Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов физических специальностей высших учебных заведений
**
Аннотация
Излагаются основные сведения о физических процессах атмосферы, их количественной теории и взаимных зависимостях. Материал поясняется и иллюстрируется современными данными наблюдений, выполненных в различных условиях и областях земного шара. Отмечается вклад физики атмосферы в изучение свойств и вековой эволюции окружающей среды — состава воздуха, климата, взаимодействия атмосферы с подстилающей поверхностью и пр.
Рассматриваются строение, состав (в частности, загрязнение), радиационные свойства, тепловой режим атмосферы и их вековые изменения, образование облаков и осадков, формы движения атмосферы всех масштабов, от конвекции и местных ветров до системы общей циркуляции. Приведены данные о возможных воздействиях, намеренных и ненамеренных, человека на воздушную среду.
Библиограф. 26 назв. Ил. 142.
*
Оглавление
Предисловие 6
ГЛАВА I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ АТМОСФЕРЫ. ЕЕ ГАЗОВЫЙ СОСТАВ 7
§ 1. Строение атмосферы 7
§ 2. Барометрическая формула 9
§ 3. Состав атмосферы Ю
§ 4. Кислород 12
§ 5. Углекислый газ 13
§ 6. Ионизация атмосферы 16
ГЛАВА II. АТМОСФЕРНЫЙ ОЗОН И ЕСТЕСТВЕННЫЕ МАЛЫЕ ГАЗЫ АТМОСФЕРЫ 17
§ 7. Значение озона и малых газов 17
§ 8. Единицы измерения 18
§ 9. Оптические свойства озона и других малых газов . 19
§ 10. Распределение озона в атмосфере и его годовые изменения 22
§ 11. Фотохимические процессы образования и распада озона и малых газов 23
§ 12. О фотохимии малых газов 25
§ 13. Перенос озона 27
§ 14. Тропосферный озон 29
ГЛАВА III. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ 31
§ 15. Общие сведения 31
§ 16. Естественное загрязнение 32
§ 17. Антропогенное загрязнение 37
§ 18. Распространение примесей в атмосфере и удаление их 40
§ 19. Климатическое значение загрязнения 46
ГЛАВА IV. ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ 48
§ 20. Единицы измерения влажности воздуха 49
§ 21. Влажность приземного слоя воздуха 50
§ 22. Вертикальное распределение влажности воздуха . 53
ГЛАВА V. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СТАТИКИ АТМОСФЕРЫ. ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА 56
§ 23. Уравнение состояния газов воздуха . 56
§ 24. Зависимость давления воздуха от высоты 57
§ 25. Давление воздуха на уровне моря 59
§ 26. Барометрическая формула для геопотенциала 61
ГЛАВА VI. АДИАБАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ 67
§ 27. Сухо-адиабатический процесс 67
§ 28. Влажно-адиабатический процесс 69
§ 29. Адиабатные графики (термодинамические диаграммы) 71
§ 30. Высота уровня конденсации 73
§ 31. Климатическое значение адиабатических процессов 74
§ 32. Термодинамическая устойчивость в атмосфере 78
§ 33. Гравитационные колебания и волны 80
ГЛАВА VII. РАДИАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ. СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ 82
§ 34. Законы излучения и спектр Солнца 84
§ 35. Распределение солнечного тепла 11а земной поверхности в отсутствие атмосферы 87
§ 36. Вековые изменения радиации и климатов 91
§ 37. Рассеяние и поглощение солнечных лучей в атмосфере 93
§ 38. Закон ослабления солнечного луча на его пути в атмосфере 94
§ 39. Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли , 97
§ 40. Альбедо 100
ГЛАВА VIII. ИЗЛУЧЕНИЕ И РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И АТМОСФЕРЫ 103
§ 41. Излучение земной поверхности 103
§ 42. Излучение газов атмосферы 105
§ 43. Приближенная теория переноса радиации в атмосфере 107
§ 44. Радиационный баланс в атмосфере 113
ГЛАВА IX. ТЕПЛООБМЕН В ВЕРХНИХ СЛОЯХ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ . 116
§ 45. Основы теории распространения тепла в почве 117
§ 46. Теплообмен в верхних слоях океана 124
§ 47. Снежный покров и температура почвы . 127
§ 48. Мелиорация температур почвы 129
§ 49. Многолетняя мерзлота 130
ГЛАВА X. ТЕМПЕРАТУРА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТЫ ЗЕМЛИ 135
§ 50. Тепловой баланс 135
§ 51. Общее распределение температуры на земном шаре 137
§ 52. Влияние растительности 143
§ 53. Заморозки 144
§ 54. Вертикальное распределение и суточный ход температуры в приземном слое 147
§ 55. Температура воздуха в горной стране 149
§ 56. Тропосфера и тропопауза 150
§ 57. Стратосфера, мезосфера и термосфера 156
§ 58. Стандартная и справочные атмосферы 160
§ 59. Вековые колебания температуры 163
ГЛАВА XI. ИСПАРЕНИЕ И ВОДНЫЙ БАЛАНС 170
§ 60. Молекулярно-кинетическая теория испарения 172
§ 61. Процесс диффузии водяного пара 174
§ 62. Испарение с ограниченной поверхности 175
§ 63. Испарение в естественных условиях 178
§ 64. Суточный ход влажности 182
§ 65. Влияние орошения на влажность воздуха 183
ГЛАВА XII. КОНДЕНСАЦИЯ И СУБЛИМАЦИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ 185
§ 66. Упругость насыщенного пара 185
§ 67. Процесс первичной гомогенной конденсации 187
