и вся погода

Доклад: Вертикальное строение атмосферы выделяют по тому, как ведёт себя температура. В тропосфере она падает примерно на две трети градуса на каждые сто метров подъёма, в стратосфере растёт из-за поглощения ультрафиолета озоном, в мезосфере снова падает до минус девяноста, а в термосфере разреженный газ разогревается до полутора тысяч градусов. Между слоями лежат переходные прослойки — тропопауза, стратопауза и мезопауза, они работают как естественные «крышки» для вертикальных движений.

Слайд 7. Тропосфера — «кухня погоды»

• Верхняя граница тропосферы неодинакова: 8–10 км над полюсами, 10–12 км в умеренных широтах и 16–18 км над экватором.
• Здесь сосредоточено около 80 % массы атмосферы и почти весь водяной пар, поэтому именно в тропосфере образуются облака, осадки и ветры.
• Воздух нагревается не солнечными лучами напрямую, а от подстилающей поверхности — отсюда падение температуры с высотой и мощная конвекция.
• Восходящие потоки внутри кучево-дождевого облака достигают 20–30 м/с и поднимают его вершину до самой тропопаузы.
• Полное перемешивание тропосферного воздуха занимает недели, поэтому промышленные выбросы переносятся на тысячи километров от источника.

Доклад: Тропосферу не случайно называют кухней погоды. Здесь сосредоточено около восьмидесяти процентов массы воздуха и практически весь водяной пар, а нагрев идёт снизу, от подстилающей поверхности. Из-за этого возникает конвекция: тёплый воздух поднимается, охлаждается, и в нём формируются облака вроде тех кучевых, что вы видите на снимке. В грозовом облаке восходящие потоки достигают тридцати метров в секунду и выносят вершину до самой тропопаузы.

Слайд 8. Солнечная радиация и радиационный баланс

• Погода — это работа солнечного тепла, которое перераспределяют воздух и вода.
• На верхнюю границу атмосферы приходит поток 1361 Вт/м² — солнечная постоянная.
• Около 30 % энергии сразу отражается обратно в космос: это альбедо планеты.
• Прямая радиация — поток, дошедший до поверхности без рассеяния
• Рассеянная радиация — свет, рассеянный молекулами воздуха, каплями и пылью
• Отражённая радиация и излучение поверхности — потери тепла подстилающей поверхностью
• Радиационный баланс — остаток тепла, который нагревает воздух и приводит в движение погоду

Доклад: Энергетический двигатель погоды — Солнце. На верхнюю границу атмосферы приходит поток около тысячи трёхсот шестидесяти ватт на квадратный метр, но примерно треть этой энергии сразу отражается облаками, снегом и самой атмосферой. Оставшаяся часть складывается из прямой и рассеянной радиации, из неё вычитаются отражение и собственное излучение поверхности. Разность и есть радиационный баланс — то самое тепло, которое приводит воздух в движение.

Слайд 9. Атмосферное давление

• p = p₀ · e^(−Mgh / RT)
• p — давление на высоте h, гектопаскали
• p₀ — давление у поверхности, в среднем 1013,25 гПа, или 760 мм ртутного столба
• M — молярная масса воздуха, 0,029 кг/моль
• h — высота над уровнем моря, метры
• T — абсолютная температура воздуха, кельвины

Доклад: Давление воздуха — ключевая величина синоптики. Нормальным считается давление 1013 гектопаскалей, или 760 миллиметров ртутного столба, и с высотой оно убывает по барометрической формуле: у поверхности примерно один гектопаскаль на каждые восемь метров подъёма. Формула показывает, что скорость убывания зависит от температуры: в холодном воздухе давление падает быстрее. Именно горизонтальные различия давления и заставляют воздух двигаться.

Слайд 10. Ветры Земли

• Ветер возникает там, где есть разность давления: воздух движется из области высокого давления в область низкого, а сила Кориолиса отклоняет поток вправо в Северном полушарии. По устойчивости и масштабу ветры делят на три группы.
• Пассаты
• Западный перенос
• Стоковые ветры Антарктиды
• Летний муссон
• Зимний муссон
• Бриз
• Фён
• Бора
• Суховей

Доклад: Ветер рождается из разности давления, а сила Кориолиса отклоняет поток вправо в Северном полушарии и влево в Южном. По устойчивости ветры делят на три группы: постоянные, которые связаны с планетарными поясами давления, сезонные муссоны, меняющие направление дважды в год, и местные — бризы, фёны, бора, суховеи. Бора в районе Новороссийска, например, разгоняется до сорока метров в секунду и обледеняет суда прямо в бухте.

