Метеорологические элементы

Метеорологические элементы

Неустойчивая погода, грозящая опасностями, напротив, сразу же привлекает внимание к текущим сообщениям о метеорологических характеристиках. Сами специалисты-метеорологи именуют эти характеристики «метеорологическими элементами».

Основные из них следующие.

1. Температура воздуха – выражает физическое состояние атмосферы, ее внутреннюю энергию. Измеряется не прямо (подобно, например, длине), а путем соприкасания измеряемого объекта с термометрическим веществом, в качестве которого могут использоваться вода, спирт, ртуть. В метеорологическом термометре термометрическим веществом обычно служит ртуть, помещенная в резервуар термометра. Считается, что термометр изобрел Галилей в 1597 г. Применяются термометры различных конструкций, различного назначения и различной точности, например минимальные, максимальные, почвенные, глубоководные и другие, фиксирующие измеренную температуру. Выражается по стоградусной шкале, предложенной в 1742 г. Андерсом Цельсием, профессором астрономии шведского университета в Упсале.

В отечественную метеорологию шкала введена с 1 января 1870 г. директором Главной физической обсерватории (ГФО) Г.И. Вильдом, отмечавшим: «Может показаться поразительным, что до сих пор в науке остается нерешенным вопрос, что надо разуметь под температурой воздуха, тогда как этот вопрос является основным для метеорологии». В итоге многолетних исследований Вильд установил, что для надежного определения действительной температуры воздуха необходимо выполнить три условия: 1) защитить термометры от солнечной радиации; 2) создать вентиляцию у резервуаров термометров; 3) установить термометры на такой высоте, чтобы исключить влияние земной поверхности. Окончательное решение, принятое в инструкции 1889 г., гласило: «Термометр, установленный в цинковой клетке деревянной будки (будке Вильда или русской будке) на высоте 2 м над поверхностью почвы, после двухминутного вентилирования потоком воздуха скоростью 2– 2,5 м/сек, дает истинную температуру воздуха».

2. Атмосферное давление – сила, действующая на единицу площади. Измеряется высотой ртутного столба, уравновешивающего давление атмосферы. Выражается в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Нормальным (стандартным) атмосферным давлением считают вес столба ртути высотой 760 мм с основанием 1 кв. см. В единицах силы – миллибарах, которыми также пользуются метеорологи, такому давлению соответствует 1013,2 миллибар. В Петербурге зафиксированы колебания от 730 мм (сентябрь 1948 г.) до 790 мм (ноябрь 1941 г.). Величина атмосферного давления вызывает в наше время сугубый интерес в связи с всеобщей озабоченностью состоянием здоровья каждого индивида и человечества в целом. Не уместно ли вспомнить «Золотого теленка»? – «Вы знаете, Зося, – сказал великий комбинатор, – на каждого человека, даже партийного, давит атмосферный столб весом в двести четырнадцать кило. Вы этого не замечали?..»

Атмосферное давление измеряется барометрами. Изобрел этот прибор Торричелли в 1643 г. В России с 1835 г. использовался барометр конструкции А.Я. Купфера, основателя и первого директора ГФО. В 1870—1882 гг. этот барометр был усовершенствован Вильдом, заново построен, сравнен с другими приборами, в том числе и заграничными, доведен до высокой точности. Установленные в ГФО барометры Купфера Вильда получили титул «нормальных», служили эталонами в течение столетия, до 1977 г.

3. Ветер – движение воздуха относительно земной поверхности.

3.1. Направление ветра – указание точки горизонта, откуда дует ветер. В наземных метеорологических измерениях направление дается по странам света с делением горизонта на 8 или 16 частей (румбов) или в градусах, ведя отсчет от севера по часовой стрелке. Так, ветер северного направления обозначается «с» и 0 градусов, северо-восточного – «св» и 45 градусов, южного – «ю» и 180 градусов, западного – «з» и 270 градусов, северо-западного – «сз» и 315 градусов. В Петербурге, морском городе, часто приходится встречаться с указаниями направлений течения воды. Необходимо знать, что они отсчитываются от точки, куда стремится поток. Так, невские воды продолжают свое движение в Невской губе и далее к Финскому заливу, то есть течение имеет в ординарных условиях западное направление, от города. А западный ветер направлен к городу.

