Погода — это состояние атмосферы , описывающее, например, степень того, насколько она жаркая или холодная, влажная или сухая, спокойная или штормовая, ясная или облачная . [1] На Земле большинство погодных явлений происходит в самом нижнем слое атмосферы планеты , тропосфере , [2] [3] чуть ниже стратосферы . Погода относится к ежедневной температуре, осадкам и другим атмосферным условиям, тогда как климат — это термин, обозначающий усреднение атмосферных условий за более длительные периоды времени. [4] При использовании без уточнений «погода» обычно понимается как погода на Земле.
Погода обусловлена разницей в давлении воздуха , температуре и влажности между одним местом и другим. Эти различия могут возникать из-за угла наклона Солнца в любой конкретной точке, который меняется в зависимости от широты . Сильный температурный контраст между полярным и тропическим воздухом приводит к возникновению самых масштабных атмосферных циркуляций : ячейки Хэдли , ячейки Ферреля , полярной ячейки и струйного течения . Погодные системы в средних широтах , такие как внетропические циклоны , вызваны нестабильностью струйного течения. Поскольку ось Земли наклонена относительно ее орбитальной плоскости (называемой эклиптикой ), солнечный свет падает под разными углами в разное время года. На поверхности Земли температура обычно колеблется в пределах ±40 °C (от -40 °F до 104 °F) в год. На протяжении тысяч лет изменения орбиты Земли могут влиять на количество и распределение солнечной энергии, получаемой Землей, тем самым влияя на долгосрочный климат и глобальное изменение климата .
Различия температур поверхности, в свою очередь, вызывают различия в давлении. Большие высоты холоднее, чем меньшие высоты, так как большая часть нагрева атмосферы происходит из-за контакта с поверхностью Земли, в то время как потери на излучение в космос в основном постоянны. Прогнозирование погоды - это применение науки и технологий для предсказания состояния атмосферы в будущем времени и в заданном месте. Погодная система Земли - это хаотичная система ; в результате небольшие изменения в одной части системы могут вырасти и оказать большое влияние на систему в целом. Попытки человека контролировать погоду происходили на протяжении всей истории, и есть доказательства того, что такая деятельность человека, как сельское хозяйство и промышленность, изменила погодные условия.
Изучение того, как погода работает на других планетах, было полезно для понимания того, как погода работает на Земле. Знаменитая достопримечательность в Солнечной системе , Большое Красное Пятно Юпитера , представляет собой антициклонический шторм, который, как известно, существует уже не менее 300 лет. Однако погода не ограничивается планетарными телами. Корона звезды постоянно теряется в космосе, создавая то, что по сути является очень тонкой атмосферой во всей Солнечной системе. Движение массы, выбрасываемой Солнцем, известно как солнечный ветер .
На Земле распространенные погодные явления включают ветер, облака , дождь, снег, туман и пыльные бури . Менее распространенные события включают стихийные бедствия, такие как торнадо , ураганы , тайфуны и ледяные бури . Почти все знакомые погодные явления происходят в тропосфере (нижней части атмосферы). [3] Погода действительно происходит в стратосфере и может влиять на погоду ниже в тропосфере, но точные механизмы плохо изучены. [5]
Погода возникает в первую очередь из-за разницы в давлении воздуха, температуре и влажности от одного места к другому. Эти различия могут возникать из-за угла падения солнечных лучей в любой конкретной точке, который варьируется в зависимости от широты в тропиках. Другими словами, чем дальше от тропиков находится место, тем меньше угол падения солнечных лучей, что делает эти места более прохладными из-за распространения солнечного света по большей поверхности. [6] Сильный температурный контраст между полярным и тропическим воздухом приводит к появлению крупномасштабных ячеек атмосферной циркуляции и струйного течения . [7] Погодные системы в средних широтах, такие как внетропические циклоны , вызваны нестабильностью потока струйного течения (см. бароклинность ). [8] Погодные системы в тропиках, такие как муссоны или организованные грозовые системы, вызваны различными процессами.
Поскольку ось Земли наклонена относительно плоскости ее орбиты, солнечный свет падает под разными углами в разное время года. В июне Северное полушарие наклонено к Солнцу , поэтому на любой широте Северного полушария солнечный свет падает на это место более прямо, чем в декабре (см. Влияние угла падения солнца на климат ). [10] Этот эффект вызывает смену времен года. На протяжении тысяч или сотен тысяч лет изменения параметров орбиты Земли влияют на количество и распределение солнечной энергии, получаемой Землей , и влияют на долгосрочный климат. (См. Циклы Миланковича ). [11]
Неравномерный солнечный нагрев (образование зон градиентов температуры и влажности, или фронтогенез ) также может быть вызван самой погодой в виде облачности и осадков. [12] Большие высоты обычно холоднее, чем меньшие, что является результатом более высокой температуры поверхности и радиационного нагрева, который создает адиабатический градиент . [13] [14] В некоторых ситуациях температура фактически увеличивается с высотой. Это явление известно как инверсия и может привести к тому, что вершины гор будут теплее, чем долины ниже. Инверсии могут привести к образованию тумана и часто действуют как колпак , который подавляет развитие грозы. В локальных масштабах разница температур может возникать из-за того, что разные поверхности (такие как океаны, леса, ледяные щиты или созданные человеком объекты) имеют разные физические характеристики, такие как отражательная способность , шероховатость или влажность.
