Kitabı oxu: «Почему так? Погода и климат. Том 6»
Полная черновая рукопись: 200 из 200 ответов, 100 схем. Научная проверка, доработка иллюстраций и окончательная редактура впереди.
Воздух, тепло и вода
1. Чем погода отличается от климата?
Погода описывает состояние атмосферы в определённом месте и времени: температуру, ветер, облачность и осадки. Климат характеризует распределение таких состояний за длительный период, включая средние значения, сезонность и частоту крайних событий. Поэтому холодный день не отменяет потепления климата, а один жаркий день сам по себе его не доказывает. Для вывода нужны длительные сопоставимые наблюдения. Климат также не является обещанием одинаковой погоды каждый год. Он задаёт статистические условия, в которых возможны разные события. Прогноз на завтра и оценка изменения климата решают разные задачи и используют разные масштабы времени. Чтобы сравнивать местности, учитывают не только среднюю температуру, но и количество осадков, их распределение, продолжительность сезонов и характер изменчивости погоды.
Сравнение масштабов; конкретных наблюдений и прогнозов здесь нет.
Рабочие источники: S01. Проверка не завершена.
2. Почему воздух оказывает давление?
Молекулы воздуха непрерывно движутся и сталкиваются с поверхностями. Их совокупное воздействие создаёт давление. У поверхности Земли оно связано также с весом вышележащего воздуха в поле тяжести. С высотой масса воздуха над нами обычно уменьшается, поэтому давление падает. Однако у одинаковой высоты оно не всегда одинаково: погода и распределение температуры меняют состояние атмосферы. Давление действует во всех направлениях, а не только сверху вниз. Когда внутри и снаружи предмета оно почти одинаково, большой разрушительной разницы не возникает. Если возникает перепад, результат может стать заметным. Для метеорологии важны распределение давления и его изменения. Именно различия между областями помогают объяснять движение воздуха, тогда как одно измерение без окружающей картины даёт ограниченное представление.
Стрелки условные; показано воздействие окружающего воздуха.
Рабочие источники: S02. Проверка не завершена.
3. Почему воздух становится разреженнее с высотой?
Нижние слои атмосферы удерживают и сжимают вес вышележащего воздуха. По мере подъёма давление уменьшается, и в одном объёме обычно оказывается меньше молекул. Поэтому воздух становится разреженнее. Это не означает, что все газы сразу меняют свои относительные доли одинаковым образом: в нижней атмосфере перемешивание поддерживает близкий состав основных компонентов. Но меньшее общее количество молекул означает и меньше кислорода в каждом вдохе при прочих равных условиях. Плотность зависит также от температуры и влажности, поэтому одна высота не задаёт её полностью. Разрежение влияет на аэродинамику, распространение звука и измерения приборов. Атмосфера не обрывается на жёсткой крышке: её плотность постепенно уменьшается, а условные границы выделяют для конкретных научных и практических задач.
Рабочие источники: S02. Проверка не завершена.
4. Почему температура воздуха меняется в течение суток?
Земная поверхность получает солнечную энергию и отдаёт тепло окружающей среде. Днём поступление часто превышает потери, поэтому поверхность и связанный с ней воздух нагреваются. После захода Солнца баланс обычно меняется в сторону охлаждения. Максимум температуры нередко наступает позже полудня, поскольку нагрев продолжается ещё некоторое время. Минимум часто бывает около утра, но облака, ветер и смена воздушных масс способны изменить этот порядок. Вода, почва и городские материалы по-разному запасают энергию, поэтому суточные колебания различаются. Воздух нагревается не только прямым поглощением солнечного света, но и через обмен с поверхностью. Для объяснения конкретного дня нужно учитывать весь тепловой баланс, а не только положение Солнца на небе в данный момент.
Рабочие источники: . Проверка не завершена.
5. Почему зимой холоднее, чем летом?
Главная причина смены сезонов — наклон земной оси. В течение года меняются высота Солнца над горизонтом и продолжительность дня в каждом полушарии. Зимой солнечная энергия распределяется по большей площади и поступает меньше времени, поэтому поверхность в среднем получает меньше тепла. Летом условия обратные. Изменение расстояния Земли от Солнца не объясняет противоположные сезоны полушарий. Местная температура зависит также от океана, ветра, облаков и снежного покрова. Поэтому климатические сезоны не следуют мгновенно за изменением освещения: поверхности нужно время, чтобы нагреться или остыть. На разных широтах сезонность проявляется по-разному. Вблизи экватора важнее могут оказаться изменения осадков, а у полюсов — очень большие различия продолжительности освещённого и тёмного времени.
Сравнение зимы и лета выбранного полушария; без шкалы температуры.