§ 68. Ядра конденсации 189
§ 69. Ледяные ядра 192
ГЛАВА XIII. ОБЛАКА 195
§ 70. Конденсация, сублимация и пересыщение в атмосфере . 195
§ 71. Микроструктура водяных и ледяных облаков 197
§ 72. Формы облаков 200
§ 73. Физические процессы образования облаков 204
§ 74. Туманы . 213
§ 75. Перламутровые и серебристые облака 215
§ 76. Количество облаков 217
ГЛАВА XIV. ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ 220
§ 77. Конденсация 220
§ 78. Общие свойства коагуляции 223
§ 79. Гравитационная коагуляция 225
§ 80. О росте снежных кристаллов 230
§ 81. Искусственное воздействие на облака и осадки 232
§ 82. Осадки 235
§ 83. Град 239
§ 84. Наземные осадки 242
§ 85. Осадки на земном шаре 244
ГЛАВА XV. ВЕТЕР И КИНЕМАТИКА ВОЗДУШНЫХ ТЕЧЕНИИ 247
§ 86. Вертикальное распределение скорости ветра 248
§ 87. Годовой и суточный ход скорости ветра 249
§ 88. Линии тока. Траектории и вертикальные движения воздушных частиц ' 250
ГЛАВА XVI. СИЛЫ И ДВИЖЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ 255
§ 89. Градиент давления и сила тяжести 255
§ 90. Отклоняющая сила вращения Земли 256
§ 91. Геострофический и градиентный ветер 257
§ 92. Изменения геострофического ветра с высотой в зависимости от поля температуры 259
§ 93. Силы внутреннего трения 261
§ 94. Общие уравнения движения атмосферы 262
§ 95. Агеострофические отклонения 263
§ 96. Турбулентность атмосферы 264
§ 97. Пограничный и приземный слои . 266
ГЛАВА XVII. ФРОНТЫ И ЦИКЛОНЫ 271
§ 98. Воздушные массы . 271
§ 99. Поверхности раздела 274
§ 100. Теплый фронт 278
§ 101. Холодный фронт 280
§ 102. Возникновение и типы циклонов и антициклонов . 283
§ 103. Образование и развитие циклонов и антициклонов 286
§ 104. Тропические циклоны 291
ГЛАВА XVIII. МЕСТНЫЕ ВЕТРЫ 299
§ 105. Течения динамического и термического происхождения в горных странах 299
§ 106. Бризы 307
ГЛАВА XIX. ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ 310
§ 107. Средние поля температуры, давления воздуха и ветра, определяющие общую циркуляцию 310
§ 108. Циркуляция тропической зоны 313
§ 109. Циркуляция умеренных широт 318
§110. Муссоны . 323
Литература 326
Предметный указатель 327
*
Предисловие
Физика атмосферы изучает различные происходящие в атмосфере процессы (изменения состояния вещества, движение и т. п.) с помощью физических и математических методов. Количественные связи между геофизическими явлениями позволяют лучше понять их природу. Физика атмосферы опирается на опыт — как на данные метеорологических, аэрологических, спутниковых и других наблюдений в естественных условиях, так и на моделирование в лаборатории. Применяется в ней широко и численный эксперимент, ставший в наше время также методом геофизического исследования. Физике атмосферы свойственна комплексность — зависимость всех явлений как от макроскопической структуры атмосферы и ее течений, так и от процессов молекулярного масштаба, определяющих состав, оптические свойства, фазовые превращения и пр.
Большой задачей физики атмосферы является разработка методов прогноза погоды, которые должны опираться на количественные законы течений воздуха. Увлекательную перспективу открывают и исследования климата, которых мы тоже коснемся в этой книге. Этим исследованиям современная физика предоставила замечательные изотопные и другие методы количественного диагноза изменений климата в прошлые века и вместе с тем открыла некоторые возможности прогноза, например будущего потепления, зависящего от накопления углекислоты.
Весьма актуальна и проблема искусственного воздействия на погоду, осадки и пр. Она, как стало ясно в последние годы, тесно связана со знанием всей цепи «физических причин и следствий, начиная с первичной перестройки микрофизических процессов в облаке и кончая распространением и выпадением осадков на землю.
Специальную и очень острую проблему современности представляет загрязнение атмосферы, во многих районах Земли ставшее социальным бедствием. Физика атмосферы оказывает помощь не только при контроле загрязнения и очищения воздуха, но и анализом условий застоя или распространения примесей, связанных с режимом меняющейся погоды.
В основе данного учебного пособия лежит содержание университетского курса физики атмосферы, читаемого на четвертом курсе физического факуль* тета МГУ с 1951 г. и включающего экспериментальные и теоретические основы этой науки, а также многие ее практические аспекты. К последним относятся, несомненно, и характеристики климатов земного шара, его тропосферы и стратосферы, и некоторые данные о их изменениях.
Поскольку за общим курсом физики атмосферы следует изучение подробного курса ее гидродинамики, в данном пособии рассматриваются лишь основные понятия кинематики и динамики атмосферы и в очень кратком виде намечены практические пути описания погоды. Как принято в учебной литературе, книга содержит лишь очень краткий список наиболее важной литературы, и число ссылок в тексте также невелико.