Различия температур поверхности, в свою очередь, вызывают различия давления. Горячая поверхность нагревает воздух над собой, заставляя его расширяться и понижать плотность и, как следствие, давление воздуха на поверхности . [15] Возникающий горизонтальный градиент давления перемещает воздух из областей с более высоким давлением в области с более низким, создавая ветер, а затем вращение Земли вызывает отклонение этого воздушного потока из-за эффекта Кориолиса . [16] Образованные таким образом простые системы затем могут демонстрировать эмерджентное поведение для создания более сложных систем и, следовательно, других погодных явлений. Примерами крупных масштабов являются ячейка Хэдли , в то время как примером меньших масштабов будут прибрежные бризы .
Атмосфера — это хаотичная система . В результате небольшие изменения в одной части системы могут накапливаться и усиливаться, вызывая большие эффекты для всей системы. [17] Эта атмосферная нестабильность делает прогноз погоды менее предсказуемым, чем приливные волны или затмения. [18] Хотя сложно точно предсказать погоду более чем на несколько дней вперед, синоптики постоянно работают над расширением этого предела с помощью метеорологических исследований и совершенствования текущих методологий прогнозирования погоды. Однако теоретически невозможно делать полезные ежедневные прогнозы более чем на две недели вперед, что накладывает верхний предел на потенциал улучшения навыков прогнозирования. [19]
Погода является одним из фундаментальных процессов, формирующих Землю. Процесс выветривания разрушает горные породы и почвы на более мелкие фрагменты, а затем на их составляющие вещества. [20] Во время выпадения дождей капли воды поглощают и растворяют углекислый газ из окружающего воздуха. Это делает дождевую воду слегка кислой, что способствует эрозионным свойствам воды. Высвобождаемые осадки и химикаты затем свободно участвуют в химических реакциях, которые могут влиять на поверхность дальше (например, кислотные дожди ), а ионы натрия и хлорида (соль) откладываются в морях/океанах. Осадки могут со временем и под действием геологических сил преобразовываться в другие горные породы и почвы. Таким образом, погода играет важную роль в эрозии поверхности. [21]
Погода, рассматриваемая с антропологической точки зрения, — это то, что все люди в мире постоянно ощущают через свои чувства, по крайней мере, находясь на улице. Существуют социально и научно обоснованные представления о том, что такое погода, что заставляет ее меняться, какое влияние она оказывает на людей в различных ситуациях и т. д. [22] Поэтому погода — это то, о чем люди часто общаются. Национальная метеорологическая служба ежегодно составляет отчет о смертельных случаях, травмах и общих затратах на ущерб, которые включают урожай и имущество. Они собирают эти данные через офисы Национальной метеорологической службы, расположенные в 50 штатах США, а также в Пуэрто-Рико , Гуаме и Виргинских островах . По состоянию на 2019 год торнадо оказали наибольшее воздействие на людей, унеся 42 человеческих жизни, при этом ущерб урожаю и имуществу составил более 3 миллиардов долларов. [23]
Погода сыграла большую, а иногда и прямую роль в истории человечества . Помимо климатических изменений , которые вызвали постепенный дрейф населения (например, опустынивание Ближнего Востока и образование сухопутных мостов во время ледниковых периодов), экстремальные погодные явления вызвали перемещения населения меньшего масштаба и напрямую вмешались в исторические события. Одним из таких событий является спасение Японии от вторжения монгольского флота Хубилая с помощью ветров камикадзе в 1281 году. [24] Французские претензии на Флориду прекратились в 1565 году, когда ураган уничтожил французский флот, что позволило Испании захватить Форт Каролина . [25] Совсем недавно ураган Катрина перераспределил более миллиона человек с центрального побережья залива в другие места по всем Соединенным Штатам, став крупнейшей диаспорой в истории Соединенных Штатов. [26]
Малый ледниковый период стал причиной неурожаев и голода в Европе. В период, известный как Гриндельвальдская флуктуация (1560–1630), вулканические воздействия [27], по-видимому, привели к более экстремальным погодным явлениям. [28] К ним относятся засухи, штормы и несезонные метели, а также расширение швейцарского ледника Гриндельвальд . В 1690-х годах во Франции наблюдался самый сильный голод со времен Средневековья. Финляндия пострадала от сильного голода в 1696–1697 годах, во время которого погибло около трети финского населения. [29]
Прогнозирование погоды — это применение науки и технологий для предсказания состояния атмосферы в будущем времени и в заданном месте. Люди пытались предсказать погоду неформально на протяжении тысячелетий, а формально — по крайней мере с девятнадцатого века. [30] Прогнозы погоды составляются путем сбора количественных данных о текущем состоянии атмосферы и использования научного понимания атмосферных процессов для прогнозирования того, как атмосфера будет развиваться. [31]
Когда-то полностью человеческие усилия, основанные в основном на изменениях барометрического давления , текущих погодных условий и состояния неба, [32] [33] модели прогнозирования теперь используются для определения будущих условий. С другой стороны, человеческий вклад по-прежнему необходим для выбора наилучшей возможной модели прогнозирования, на которой будет основываться прогноз, что включает в себя множество дисциплин, таких как навыки распознавания образов, телесвязи , знание производительности модели и знание смещений модели.