Рабочие источники: . Проверка не завершена.
6. Почему ветер возникает между областями разного давления?
Если давление распределено неодинаково, на воздух действует сила, связанная с этим различием. Она начинает изменять движение воздуха. Но настоящий ветер не обязан идти прямо от максимума давления к минимуму: вращение Земли, трение и особенности рельефа меняют направление. Выше поверхности баланс сил часто приводит к движению вдоль линий равного давления. У земли трение делает картину иной. Чем резче пространственный перепад, тем сильнее потенциальное воздействие, однако скорость зависит от всей ситуации. Ветер переносит тепло, влагу и частицы, поэтому сам меняет атмосферные условия. Для прогноза нужна карта распределения давления и её развитие во времени. Одна стрелка на схеме полезна как первый шаг, но не описывает полностью движение реального воздушного потока.
Рабочие источники: S02. Проверка не завершена.
7. Почему у моря днём ветер может дуть на сушу?
Суша и вода нагреваются по-разному. В солнечный день поверхность суши часто становится теплее соседнего моря, и распределение температуры создаёт местную циркуляцию. У поверхности воздух может двигаться с моря к берегу, а выше — возвращаться обратно. Такое движение называют морским бризом. Ночью соотношение иногда меняется, и возникает береговой бриз. Это не обязательное расписание для любого побережья: сильный общий ветер, облачность и особенности рельефа способны ослабить или изменить местную циркуляцию. Бриз влияет на температуру и облака возле берега, но не возникает из-за того, что море просто «выдыхает» холодный воздух. Причина связана с неодинаковым нагревом и дальнейшим движением атмосферы. Для конкретного дня нужно учитывать местные условия вместе с общей погодной картиной.
Рабочие источники: S04. Проверка не завершена.
8. Что означает влажность воздуха?
Влажность описывает содержание водяного пара в воздухе, но её можно выражать разными способами. Абсолютные показатели связаны с количеством пара, а относительная влажность сравнивает существующее содержание с насыщением при данной температуре. Поэтому одинаковое количество пара может соответствовать разной относительной влажности в тёплом и холодном воздухе. При охлаждении относительная влажность обычно увеличивается, если водяной пар не удаляется. Выражение «воздух держит воду» удобно в быту, но не означает сосуд с неизменной вместимостью. Насыщение определяется физическими условиями равновесия с водой или льдом. Для оценки испарения и образования облаков важно учитывать температуру вместе с влажностью. Одного процента недостаточно, чтобы сравнить запас водяного пара в разных воздушных массах или объяснить все ощущения человека.
Один процент без температуры не задаёт количество пара.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
9. Что такое точка росы?
Точка росы — температура, до которой нужно охладить воздух при заданных условиях, чтобы он достиг насыщения водяным паром. Она помогает оценить количество влаги и вероятность конденсации. Если поверхность становится холоднее точки росы окружающего воздуха, на ней могут появиться капли. Сам воздух не обязан уже содержать видимый туман: пар невидим, а капли возникают после перехода части воды в жидкое состояние. Точка росы отличается от текущей температуры и относительной влажности, хотя эти величины связаны. Чем ближе температура воздуха к точке росы, тем ближе он обычно к насыщению. Для отрицательных температур также важно различать равновесие с водой и льдом. Этот показатель полезен в метеорологии, но конкретное появление росы зависит ещё от охлаждения поверхности и движения воздуха.
Конденсация на поверхности зависит ещё от её температуры.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
10. Почему водяной пар невидим, а облако видно?
Водяной пар состоит из отдельных молекул воды в газообразном состоянии и обычно не виден человеческому глазу. Облако же содержит огромное количество мелких капель или ледяных кристаллов. Они рассеивают свет, благодаря чему облачная область становится заметной. Поэтому белое образование над кипящим чайником — в основном мелкие капли, а не сам газообразный пар. Размер, концентрация и расположение частиц влияют на прозрачность и цвет облака. Когда капли испаряются, вода не исчезает: она переходит в невидимую газовую форму. Это различие помогает понять, почему воздух может быть влажным и совершенно прозрачным. Для формирования облака нужно не только наличие воды, но и условия, при которых часть пара превращается в частицы, достаточно многочисленные для заметного рассеяния света.
Условное сравнение состояний, не микроскопическая фотография.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
11. Как образуется облако?