3.2. Скорость ветра – скорость движения воздуха относительно земной поверхности. Измеряется длиной, пройденной частицей воздуха за единицу времени: в метрах в секунду, иногда в километрах в час.

Направление и скорость ветра измеряются по флюгеру, который состоит из укрепленных на столбе высотой 8-10 м указателя сторон света и доски весом 800 граммов, отклоняющейся силой ветра вдоль металлической дуги со штифтами. Каждому штифту соответствует определенная скорость. Принцип флюгера известен с древности, но в метеорологическую практику России этот прибор внедрен Вильдом в 1869—1871 гг. и в почти неизменном виде используется до сих пор. Генрих Иванович не довольствовался флюгером и изобрел механический прибор для измерения скорости ветра – анемометр, в котором движение воздуха воспринималось четырьмя вращающимися полушариями («чашками») и счетчиком числа оборотов. Испытания анемометра проводились летом 1871 г. на Варшавской железной дороге при безветренной погоде. Чашки были установлены на тендере паровоза, скорость которого регулировалась в пределах 15—45 км/час. У каждого верстового столба отмечалось время и число оборотов чашек. После таких испытаний и поверок анемометр использовался в практической работе. Приборы для измерения скорости и направления ветра постоянно совершенствовались и наряду с традиционными флюгерами применяются и в настоящее время. Наиболее распространены электрические анемометры, фиксирующие направление, осредненную скорость ветра и его максимальные порывы.

4. Влажность воздуха – содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность – количество водяного пара в единице объема, измеряемое в граммах на 1 кубический сантиметр. Относительная влажность – отношение количества водяного пара, содержащегося в воздухе, к его количеству при полном насыщении. Практически используется и непосредственно воспринимается именно относительная влажность, выражаемая в процентах. Влажность воздуха измеряется косвенно: через температурные измерения, как разность показаний обычного («сухого») термометра, показывающего температуру окружающего воздуха, и показания «смоченного» термометра, с поверхности которого происходит испарение. По измеренным значениям температур с помощью специальных таблиц находят абсолютную и относительную влажность. Существуют также гигрометры – приборы, непосредственно измеряющие влажность с помощью обезжиренного волоса, изменяющего длину при изменении относительной влажности. Измерение влажности воздуха считается в метеорологии едва ли не самой сложной процедурой.

Четырьмя перечисленными метеорологическими элементами исчерпываются сведения о текущей «мгновенной» погоде, сообщаемые нам средствами массовой информации (СМИ). Журналисты и комментаторы получают эти сведения из гидрометеоцентров, обсерваторий, управлений гидрометеослужбы. А туда они поступают по линиям связи с гидрометеорологических станций, где их наблюдали, измеряли, записывали и передавали каждые 3-6 часов, но не реже 2 раз в сутки. Сеть гидрометеорологических станций – источник наших знаний об атмосфере, основа службы погоды, главный субъект гидрометеорологии. Большинство станций возникали постепенно, в какой-то степени даже стихийно, их создатели остались неизвестными. Вокруг уже существовавших поселений администраторы, строители, купцы, энтузиасты-краеведы и другие заинтересованные любознательные люди выбирали участки, удобные для наблюдений за погодой и характеризующие метеорологические условия данной местности. Вначале наблюдения были визуальными, чисто описательными, но постепенно оснащались приборами и оборудованием. Ряд станций создавались планомерно, особенно во вновь осваиваемых районах – в Арктике, Сибири, Средней Азии. Все станции образовали государственную гидрометеорологическую сеть, методическое и научное руководство которой осуществляли вначале отдельные ученые, а затем специальные учреждения, такие как Главная физическая (геофизическая) обсерватория, региональные обсерватории, местные управления гидрометеорологической службы. Каждая гидрометеорологическая станция представляет собой, по существу, своеобразную физическую лабораторию под открытым небом. История каждой станции органически связана с историей своего региона и является частью его материального и культурного достояния.

Гидрометеорологическая сеть России насчитывает в настоящее время более 3000 станций, из них около 500 расположены на Северо-Западе, в том числе примерно несколько десятков в Ленинградской области. Наблюдают погоду и в самом Петербурге. Главная станция находится на Песочной набережной Малой Невки. Она перенесена сюда в 1933 г. с приустьевой части Васильевского острова, где действовала с 1834 г. как Нормальная обсерватория при Горном институте, затем с 1863 г. в составе Главной физической обсерватории.