Слайд 11. Общая циркуляция атмосферы

• Ячейка Хэдли — замкнутый круговорот воздуха между экватором и тридцатыми широтами
• Пассаты — устойчивые ветры тропиков, дующие к экватору со скоростью 5–8 м/с
• Западный перенос — господствующее движение воздуха с запада на восток в умеренных широтах
• Струйные течения — узкие потоки на высоте 8–12 км, скорость в них доходит до 100 м/с
• Внутритропическая зона схождения — пояс встречи пассатов обоих полушарий с ежедневными ливнями

Доклад: Все эти ветры складываются в общую циркуляцию атмосферы — глобальную систему переноса тепла от экватора к полюсам. В тропиках работает ячейка Хэдли, у поверхности выраженная пассатами, в умеренных широтах господствует западный перенос, а на высоте восьми–двенадцати километров текут узкие струйные течения со скоростями до ста метров в секунду. Именно струйные течения направляют движение циклонов и во многом определяют погоду средней полосы.

Слайд 12. Вода в атмосфере: влажность и облака

• Абсолютная влажность показывает массу пара в граммах на кубометр, относительная — насыщенность воздуха в процентах от предельно возможной.
• Облака рождаются, когда поднимающийся воздух охлаждается до точки росы и водяной пар конденсируется на мельчайших ядрах конденсации.

Доклад: Вода попадает в атмосферу при испарении и возвращается осадками. Абсолютная влажность измеряется в граммах пара на кубометр, относительная — в процентах от насыщения, и как только поднимающийся воздух охлаждается до точки росы, начинается конденсация. Облака классифицируют по ярусам: перистые из ледяных кристаллов наверху, слоистые внизу и кучево-дождевые, пронизывающие всю тропосферу по вертикали. По виду облаков опытный наблюдатель читает ближайшие изменения погоды.

Слайд 13. Атмосферные осадки

• Количество осадков измеряют слоем воды в миллиметрах, который выпал бы на горизонтальную поверхность за год.
• Распределение осадков задают циркуляция воздуха, близость океана и рельеф: наветренные склоны получают влаги в разы больше подветренных.

Доклад: Осадки измеряют слоем воды в миллиметрах за год. График показывает, насколько неравномерно они распределены даже в пределах одной страны: Астрахань получает менее двухсот миллиметров, Москва — около семисот, а Сочи, где влажный воздух поднимается по склонам Кавказа, свыше тысячи семисот. Главные факторы — циркуляция воздуха, близость океана и рельеф: наветренные склоны всегда влажнее подветренных.

Слайд 14. Воздушные массы и атмосферные фронты

• Воздушные массы — крупные объёмы воздуха с однородными свойствами, приобретёнными над океаном или материком. На границе двух масс возникает атмосферный фронт, с прохождением которого погода меняется резко и предсказуемо.
• Тёплый воздух медленно натекает на клин холодного
• Пологая поверхность раздела, наклон около 1:150
• Слоистообразная облачность появляется за 500–700 км до линии фронта
• Обложные осадки умеренной силы в течение 6–10 часов
• После прохождения теплеет, падение давления сменяется ростом
• Холодный воздух подтекает под тёплый и резко выталкивает его вверх
• Крутая поверхность раздела, наклон около 1:70
• Мощные кучево-дождевые облака узкой полосой в десятки километров
• Ливни, грозы, град и шквалистое усиление ветра
• После прохождения резко холодает, давление быстро растёт

Доклад: Огромные объёмы воздуха, долго стоявшие над океаном или материком, приобретают однородные свойства и называются воздушными массами. Их границы — атмосферные фронты, и прохождение фронта всегда означает перелом погоды. Тёплый фронт даёт долгие обложные дожди и постепенное потепление, холодный — короткие, но бурные ливни с грозами и шквалами, после которых резко холодает. Умение различать эти два сценария — азы синоптического анализа.

Слайд 15. Циклоны и антициклоны

• Погоду умеренных широт создаёт чередование огромных атмосферных вихрей, которые смещаются с запада на восток со скоростью 30–50 км/ч и живут от нескольких суток до двух недель.
• Область пониженного давления, в центре 960–1000 гПа
• Ветер дует против часовой стрелки и к центру (в Северном полушарии)
• Преобладают восходящие движения воздуха, поперечник вихря 1000–3000 км
• Сплошная облачность, затяжные осадки, усиление ветра
• Зимой приносит оттепели, летом — прохладу и дожди
• Область повышенного давления, в центре 1020–1040 гПа
• Ветер дует по часовой стрелке и от центра к периферии
• Преобладают нисходящие движения, воздух сжимается и осушается
• Малооблачная погода, слабый ветер, хорошая видимость
• Зимой даёт сильные морозы, летом — зной и засуху

Доклад: Фронты не существуют сами по себе: они входят в состав крупных вихрей. Циклон — область низкого давления с восходящими движениями, сплошной облачностью и осадками, антициклон — область высокого давления с нисходящими потоками, ясным небом и слабым ветром. В умеренных широтах они сменяют друг друга, двигаясь с запада на восток, поэтому наша погода так изменчива. Зимний антициклон приносит морозы, а летний — зной и засуху.

