Штурм неба (Как изучается атмосфера) - Щукин Виктор Константинович - Страница 2

Таким образом наука об атмосфере даёт в руки человека активные средства воздействия на погоду.

2. КАКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТМОСФЕРЕ НУЖНЫ ЧЕЛОВЕКУ?

Формирование погоды происходит в нижних слоях атмосферы. С поверхности Земли в воздух попадает водяной пар, от Земли воздух получает тепло. Поэтому метеорологи неустанно следят за состоянием воздуха в этих слоях.

Для оценки погоды надо знать температуру и давление воздуха, скорость и направление ветра, содержание влаги, вид, расположение и количество облаков, количество выпадающих осадков.

Определить, какая сейчас погода нетрудно. Значительно труднее предвидеть её изменения. Для этого надо знать состояние атмосферы во многих точках земного шара, знать, как перемещается воздух и какие изменения он претерпевает в пути.

Чтобы предугадать изменение погоды, необходимо прежде всего знать распределение давления и температуры на больших пространствах и следить за их изменениями.

Для метеорологии и авиации большой интерес представляют сведения о состоянии воздуха и в верхних слоях атмосферы. Изучением процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы или, как говорят, в свободной атмосфере, занимается особый раздел метеорологии — аэрология.

Часть сведений об атмосфере исследователи получают с помощью приборов. О самой верхней части атмосферы имеются лишь сведения, полученные косвенным путём. Какие способы при этом используются, мы расскажем дальше, а сейчас познакомимся с теми данными, которые исследователи получают путём непосредственного измерения.

Чистый сухой воздух представляет собой смесь газов; он имеет в своём составе (в объёмных долях) 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и незначительные примеси других газов (неона, гелия, водорода и т. д.). В нижних слоях атмосферы этот состав несколько изменяется, так как воздух здесь никогда не бывает совершенно сухим — в нём всегда содержится в большем или меньшем количестве водяной пар.

Влажность. Содержание водяного пара в воздухе может увеличиваться только до некоторого предела, зависящего от температуры. При 10° ниже нуля в одном кубическом метре воздуха может содержаться не больше 2,5 грамма пара, при 0° —5 граммов, при 10° выше нуля — 9,5 грамма, при 20°— 17 граммов.

При испарении воды количество пара в воздухе будет возрастать до тех пор, пока воздух не сделается «насыщенным» водяными парами, т. е. содержащим предельное при данной температуре количество пара. После этого испарение всё-таки происходит, но испаряется столько же влаги, сколько конденсируется.

Как и воздух, водяной пар невидим. Сконденсировавшийся пар в виде огромного числа мелких капелек воды образует туман или облака.

Содержание водяного пара или, как говорят, влажность воздуха измеряется различными приборами. Один из них называется психрометром. Он состоит из двух одинаковых термометров (рис. 1).

Рис. 1. Устройство психрометра.

У одного термометра ртутный шарик сухой, а у другого — обёрнут лоскутом тонкой материи, конец которого опущен в стаканчик с водой. Вода, поднимаясь по волокнам материи, испаряется с лоскутка, но не всегда одинаково быстро. В сухую погоду её испарится больше, в сырую — меньше. Если же воздух насыщен водяным паром, то испарение и конденсация будут идти с одинаковой скоростью и количество воды в стаканчике не будет изменяться. Испарение воды сопровождается поглощением тепла. Тепло, необходимое для перехода воды в пар при испарении, отнимается от шарика термометра, и поэтому он показывает температуру меньшую, чем стоящий рядом с ним сухой термометр. С помощью специальных таблиц по разности показаний двух термометров наблюдатель определяет влажность воздуха.

Другой прибор — гигрограф — автоматически отмечает влажность воздуха (рис. 2).

Рис. 2. Схема устройства гигрографа.

Как известно, влажный волос укорачивается при высыхании. Этим свойством волоса и воспользовались для создания прибора, автоматически записывающего влажность воздуха. Если воздух становится более сухим, волосок укорачивается и тянет за собой рычажок, который перемещает записывающее перо по бумажной ленте. Такой прибор удовлетворительно действует и на морозе, когда обычный психрометр использовать уже нельзя.

Давление. Воздух, как и всякое другое вещество, имеет вес и давит на поверхность Земли, на все находящиеся на ней предметы. Он почти в тысячу раз легче воды. Но так как толщина воздушной оболочки Земли достигает огромных размеров, то давление воздуха довольно велико — около одного килограмма на каждый квадратный сантиметр поверхности.

Величина давления зависит от высоты столба воздуха над Землёй.

На горе давление, а следовательно и плотность, будут меньшими, чем на уровне моря. Соответственно и масса воздуха по высоте распределяется также неравномерно. В слое воздуха от поверхности Земли до 5,5 километра высоты сосредоточено 50 % всей его массы, в пределах 10 километров — 75 %, а в пределах 20 километров — 94 %. Отсюда следует, что плотность воздуха с высотой резко убывает.

Метеорологи внимательно следят за изменением атмосферного давления. Это помогает им предвидеть изменения погоды.

Как измерить атмосферное давление?

Если наполнить ртутью закрытую с одной стороны стеклянную трубку и погрузить её открытым концом в чашку со ртутью (рис. 3), то ртуть в трубке опустится, но не выльется, потому что на открытую поверхность ртути в чашке давит столб воздуха.

Рис. 3. Высота столба ртути в трубке указывает величину атмосферного давления.

Ртуть в трубке будет опускаться до тех пор, пока давления столба воздуха и столба ртути не уравновесятся. Изменится давление воздуха — изменится и высота уравновешивающего столбика ртути. Прибор, построенный на таком принципе, называется ртутным барометром.

Давление воздуха на уровне моря в среднем уравновешивается весом столба ртути высотой 760 миллиметров (в зависимости от состояния атмосферы давление на уровне моря может несколько меняться).

Давление можно также измерить барометром-анероидом. Этот прибор имеет вид полой металлической коробочки, из которой выкачан воздух. Давление окружающего воздуха сжимает эту коробочку. Когда оно ослабевает, упругость металла несколько раздвигает стенки, и коробочка как бы расширяется. Это изменение передаётся с помощью рычажков стрелке, показывающей на шкале барометра величину давления воздуха.

Если возникает необходимость следить за изменениями давления непрерывно, то пользуются прибором, который сам может записывать свои показания. Такой прибор называется барографом. Внешний вид барографа показан на рисунке 4, а действие его поясняется рисунком 5.

Рис. 4. Внешний вид барографа.

Рис. 5. Схема устройства барографа.

В этом приборе расширение и сжатие металлических коробочек А передаётся не на стрелку, а на самопишущее перо Б, которое записывает величину давления на бумажной ленте В, охватывающей барабан, который вращается часовым механизмом.

Так как давление уменьшается с высотой, то барометр используют и как высотомер — прибор, определяющий высоту полёта или высоту какой-либо точки земной поверхности над уровнем моря.

При этом в показания барометра-высотомера вводят поправку на температуру воздуха (так как в холодном воздухе давление с высотой убывает быстрее, чем в тёплом), а также учитывают изменения давления у земли.