Теплообмен океана и атмосферы.

Электромагнитное излучение Солнца, попадая на поверхность планеты, превращается в тепловую энергию. Получив от Солнца энергию, Земля сама становится источником теплового излучения т.к. температура земной поверхности невелика (от +70 до -88⁰С), то вся уходящая радиация Земли размещена в спектре от 4,0 до 180мк. с максимумом 10-15мк.

Нагрев атмосферы происходит за счет теплообмена с подстилающей поверхностью Земли. Нагретая атмосфера сама становится источником длинноволнового излучения, 70% которого направленно к поверхности Земли (встречное излучение), дополняя коротковолновую радиацию Солнца.

Большая часть солнечной энергии поглощаетсяземной поверхностью, которая вследствие своей физической неоднородности (океан, суша, различие в рельефе, холодные и теплые течения и т.д.) нагреваетсянеодинаково. Различно будет нагреваться и атмосферный воздух, прилегающий к поверхности. Более теплые объемы воздуха будут подниматься вверх, а более холодные будут опускаться вниз. Перемещение воздуха носит турбулентный характер и носит название термической турбулентности или конвекции.

В океанах и морях перенос тепла с водной поверхности вглубь осуществляется путем турбулентного обмена. Важную роль в перемешивании слоев воды играет и испарения.При значительном испарении верхний слой воды становится более соленым и плотным, вследствие чего вода опускается с поверхности на глубину, вытесняя наверх менее соленую и холодную воду.

Солнечная радиация проникает в воду глубже чем в почву. В ночные часы при охлаждении верхних слоев, тепло с глубины передается частично вверх и уменьшает охлаждение поверхностного слоя воды.

В океанах суточные изменения температуры за счет большой теплоемкости воды изменяются незначительно, и составляют в умеренных широтах 0,1-0,2⁰С, а в тропиках около 0,5⁰, максимум температуры в океане наблюдаются в 15ч, а минимум через 2-3 часа после восхода Солнца.

3. Температурные градиенты и стратификации атмосферы.

Все метеорологические элементы (МЭ) изменяются в пространстве и времени. Пространственное распределение МЭ называют полямиэтих элементов, которые проще характеризовать эквискалярнымиповерхностями (в каждой точке поверхности метеоэлемент сохраняет свою величину).

Поле давления характеризуется изобарическими поверхностями, поле температур – изотермическими поверхностями и т.д. Линииравных давлений называют изобарами, равных температур – изотермами, равных скоростей - изотахами.

Изменчивость МЭ в пространстве удобно характеризовать градиентом этого поля, под которым понимается падение данной величины, по нормали к поверхности равного значения этой величины, рассчитанного на единицу расстояния.

На практике оперируют не пространственными градиентами МЭ, а их проекциями на вертикальную и горизонтальную ось.

Вертикальный температурный градиент обозначается

γ = - ,

а горизонтальный Г = - ,

где - изменение температуры на 100м высоты

– изменение температуры по горизонтали на градус меридиана (примерно 100км).

Все процессы в атмосферном воздухе происходят без теплообмена с окружающей средой, т.е.– адиабатически, т.к. теплопроводность воздуха мала. Установлено, что значение вертикального сухоадиабатического градиента (влажного ненасыщенного воздуха) составляет

γ_а= - 0,98^оС/100м. ~1^оС/100м

а вертикального влажноадиабатического температурного градиента (насыщенного воздуха) γ = - .

Следовательно, в насыщенном влагой воздухе температура падает с высотой медленнее, чем в сухом (ненасыщенном) воздухе. Это происходит за счет выделения скрытой теплоты парообразования при конденсации водяного пара, которая дополнительно нагревает поднимающийся объем воздуха.

В реальной атмосфере могут наблюдаться вертикальные градиенты как меньше γ, так и больше γ_а. на определенный момент времени эти градиенты температур определяют состояние (стратификацию) атмосферы. График изменения температуры воздуха по высоте называется стратификацией атмосферы.

Стратификация атмосферы может быть :

- устойчивой.

- неустойчивой.

- безразличной.

Устойчивойназывают такое состояние атмосферы, при котором перемещенный со своего места объем воздуха вверх или вниз, стремится восстановить свое первоначальное положение под действием сил плавучести.

Неустойчивым называют такое состояние, когда объем воздуха, получив импульс движения, стремится продолжать движение от своего первоначального положения.