Слайд 16. Погода и климат

• Погода — состояние атмосферы в конкретной точке и в конкретный момент: температура, давление, влажность, ветер, облачность, осадки
• Климат — многолетний режим погоды, осреднённый по стандартному тридцатилетнему периоду, сейчас это 1991–2020 годы
• Одни и те же метеорологические величины

Доклад: Важно не путать два понятия. Погода — это состояние атмосферы здесь и сейчас, набор конкретных значений температуры, давления, влажности и ветра. Климат — многолетний режим погоды, который по рекомендации Всемирной метеорологической организации осредняют за тридцать лет; сейчас базовым считается период с 1991 по 2020 год. Измеряются при этом одни и те же величины — различается только временной масштаб обобщения.

Слайд 17. Опасные атмосферные явления

• Ураганом называют ветер силой 12 баллов по шкале Бофорта — от 33 м/с; при таком ветре разрушаются лёгкие постройки и валится лес.
• Смерч — вращающийся вихрь диаметром от десятков до сотен метров, скорость воздуха в его стенке доходит до 100 м/с.
• Градины крупнее 20 мм уничтожают посевы за считаные минуты; самые крупные из зафиксированных весили около килограмма.
• Одновременно на планете действует порядка 2000 гроз, а разряды молний происходят примерно 45 раз в секунду.
• Метеорологи объявляют штормовое предупреждение, когда явление достигает установленных критериев по силе, продолжительности или ущербу.

Доклад: Отдельная тема — опасные явления. Ураганом считают ветер от тридцати трёх метров в секунду, в стенке смерча скорость доходит до ста, а град крупнее двух сантиметров уничтожает посевы за минуты. На планете одновременно действует около двух тысяч гроз, и молнии бьют примерно сорок пять раз в секунду — одна из них запечатлена на этом снимке. Когда явление достигает установленных критериев, служба погоды выпускает штормовое предупреждение.

Слайд 18. Метеорологические наблюдения и приборы

• Термометры в психрометрической будке на высоте 2 м измеряют температуру и влажность воздуха в тени.
• Барометр-анероид и ртутный барометр фиксируют атмосферное давление с точностью до десятых долей гектопаскаля.
• Анемометр и флюгер определяют скорость и направление ветра на стандартной высоте 10 м над поверхностью.
• Осадкомер Третьякова с ветровой защитой собирает осадки, слой которых измеряют дважды в сутки.
• Радиозонд поднимается на шаре до высоты 30–35 км и передаёт по радио профиль температуры, влажности и ветра.
• Метеорологические радиолокаторы и спутники серии «Электро-Л» отслеживают облачность и очаги осадков в радиусе сотен километров.

Доклад: Чтобы всё это измерять, существует стандартизованная сеть наблюдений. Температуру и влажность снимают в психрометрической будке на высоте двух метров, ветер — на десяти, осадки собирает осадкомер Третьякова с ветровой защитой. Верхние слои зондируют радиозондами, которые поднимаются до тридцати пяти километров, а облачность и очаги ливней отслеживают радиолокаторы и метеоспутники. Ценность данных именно в единообразии методики: только тогда наблюдения из разных стран можно сравнивать.

Слайд 19. Как составляется прогноз погоды

• Современный прогноз — это решение системы уравнений динамики атмосферы на суперкомпьютере.
• Наблюдения по всему миру снимают синхронно, в основные сроки: 00, 06, 12 и 18 часов по Гринвичу.
• Оправдываемость суточного прогноза температуры и осадков достигает 95 %.
• На пять–семь суток точность снижается примерно до 80 %.
• Теоретический предел предсказуемости атмосферы составляет около двух недель.
• Сбор данных — станции, радиозонды, радиолокаторы, суда и спутники передают наблюдения в прогностические центры
• Усвоение — наблюдения согласуют с текущим состоянием модели и переносят на расчётную сетку
• Численный расчёт — модель шаг за шагом решает уравнения движения, тепла и влагооборота
• Анализ синоптиком — специалист сопоставляет расчёты разных моделей с картами барической топографии и фронтов
• Доведение до потребителя — прогноз публикуют, а по опасным явлениям выпускают штормовое предупреждение

Доклад: Современный прогноз — это вычислительная задача. Данные наблюдений собирают синхронно, в основные сроки по Гринвичу, усваивают в модель, а затем суперкомпьютер шаг за шагом решает уравнения движения, тепла и влагооборота на расчётной сетке. Синоптик сопоставляет результаты нескольких моделей и выпускает готовый прогноз. Суточный прогноз оправдывается примерно в девяноста пяти случаях из ста, а дальше двух недель предсказуемость атмосферы теряется принципиально.