Воздух, содержащий водяной пар, может охладиться до насыщения. Тогда часть воды переходит в капли или ледяные частицы, часто используя мелкие атмосферные частицы как центры образования. Подъём воздуха является распространённым способом охлаждения: при уменьшении давления он расширяется, и его температура падает. Но облака возникают также при других условиях, например при смешивании воздушных масс. Их форма зависит от движения, устойчивости атмосферы и распределения влаги. Облако не обязательно означает скорый дождь: капли могут оставаться мелкими или испариться. Видимый слой постоянно меняется, поскольку частицы образуются и исчезают. Поэтому облако скорее является областью происходящих процессов, чем неизменным предметом, который ветер переносит целиком. Его существование поддерживается сочетанием условий окружающего воздуха и движения внутри самой облачной области.
Подъём — распространённый путь, но существуют и другие.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
12. Почему не каждое облако даёт дождь?
Облачные капли обычно очень малы. Чтобы стать дождевыми, они должны существенно вырасти через столкновения и слияния или процессы с участием ледяных частиц. Для этого нужны подходящие условия и время. Даже возникшие осадки могут испариться в сухом воздухе, не достигнув поверхности. Поэтому наличие облака ещё не гарантирует дождя на земле. Важны его толщина, температура, содержание воды и движение воздуха. Поднимающиеся потоки способны некоторое время удерживать частицы, а слабый слой может не создать достаточно крупных капель. Видимый тёмный цвет говорит о прохождении света, но не даёт точной величины будущих осадков. Прогноз использует наблюдения и модели развития облака, поскольку один внешний вид не раскрывает все процессы внутри и под ним.
Облако само по себе не гарантирует дождь у поверхности.
Рабочие источники: S06. Проверка не завершена.
13. Почему облачные капли не сразу падают на землю?
На каплю действует тяжесть, но сопротивление воздуха ограничивает скорость её падения. У очень маленьких капель эта скорость невелика, поэтому движения воздуха и турбулентность легко перемещают их внутри облака. Некоторые капли постепенно растут, другие испаряются. Облако не удерживает воду невидимой твёрдой опорой; его видимая форма связана с постоянным образованием и изменением частиц. Когда частицы становятся достаточно крупными, они падают быстрее и могут образовать осадки. Условия ниже облака решают, достигнут ли они поверхности. Такое объяснение относится к совокупности движущихся частиц, а не к одной неподвижной капле. Поэтому облако может выглядеть устойчивым, хотя его отдельные составляющие непрерывно перемещаются, растут и исчезают при изменении температуры и влажности вокруг них.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
14. Чем туман отличается от облака?
По основному составу туман похож на облако: он содержит мелкие водяные капли, а иногда ледяные частицы. Отличие связано с расположением возле поверхности и ухудшением видимости. Туман может образоваться при охлаждении влажного воздуха, его поступлении на холодную поверхность или смешивании разных воздушных масс. Поэтому способы возникновения бывают различными. Не всякая дымка является туманом: пыль, дым и другие частицы тоже рассеивают свет. Для различения важны влажность и условия наблюдения. Солнце и ветер способны рассеять туман, но иногда его поддерживают устойчивый холодный слой и постоянное поступление влаги. Видимость определяется концентрацией и размером капель, а не просто наличием воды в воздухе. Поэтому влажный прозрачный воздух и плотный туман представляют разные состояния окружающей среды.
Рабочие источники: S03. Проверка не завершена.
15. Почему появляется роса?
Ночью поверхность может терять тепло через излучение и становиться холоднее окружающего воздуха. Если её температура опускается ниже точки росы, часть водяного пара конденсируется на ней. Так возникают капли на траве, листьях и других предметах. Это не обязательно вода, выпавшая из облака: она могла перейти из воздуха непосредственно на охлаждённую поверхность. Степень охлаждения зависит от облачности, ветра и свойств предмета. Ясная спокойная ночь часто способствует росе, но конкретные условия важнее общего правила. Капли на растениях могут также иметь другое происхождение, например выделяться самим растением, поэтому внешний вид не всегда достаточен для определения процесса. Роса показывает совместное действие влажности и теплового баланса поверхности, а не служит отдельным универсальным признаком предстоящей погоды.
Схема росы; выделение воды растением является другим процессом.
Рабочие источники: S06. Проверка не завершена.
16. Как образуется снег?
Снежные частицы формируются в холодных облаках при росте ледяных кристаллов. Водяной пар может осаждаться на них, а сами кристаллы — объединяться в более крупные снежинки. Их форма зависит от температуры и условий роста, которые меняются по пути. Поэтому разнообразие очень велико. При падении через тёплый слой снег способен частично или полностью растаять и превратиться в дождь. Температура возле земли важна, но одной её недостаточно: нужно знать состояние воздуха выше. Снег не является просто замёрзшей дождевой каплей; для таких частиц существуют другие процессы образования. Свойства снежного покрова зависят от последующих изменений, уплотнения и таяния. Поэтому свежая снежинка и лёд в старом сугробе относятся к разным этапам истории одной и той же воды.