Эту городскую гидрометеорологическую станцию можно с полным основанием отнести к петербургским достопримечательностям. В черте города в разное время работали, а некоторые действуют и сейчас, другие станции наблюдений за погодой: в парке Лесотехнической академии, в Морском порту, в аэропорту «Пулково», вблизи железнодорожной станции Фарфоровская, на Охте при Гидрометеорологическом университете. В окрестностях Петербурга – в Ломоносове, Кронштадте, Лисьем Носу, Сестрорецке – также находятся гидрометеорологические станции. Жаль только, что городские и пригородные станции так или иначе испытывают антропогенную нагрузку, которая искажает истинные условия погоды. Впрочем, такое положение открывает возможности для проведения различных методических работ по учету влияния города на погоду.

Метеорологическая станция занимает обычно открытый ровный участок площадью около одной тысячи квадратных метров (около 10 соток), на котором размещается основное оборудование: флюгер, будка с термометрами, измерители солнечной радиации, осадков, испарения, температуры почвы. Вблизи располагается здание станции, где установлены барометр, различные регистрирующие и передающие устройства, а также помещение для наблюдателей. Кроме упомянутых метеорологических элементов (температуры, давления, ветра и влажности), на станциях измеряют и наблюдают облачность, количество выпавших осадков, видимость, испарение, температуру почвы, особые погодные явления: туманы, дымку, гололед, изморози. На некоторых станциях измеряют солнечную радиацию, для чего используется специальная аппаратура. Станции у берегов рек, озер, морей по праву именуются гидрометеорологическими, поскольку наблюдают за колебаниями уровня воды, волнами, температурой воды, льдом и другими элементами и явлениями на этих водных объектах. Имеются станции аэрологические, исследующие верхние слои атмосферы; агрометеорологические, обслуживающие сельское хозяйство. Есть болотные, санаторно-курортные, дорожные станции. В определенных квадратах Мирового океана несут вахту корабли погоды, обеспечивающие безопасность мореплавания и межконтинентальной авиации. Но главное – их информация по настоящему бесценна, ибо на трех четвертях планеты Земля, покрытых водой, нет постоянной гидрометеорологической сети. Наконец, вот уже почти полвека за погодой следят из космоса метеорологические спутники.

Скажем и о других метеорологических элементах.

Облачность – степень покрытия неба облаками, очень важный показатель погоды, иногда единственный, по которому мы оцениваем метеорологические условия (пасмурно, облачно, переменно, ясно). Состоят облака из взвешенных капель воды или кристаллов льда, образовавшихся в результате преобразований в атмосфере водяного пара. Облачность также предвестник будущей погоды и используется как местный признак состояния атмосферы. Вследствие важности этого метеорологического элемента, еще в начале XIX в. принята международная классификация облаков. До сих пор основной способ наблюдений за облачностью на большинстве станций – визуальный. Оценивается по 10-балльной шкале: 0-2 балла – ясно, 3-7 баллов – полуясно, 8-10 баллов – пасмурно. Обычно дается двойная оценка облачности: общая (учитываются все облака на небосводе) и только нижняя облачность.

С середины XX в. облачность, прежде всего, ее высота, измеряется инструментально, с помощью радиолокаторов. Различают облака нижнего яруса высотой менее 2 км, среднего яруса – от 2 до 6 км, верхнего яруса – выше 6 км. В каждом ярусе различают несколько видов облаков. Назовем основные из них. К нижнему ярусу относятся слоисто-дождевые облака, из которых обычно выпадают осадки, по виду темные, серые, свинцовые; к среднему – высокослоистые облака, позволяющие неясно видеть солнце или луну, обычно уплотняющиеся и переходящие в слоисто-дождевые; к верхнему – перистые облака, которые отличаются прозрачностью, незначительно уменьшая солнечное сияние.

Есть облака вертикального развития, относящиеся к разным ярусам – кучевые, особенно привычные нашему глазу, типичные в теплое время года. Их еще называют иногда облаками хорошей погоды, но они часто переходят в кучево-дождевые, или ливневые или грозовые. Насчитывается более 10 видов облаков, все они имеют латинские обозначения. В Петербурге преобладает нижняя облачность, связанная с циклоническим переносом воздушных масс с Атлантического океана. Совершенно ясных дней у нас совсем немного – в среднем всего 27 дней в году. Облачность сокращает почти в 3 раза возможную продолжительность солнечного сияния, которая могла бы составлять в год 4528 часов, а в действительности оказывается равной 1563 часа.