Критерием для определения устойчивости стратификации атмосферы являются соотношения:

γ > γ_а - неустойчивая,

γ < γ_а - устойчивая,

γ = γ_а - безразличная.

- при γ > γ_а (поднимающийся объем воздуха теплее окружающего на всех уровнях) развиваются конвективныедвижения (образуются кучевые облака).

- при γ < γ_а условия для конвекции неблагоприятны атмосфера устойчива.

- при γ = γ_а разность температур в понимающемся и окружающем воздухе одинаковы, стратификация безразличная(равновесие).

Наиболее характерное изменение температуры с высотой это ее падение около 0,7⁰ С на 100м. Однако в реальных условиях нередко встречаются слои воздуха где температура с высотой постоянна (γ = 0) или растет (γ > 0). В первом случае имеет место изотермия,во втором - инверсия– предельная устойчивость.

Инверсионные слои задерживают поток водяного пара вверх, гасят вертикальные движения, влияют на распространение электромагнитных и звуковых волн. По причине образования инверсии делятся на: радиационные и адвективные. Первые чаще образуются на суше и над ледяными полями в море и связаны с антициклонами и тыловыми частями циклонов, вторые встречаются в районах холодных океанских течений и обусловлены теплыми фронтами циклонов.

Годовой ход температуры воздуха зависит от широты, места. Над океанами выделяют 4 типа годового хода температуры:

1. Экваториальный тип. Амплитуды здесь минимальны и составляют 1-2⁰С.

2. Тропический тип. Амплитуда 5-10⁰С.

3. Тип умеренного пояса. Максимум в июле, минимум в январе. Амплитуда 10-15⁰С, на побережьях море и океанов 20-25⁰С.

5. Полярный тип. Амплитуда уменьшена. Максимум температуры в августе, минимум в марте.

4. Температура воздуха и ее измерение.

Температура воздуха характеризует тепловое состояние атмосферы. Она является мерой средней кинетической энергии движения молекул и атомов, составляющих воздух.

Температура воздуха измеряется с помощью термометров, в шкалах которых используются точки кипения воды и таяния льда.

Для нужд мореплавания температура воздуха измеряется в градусах международной метеорологической шкалы (ММШ) или шкалы Цельсия (t⁰С). В гидрометеорологических очерках лоции температура дается в градусах шкалы Фаренгейта ( точка таяния льда 32 F число градусов на шкале

n = 180⁰). Нуль по шкале Фаренгейта соответствует -17,8⁰С.

В теоретических расчетах используются абсолютная температурная шкала Кельвина (К).Точка таяния льда 0⁰С соответствует 273 ^оК, точки кипения воды (100⁰С) 373 ^оК.

Очень редко используют шкалу Реомюра. В ней в качестве реперных точек взяты температура замерзания и кипения воды, а расстояние между ними разделено на 80 частей ( расширение спирта от замерзания до кипения 80/1000своего объема).

Перевод температуры из одной шкалы в другую осуществляется по формулам:

t ^оC = (t^о F – 32) - шкала Цельсия..

t^оC = Т ^оК – 273 - шкала Кельвина.

t^о C = t^о Р - шкала Реомюра

Измерение температуры воздуха производится жидкостными, деформационными и электрическими термометрами.

Жидкостные термометры могут быть ртутные и спиртовые. По назначению они делятся на срочные, максимальные и минимальные. Для срочных наблюдений используют ртутные термометры, а для измерения минимальной температуры (ниже -40⁰С) – спиртовые.

Жидкостные термометры на суше устанавливают в психрометрической будке, «сухой» и «смоченный» термометр в вертикальном положении, а минимальный и максимальный – горизонтальном.

На судах используется жидкостный метеорологический термометр, помещенный в конусовидную оправу. Конусовидная защита служит для предохранения от Солнца и других источников тепла, а также от атмосферных осадков.

На судне устанавливают два таких термометра по бортам на мостике. Измеряют температуру только с наветренной стороны (борта).

Деформационные термометры основаны на свойствах твердых тел деформироваться при изменении температуры. Применяют в термографах и радиозондах.

Электрические термометры основаны на принципе изменения электропроводимости при изменении температуры. Используются в дистанционных метеостанциях. Для непрерывной записи изменений температуры воздуха применяется термограф.Датчиком является биметаллическая пластинка.

Измерение температуры воздуха на судах производится в точно установленные сроки по термометру установленному с наветренного борта с точность до 0,1⁰. В отсчеты вводится поправка, взятая из поправочного свидетельства (аттестата).