Рабочие источники: S06. Проверка не завершена.
17. Почему облака бывают белыми и серыми?
Капли и ледяные частицы рассеивают свет. В сравнительно тонком и хорошо освещённом облаке много рассеянного света достигает наблюдателя, поэтому оно выглядит белым. Толстая облачная область пропускает меньше света к нижней стороне, и та кажется серой или тёмной. Влияют также положение Солнца, окружающее небо и направление взгляда. Цвет не является прямым измерением количества дождя. Два облака могут выглядеть сходно, но отличаться внутренними процессами. На закате облака окрашиваются светом, который уже прошёл длинный путь через атмосферу, поэтому появляются тёплые оттенки. Для научного описания используют измеренные свойства излучения и частиц. Внешний цвет полезен для наблюдения, но его нужно понимать как результат освещения и прохождения света, а не как самостоятельное свойство воды.
Рабочие источники: S05. Проверка не завершена.
18. Почему ясной ночью иногда холоднее, чем облачной?
Поверхность излучает тепловую энергию постоянно. Облака поглощают часть инфракрасного излучения и сами излучают, в том числе вниз, уменьшая чистые потери тепла поверхностью при многих условиях. Поэтому облачная ночь может быть теплее ясной при сопоставимых остальных обстоятельствах. Это не означает, что облако работает как твёрдое одеяло или всегда повышает температуру. Днём оно способно заметно уменьшать поступление солнечной энергии, а ветер и смена воздушных масс могут перевесить местный эффект. Важны высота, температура и свойства облачного слоя. Для конкретного прогноза оценивают полный энергетический баланс. Ночное охлаждение объясняется обменом излучением и другими потоками тепла, поэтому сравнение двух ночей имеет смысл только с учётом различий в их влажности, движении воздуха и состоянии поверхности.
Рабочие источники: . Проверка не завершена.
19. Почему мокрая поверхность охлаждается при испарении?
Для перехода воды из жидкости в пар требуется энергия. Если она поступает от самой поверхности и окружающего воздуха, их температура может снижаться. Поэтому испарение пота помогает охлаждать тело, а влажная почва иногда нагревается иначе, чем сухая. Скорость процесса зависит от температуры, влажности, движения воздуха и доступности воды. Во влажном воздухе испарение обычно затруднено, поэтому ощущение жары может усиливаться. Ветер способен ускорять обмен, но итоговая температура определяется ещё и другими потоками энергии. Испарение не всегда заметно охлаждает большой водоём, потому что одновременно поступает солнечное тепло. При последующей конденсации энергия высвобождается, что важно для атмосферных процессов. Круговорот воды переносит не только вещество, но и энергию между поверхностью и разными областями атмосферы.
Рабочие источники: S06. Проверка не завершена.
20. Зачем температуру измеряют в тени?
Термометр должен характеризовать температуру воздуха, а прямой солнечный свет способен нагреть сам прибор выше неё. Поэтому метеорологические измерения выполняют с защитой от излучения и обеспечением обмена воздухом. Просто положить термометр в любую тень недостаточно: рядом могут находиться нагретая стена, закрытый объём или другие источники влияния. Важны условия размещения и стандартная методика. Температура поверхности асфальта при этом может заметно отличаться от температуры воздуха. Обе величины полезны, но отвечают на разные вопросы. Показание на солнце нельзя автоматически сравнивать с официальным прогнозом. Для сопоставления разных мест и лет нужны одинаковые правила измерения и сведения об изменениях оборудования. Так отделяют реальное изменение атмосферы от разницы, вызванной расположением и свойствами самого датчика.
Это принцип измерения, а не инструкция размещения метеостанции.
Рабочие источники: . Проверка не завершена.
Движение атмосферы
21. Почему большая часть привычной погоды связана с тропосферой?
Тропосфера является нижним слоем атмосферы, тесно связанным с поверхностью. Здесь находится большая часть атмосферной массы и водяного пара, а обмен с сушей и океаном поддерживает перемешивание. Поэтому многие облака, осадки и погодные движения развиваются именно в ней. Её толщина меняется с широтой, сезоном и состоянием атмосферы. Верхняя граница не является твёрдой крышкой: существуют обмен и взаимодействие с вышележащими слоями. Процессы выше тоже способны влиять на погоду внизу, поэтому отделять тропосферу полностью неправильно. Название обозначает характерную область структуры, а не одинаковую высоту повсюду. Для прогноза измеряют условия на разных уровнях, поскольку температура и ветер возле земли не раскрывают всей вертикальной картины, от которой зависит развитие облаков и движения воздушных масс.
Рабочие источники: . Проверка не завершена.