Осадки – дождь, снег, град, роса, иней, изморозь. Основное значение имеют осадки, выпадающие из облаков, то есть дождь и снег. Различаются обложные осадки (носят обычно умеренный и продолжительный характер), ливневые (интенсивны, порой внезапны, часто возобновляются), моросящие (состоят из мелких водяных капель, мельчайших снежинок, интенсивность очень мала). Количество осадков измеряется высотой слоя воды в миллиметрах на непроницаемой поверхности прибора – дождемера, представляющего собой открытый металлический сосуд, защищенный воронкообразным щитом. Зимние – «твердые» – осадки на метеостанциях растапливают и измеряют, подобно летним. Обычно определяется сумма осадков за сутки, затем вычисляются количества осадков за декаду, месяц, сезон и любые промежутки времени. Согласно норме, максимум осадков в Петербурге приходится на август, минимум – на март, однако отклонения от нормы бывают существенными. Интенсивность осадков – их количество, выпавшее в единицу времени. Определяется обычно в миллиметрах в час или в минуту. Интенсивность осадков – очень изменчивая величина, не превышающая в среднем 1,5 мм/ч. Но 22 июня 1967 г. на главной метеостанции Ленинграда за минуту выпало 8 мм дождя.

Видимость – наибольшее расстояние, на котором в светлое время суток можно различить невооруженным глазом на фоне неба у горизонта темный объект. Определяется обычно визуально, по ориентирам на местности, либо специальной аппаратурой. Выражается в километрах или метрах. В идеальных условиях составляет не менее 10 км. Но различные явления (туман, дымка, осадки) могут снизить видимость до 100 м. Видимость – одна из характеристик прозрачности атмосферы.

Туман – скопление взвешенных в воздухе капель воды или кристаллов льда, ухудшающих видимость до расстояний менее 1 км. Туман в городе – опасное метеорологическое явление. Туманы в Петербурге вызываются поступлением теплого воздуха на охлажденную поверхность (адвективные туманы) или ночным охлаждением приземного воздуха в ясную погоду (радиационные туманы). Наиболее часты и продолжительны в холодный период года. Изменчивы даже в пределах города, вблизи водоемов и на возвышенностях учащаются. Средняя продолжительность туманов в Петербурге -4 часа, но в октябре 1940 г. туман над городом простоял около полутора суток.

Дымка – с физической точки зрения тот же туман, можно характеризовать как слабый туман. В городских условиях наблюдается значительно чаще тумана: в Петербурге в среднем почти через день. Ограничивает видимость от 1 до 10 км. Дымку часто принимают за туман и наоборот. «Над Кронштадтом туман, в синей дымке дома…».

Гололед, изморозь – явления, возникающие в холодное время года из-за туманов и дождей. Приводят к отложениям льда на дорогах, сооружениях, линиях электропередач и связи и т. д. Осложняют хозяйственную деятельность, а при значительных размерах принимают характер опасных метеорологических явлений. Наблюдаются на станциях обычно визуально, иногда по специальным наставлениям определяются размеры и масса отложений, стадии роста, устойчивости и разрушения.

Гроза – атмосферное явление, при котором между отдельными облаками или между облаком и землей возникают многократные электрические разряды (молнии), сопровождающиеся громом. Происходит при развитии мощных кучевых облаков, неустойчивых метеоусловиях и высокой влажности. Гроза может вызвать пожар, повредить линии электропередачи и связи. Особую опасность представляют грозы для авиации. Часто сопровождаются градом, шквалистыми ветрами и ливнями, которые сами по себе также опасны. Визуально фиксируются на станциях и выражаются продолжительностью в часах и числом дней с грозой. Площади распространения гроз определяются метеорологическими радиолокаторами.

Град – разновидность осадков в виде частичек плотного льда разных размеров. Выпадает при грозах, сопровождается ливнями. Опасен для посевов, садово-паркового и коммунального хозяйства, иногда для людей. Продолжается обычно от нескольких до 15—20 минут, на станциях фиксируется визуально.