Хаотическая природа атмосферы, огромная вычислительная мощность , необходимая для решения уравнений, описывающих атмосферу, ошибка, связанная с измерением начальных условий, и неполное понимание атмосферных процессов означают, что прогнозы становятся менее точными по мере увеличения разницы между текущим временем и временем, на которое делается прогноз ( диапазон прогноза). Использование ансамблей и консенсуса моделей помогает сузить ошибку и выбрать наиболее вероятный результат. [34] [35] [36]
Существует множество конечных пользователей прогнозов погоды. Погодные предупреждения являются важными прогнозами, поскольку они используются для защиты жизни и имущества. [37] [38] Прогнозы, основанные на температуре и осадках , важны для сельского хозяйства, [39] [40] [41] [42] и, следовательно, для трейдеров на фондовых рынках. Прогнозы температуры используются коммунальными компаниями для оценки спроса на ближайшие дни. [43] [44] [45]
В некоторых регионах люди используют прогнозы погоды, чтобы определить, что надеть в определенный день. Поскольку активный отдых на открытом воздухе сильно ограничен сильным дождем , снегом и ветром , прогнозы можно использовать для планирования мероприятий в связи с этими событиями и для планирования заранее, чтобы пережить их.
Прогнозирование погоды в тропиках отличается от прогнозирования погоды в более высоких широтах. Солнце светит более прямо на тропики, чем на более высокие широты (по крайней мере, в среднем за год), что делает тропики теплыми (Stevens 2011). И вертикальное направление (вверх, если стоять на поверхности Земли) перпендикулярно оси вращения Земли на экваторе, в то время как ось вращения и вертикаль совпадают на полюсе; это приводит к тому, что вращение Земли сильнее влияет на циркуляцию атмосферы в высоких широтах, чем в низких. Из-за этих двух факторов облака и ливни в тропиках могут возникать более спонтанно по сравнению с теми, что в более высоких широтах, где они более жестко контролируются более масштабными силами в атмосфере. Из-за этих различий облака и дождь сложнее прогнозировать в тропиках, чем в более высоких широтах. С другой стороны, температуру в тропиках легко прогнозировать, потому что она не сильно меняется. [46]
Стремление контролировать погоду очевидно на протяжении всей истории человечества: от древних ритуалов, призванных вызвать дождь для урожая, до военной операции США «Попай» , попытки нарушить линии снабжения путем удлинения северовьетнамского муссона . Наиболее успешные попытки повлиять на погоду включают засев облаков ; они включают методы рассеивания тумана и низких слоистых облаков , используемые крупными аэропортами, методы, используемые для увеличения зимних осадков над горами, и методы подавления града . [47] Недавним примером управления погодой стала подготовка Китая к летним Олимпийским играм 2008 года . Китай запустил 1104 дождевые ракеты с 21 точки в Пекине , чтобы не допустить дождя во время церемонии открытия игр 8 августа 2008 года. Го Ху, глава Пекинского муниципального метеорологического бюро (BMB), подтвердил успешность операции, выпав 100 миллиметров осадков в городе Баодин провинции Хэбэй на юго-западе, а в районе Фаншань в Пекине зафиксировано количество осадков в размере 25 миллиметров. [48]
Хотя убедительных доказательств эффективности этих методов нет, имеются многочисленные доказательства того, что деятельность человека, например, сельское хозяйство и промышленность, приводит к непреднамеренному изменению погоды: [47]
Последствия непреднамеренного изменения погоды могут представлять серьезную угрозу для многих аспектов цивилизации, включая экосистемы , природные ресурсы , производство продуктов питания и волокон, экономическое развитие и здоровье человека. [51]
Микромасштабная метеорология — это изучение кратковременных атмосферных явлений, меньших, чем мезомасштаб , около 1 км или меньше. Эти две ветви метеорологии иногда объединяются вместе как «мезомасштабная и микромасштабная метеорология» (МММ) и вместе изучают все явления, меньшие, чем синоптический масштаб ; то есть они изучают особенности, которые обычно слишком малы, чтобы быть отображенными на карте погоды . К ним относятся небольшие и, как правило, мимолетные облачные «клубы» и другие небольшие облачные особенности. [52]
