Теория погоды. Атмосфера

Теория погоды. Погода — это важный фактор, непосредственно влияющий на лётно-технические характеристики ЛА и безопасность полётов.

Под погодой понимают состояние атмосферы для заданных времени и места, выраженное в таких параметрах, как температура (тёплая или холодная погода), влажность (влажная или сухая погода), скорость ветра (тихая или ветреная погода), видимость (ясная или облачная погода) и барометрическое давление (высокое или низкое давление). Понятие «погода» также применимо к неблагоприятным или угрожающим атмосферным условиям — например, сильному ветру.

В настоящей статье изложены основные принципы теории погоды, которые необходимо знать пилотам, и объясняется, как погодные условия влияют на эксплуатационные параметры ЛА. Понимание главных положений теории погоды помогает пилоту принимать разумные решения на основе сообщений и прогнозов метеоролога станции службы обеспечения полётов (ССОП) и других авиационных метеорологических служб.

Решения, основанные на данных погоды, могут оказать существенное влияние на безопасность как местных, так и маршрутных полётов.

Атмосфера. Атмосфера представляет собой окружающую Землю воздушную оболочку, которая состоит из смеси газов и имеет толщину почти 560 км. Газы, составляющие атмосферу, находятся в постоянном движении. Если бы атмосфера была видна невооружённым глазом, она выглядела бы как океан с течениями и водоворотами, поднимающимися и опадающими волнами и потоками, которые перемещают воздушные массы на значительные расстояния.

Жизнь на Земле существует благодаря атмосфере, солнечной энергии и магнитному полю планеты. Атмосфера поглощает поступающую от Солнца энергию, перерабатывает воду и различные химические вещества и, благодаря действию электромагнитного поля Земли, обеспечивает умеренные климатические условия. Атмосфера также защищает жизнь на Земле от жёсткого излучения и космического вакуума.

Состав атмосферы. В любом заданном объёме воздуха содержится 78% азота и 21% кислорода. Оставшийся 1% составляют аргон, углекислый газ и (в незначительном количестве) другие газы. Воздух также содержит пары воды в количестве от нуля до примерно 5% общего объёма. Это (сравнительно небольшое) количество водяных паров ответственно за наиболее существенные изменения погодных условий (рис. 11-1).

Газовая оболочка, окружающая Землю, меняется по мере удаления от поверхности планеты. Различия в тепловых характеристиках (температурные изменения), химическом составе, движении и плотности газа позволяют выделить четыре обособленных атмосферных слоя (рис. 11-2).

Первый слой, называемый тропосферой, располагается от уровня моря до высоты 8 км в областях Северного и Южного полюсов и 14,5 км — на экваторе. Основные погодные явления — изменения температуры, возникновение облаков, грозы и ураганы — происходят именно внутри этого, нижнего слоя атмосферы. Температура в тропосфере падает примерно на 0,6 °С, а давление — примерно на 12,5 гПа каждые 100 м увеличения высоты. В верхней части тропосферы находится переходный слой, называемый тропопаузой, благодаря которому в тропосфере удерживается содержащаяся в ней влага.

Высота тропопаузы меняется в зависимости от географической широты местности и времени года, поскольку её сечение имеет форму эллипса, а не окружности. Высота тропопаузы имеет важное значение: с ней связано возникновение реактивных потоков и турбулентностей при ясном небе. Выше тропопаузы располагаются ещё три атмосферных слоя.

Первый из них, называемый стратосферой, простирается от тропопаузы до высоты примерно 50 км. В этом слое погода остаётся почти неизменной, а воздух сохраняется в стабильном состоянии, хотя некоторые виды облаков иногда достигают стратосферы. Выше стратосферы лежат мезосфера и термосфера, которые практически не оказывают влияния на погоду.

Циркуляция атмосферы. Как было сказано выше, атмосфера находится в постоянном движении. Оно вызвано сочетанием нескольких факторов, самый главный из которых — неравномерный нагрев поверхности Земли. Это явление нарушает равновесие в атмосфере, приводя к перемещению масс воздуха и изменению атмосферного давления. Движение воздуха над поверхностью Земли называется циркуляцией атмосферы.

Нагрев поверхности Земли обусловлен несколькими процессами, но в простейшей конвекционной модели, которая будет рассматриваться далее, Земля нагревается благодаря воздействию солнечного излучения. Этот процесс вызывает круговое движение воздушных масс — нагреваясь, воздух поднимается вверх, и его место занимает более холодный воздух.

Тёплый воздух поднимается вверх потому, что при нагреве молекулы воздуха начинают двигаться быстрее. При этом объём воздуха увеличивается, он становится менее плотным и более лёгким, чем окружающая атмосфера. По мере остывания воздуха движение молекул становится менее интенсивным, из-за чего плотность и вес воздуха возрастает. В результате холодный, более тяжёлый воздух устремляется вниз, вытесняя тёплый, который занимает его место.

Поскольку шарообразная Земля при движении вокруг Солнца вращается вокруг наклонной оси, экваториальные области планеты получают больше солнечного тепла, чем полярные регионы. Количество солнечной энергии, нагревающей поверхность Земли, зависит от времени года и географической широты местности. Эти факторы влияют на продолжительность воздействия солнечного излучения и угол, под которым лучи падают на земную поверхность.

Наибольшее количество солнечного тепла приходится на экваториальные области. В результате воздух здесь менее плотный и стремится подняться вверх. Приближаясь к полярным регионам, воздух охлаждается, его плотность растёт, и он снова опускается к поверхности Земли (рис. 11-3).

Атмосферное давление. Неравномерный нагрев поверхности Земли не только изменяет плотность воздуха, вызывая циркуляцию; он также приводит к изменениям в давлении воздуха — силе, с которой молекулы воздуха воздействуют на находящиеся в атмосфере тела. Хотя молекулы воздуха невидимы, они обладают весом и занимают место в пространстве.

Представьте себе изолированный столб воздуха, площадь основания которого 1 см2, а высота равна толщине атмосферы (560 км). Для того, чтобы поднять этот столб, необходимо приложить силу в 1,033 кг. Эта величина отражает удельный вес воздуха. Если уменьшить высоту столба, давление, оказываемое на его основание, а равно и вес столба, снизятся.

На высоте 5,5 км вес столба воздуха будет равен приблизительно 0,52 кг, примерно вдвое меньше, чем на уровне моря. Например, если бытовые весы (калиброванные для уровня моря) поднять на высоту 5,5 км, давящий на их поверхность столб воздуха, который на уровне моря весил чуть больше 1 кг, станет короче на 5,5 км и будет весить примерно 0,5 кг, что в два раза меньше (рис. 11-4).

Фактическое давление для определённых местности и времени меняется в зависимости от высоты над уровнем моря, температуры и плотности воздуха. Эти условия также влияют на лётно-технические характеристики ЛА, особенно в фазах взлёта, набора высоты и посадки.