Слайд 20. Учёные, создавшие метеорологию

• Эванджелиста Торричелли, 1608–1647, Изобрёл ртутный барометр и доказал, что воздух имеет вес и давит на поверхность
• Михаил Васильевич Ломоносов, 1711–1765, Объяснил природу вертикальных движений воздуха и грозового электричества, разработал первые приборы для наблюдений
• Александр Иванович Воейков, 1842–1916, Основоположник русской климатологии, автор классического труда «Климаты земного шара»
• Вильгельм Бьеркнес, 1862–1951, Создал учение об атмосферных фронтах и обосновал численный прогноз погоды

Доклад: У этой науки есть конкретные авторы. Торричелли в 1643 году создал ртутный барометр и доказал, что воздух давит на поверхность. Ломоносов объяснил природу вертикальных движений воздуха и грозового электричества. Воейков заложил основы русской климатологии трудом «Климаты земного шара», а норвежец Бьеркнес ввёл понятие атмосферного фронта и первым обосновал численный прогноз погоды — метод, на котором держится вся современная служба погоды.

Слайд 21. Атмосфера и изменение климата

• Содержание углекислого газа выросло с 280 частей на миллион в доиндустриальную эпоху до 420 с лишним в наши дни.
• Средняя температура приземного воздуха планеты поднялась примерно на 1,2 °C относительно конца XIX века, причём на территории России теплеет в 2,5 раза быстрее среднемирового темпа.

Доклад: Сегодня состав атмосферы заметно меняется. Содержание углекислого газа выросло с двухсот восьмидесяти частей на миллион в доиндустриальную эпоху до более чем четырёхсот двадцати, и график показывает, как ускорился этот рост во второй половине двадцатого века. Средняя температура планеты поднялась примерно на 1,2 градуса, а на территории России теплеет в два с половиной раза быстрее среднемирового темпа. Отсюда и рост числа опасных явлений, о котором шла речь.

Слайд 22. Выводы

• Атмосфера — тонкая, но жизненно важная оболочка: 90 % её массы умещается в нижних 16 километрах.
• Погода рождается в тропосфере из неравномерного нагрева поверхности, движения воздуха и превращений воды.
• Циклоны, антициклоны и атмосферные фронты — главные механизмы смены погоды в умеренных широтах.
• Точность прогноза обеспечивают глобальная сеть наблюдений и численные модели атмосферы.
• Рост содержания парниковых газов меняет режим атмосферы, поэтому изучение погоды и климата становится всё важнее.

Доклад: Подведём итоги. Атмосфера — тонкая оболочка, почти вся масса которой заключена в нижних шестнадцати километрах, и именно в тропосфере рождается погода. Её механизм — неравномерный нагрев поверхности, вызванное им движение воздуха и непрерывные превращения воды. Смену погоды в умеренных широтах определяют циклоны, антициклоны и фронты, а точность прогноза обеспечивают глобальная сеть наблюдений и численные модели.

Слайд 23. Список литературы

• Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. — М.: Росгидромет, 2014. — 1009 с.
• Гуральник И. И., Дубинский Г. П., Мамиконова С. В. Метеорология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 440 с.
• Матвеев Л. Т. Физика атмосферы. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. — 778 с.
• Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3, ч. 1. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985. — 300 с.
• Погосян Х. П. Общая циркуляция атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1972. — 394 с.
• Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. — М.: Издательство Московского университета, 2012. — 582 с.

Доклад: Работа опирается на классические учебники и справочники: «Метеорологию и климатологию» Хромова и Петросянца, «Физику атмосферы» Матвеева, труды Погосяна по общей циркуляции, а также на нормативные наставления гидрометеорологическим станциям и оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата. Эти источники дают и теоретическую базу, и актуальные данные наблюдений.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: Спасибо за внимание! Атмосфера — самая подвижная из оболочек Земли, и именно поэтому погода остаётся задачей, которую приходится решать заново каждый день. Готов ответить на ваши вопросы.