На Земле температура обычно колеблется в пределах ±40 °C (от 100 °F до −40 °F) в год. Диапазон климатов и широт по всей планете может предложить экстремальные температуры за пределами этого диапазона. Самая низкая температура воздуха, когда-либо зарегистрированная на Земле, составляет −89,2 °C (−128,6 °F) на станции Восток , Антарктида 21 июля 1983 года. Самая высокая температура воздуха, когда-либо зарегистрированная, составляла 57,7 °C (135,9 °F) в Азизии , Ливия, 13 сентября 1922 года, [54] но это показание подвергается сомнению . Самая высокая зарегистрированная среднегодовая температура составила 34,4 °C (93,9 °F) в Даллоле , Эфиопия. [55] Самая низкая зарегистрированная среднегодовая температура составила −55,1 °C (−67,2 °F) на станции Восток , Антарктида. [56]
Самая низкая среднегодовая температура в постоянно населенном пункте зафиксирована в Эврике, Нунавут , в Канаде, где среднегодовая температура составляет -19,7 °C (-3,5 °F). [57]
Самое ветреное место, когда-либо зарегистрированное, находится в Антарктиде, залив Содружества (побережье Георга V). Здесь штормы достигают 199 миль в час (320 км/ч ). [58] Кроме того, самый большой снегопад за период в двенадцать месяцев произошел в Маунт-Рейнир , штат Вашингтон, США. Было зафиксировано 31 102 мм (102,04 фута) снега. [59]
Изучение того, как погода работает на других планетах, считается полезным для понимания того, как она работает на Земле. [60] Погода на других планетах следует многим из тех же физических принципов, что и погода на Земле , но происходит в других масштабах и в атмосферах с другим химическим составом. Миссия Кассини-Гюйгенс на Титане обнаружила облака, образованные из метана или этана, которые выпадают в виде дождя, состоящего из жидкого метана и других органических соединений . [61] Атмосфера Земли включает шесть широтных циркуляционных зон, по три в каждом полушарии. [62] Напротив, полосатый вид Юпитера показывает множество таких зон, [63] Титан имеет единственное струйное течение около 50-й параллели северной широты, [64] а Венера имеет единственное струйное течение около экватора. [65]
Одна из самых известных достопримечательностей Солнечной системы , Большое Красное Пятно Юпитера , представляет собой антициклонический шторм, который, как известно, существует уже не менее 300 лет. [66] На других гигантских планетах отсутствие поверхности позволяет ветру достигать огромных скоростей: на планете Нептун были зафиксированы порывы до 600 метров в секунду (около 2100 км/ч или 1300 миль в час) . [67] Это создало загадку для планетологов . Погода в конечном итоге создается солнечной энергией, а количество энергии, получаемой Нептуном, составляет всего около 1 ⁄ 900 от того, что получает Земля, однако интенсивность погодных явлений на Нептуне намного больше, чем на Земле. [68] По состоянию на 2007 год [обновлять]самые сильные планетарные ветры были обнаружены на экзопланете HD 189733 b , на которой, как полагают, дуют восточные ветры со скоростью более 9600 километров в час (6000 миль в час). [69]
Погода не ограничивается планетарными телами. Как и все звезды, корона Солнца постоянно теряется в космосе, создавая то, что по сути является очень тонкой атмосферой по всей Солнечной системе . Движение массы, выбрасываемой Солнцем, известно как солнечный ветер . Непоследовательности в этом ветре и более крупные события на поверхности звезды, такие как выбросы корональной массы , образуют систему, которая имеет характеристики, аналогичные обычным погодным системам (таким как давление и ветер) и обычно известна как космическая погода . Выбросы корональной массы были отслежены в Солнечной системе вплоть до Сатурна . [70] Активность этой системы может влиять на планетарные атмосферы и иногда на поверхности. Взаимодействие солнечного ветра с земной атмосферой может вызывать впечатляющие полярные сияния , [71] и может нанести ущерб электрически чувствительным системам, таким как электросети и радиосигналы. [72]
powerpoint
Медиа, связанные с погодой на Wikimedia Commons
Цитаты, связанные с погодой в Wikiquote