Снежный покров – слой снега на поверхности почвы, образовавшийся от снегопадов. Характеризуется высотой, обычно в сантиметрах, и плотностью – отношением массы к объему (в граммах на кубический сантиметр). По эти показателям определяется запас воды. Высота снежного покрова измеряется специальными снегомерными рейками и весовыми снегомерами.

Метель – горизонтальный перенос снега ветром. Различают три вида метели: поземка – когда снег, поднятый ветром переносится близко над снежной поверхностью и незначительно ухудшает дальность видимости на уровне наблюдателя; низовая метель – когда переносимый ветром снег поднимается достаточно высоко и значительно ухудшает дальность видимости; общая метель или метель с выпадением снега, удачнее, пожалуй, – просто метель, когда с ветром сочетается снегопад. Метели наносят ущерб, затрудняют работу транспорта, мешают работе на открытом воздухе. Возникают при усилении ветра более 10 м/сек, средняя продолжительность метелей 3 часа. На открытых местах, на берегах Финского залива и Ладожского озера метели продолжаются дольше и повторяются чаще.

Радиационный баланс – результирующее количество лучистой энергии на единицу площади подстилающей поверхности. Слагается из различных потоков: суммарной (прямой – непосредственно от солнечных лучей – и рассеянной – от всего небесного свода при реальных условиях облачности) солнечной радиации, поглощенной и отраженной радиации, эффективного излучения, представляющего собой общую потерю тепла земной поверхностью. Определяет температуру воздуха. Радиационный баланс расходуется на испарение и теплообмен с воздухом и почвой. Лучистые потоки в атмосфере изучаются разделом метеорологии – актинометрией, использующей целый ряд достаточно сложных специальных приборов, а также расчетные методы. Потоки лучистой энергии определяются на метеорологических станциях и в обсерваториях с повышенным объемом измерений и расширенным штатом квалифицированных специалистов. Радиационный баланс и его составляющие выражаются в мегаджоулях на квадратный метр (ранее применявшаяся единица – килокалория на кв. см равна 41,9 мегаджоулей на м2). В Петербурге с ноября по февраль радиационный баланс отрицателен. Его минимальные значения могут достигать -63 МДж/м2 (январь 1972 г.). Максимум радиационного баланса приходится на лето: например, в июле 1967 г. отмечена величина 406 МДж/м2.

Естественная освещенность – полный световой поток прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации. Единица освещенности – люкс (лк), равный освещенности поверхности, на каждый квадратный метр которой приходится равномерно распределенный поток в 1 люмен (лм). Естественная освещенность определяется высотой солнца, облачностью, прозрачностью атмосферы и характером подстилающей поверхности.

Из состава работ на прибрежных гидрометеорологических станциях отметим измерения и наблюдения за уровнем воды. Об этом уже обстоятельно рассказывалось в первой части книги.

Узнав от СМИ сведения о сиюминутной «мгновенной» погоде, мы почти сразу забываем о них, особенно при благоприятных условиях. Но эти сведения не забываются метеорологами. Все измеренные и наблюденные данные наносят на географические карты, превращая их в синоптические, то есть позволяющие обозревать погоду одновременно на значительных пространствах. Комплект таких карт обнаруживает определенный характер изменения погоды, который можно перенести в будущее ее состояние. С некоторой долей риска, конечно… Так используются материалы, полученные на станциях, причем не только в синоптических, но и в гидродинамических прогнозах погоды, являясь для последних исходными начальными данными решения математических уравнений. Так трудоемкая, порой рутинная, работа наблюдателей на метеостанциях воплощается в предсказание будущего, в прогноз погоды, который также звучит в сообщениях СМИ. Но о прогнозах – отдельно…

Использование одномоментных наблюдений за элементами погоды не ограничивается целями прогноза. Так уж повелось в метеорологии, во всяком случае с начала XIX в.: строго и бережно хранить все добытые сведения. С ними можно производить разнообразные действия, прежде всего статистические. Осреднив температуру, давление, влажность за 8 последних сроков наблюдений, получим средние значения этих элементов за истекшие сутки. Аналогично получим результаты за месяцы, сезоны, годы, десятилетия. Для некоторых, к сожалению, немногих мест – за полтора– два века. Мы можем гордиться, что Петербург располагает многолетними материалами метеорологических наблюдений. Такие данные уже не назовешь погодными. Это – сведения о климате, важнейшей характеристике природы интересующего нас места. В нашем случае – Петербурга.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.