Погода – это состояние атмосферы , описывающее, например, насколько жарко или холодно, влажно или сухо, спокойно или бурно, ясно или облачно . [1] На Земле большинство погодных явлений происходит в самом нижнем слое атмосферы планеты , тропосфере , [2] [3] чуть ниже стратосферы . Под погодой понимают ежедневную температуру, осадки и другие атмосферные условия, тогда как климат — это термин, обозначающий усреднение атмосферных условий за более длительные периоды времени. [4] При использовании без уточнений под словом «погода» обычно понимают погоду на Земле.
Погода зависит от давления воздуха , температуры и разницы влажности между одним местом и другим. Эти различия могут возникать из-за угла наклона Солнца в любом конкретном месте, который меняется в зависимости от широты . Сильный контраст температур между полярным и тропическим воздухом порождает крупнейшие атмосферные циркуляции : ячейку Хэдли , ячейку Феррела , полярную ячейку и струйное течение . Погодные системы в средних широтах , такие как внетропические циклоны , вызваны нестабильностью струйного течения. Поскольку ось Земли наклонена относительно плоскости ее орбиты (так называемой эклиптики ), солнечный свет падает под разными углами в разное время года. На поверхности Земли температура обычно колеблется в пределах ±40 ° C (от -40 до 104 ° F) в год. За тысячи лет изменения на орбите Земли могут повлиять на количество и распределение солнечной энергии, получаемой Землей, тем самым влияя на долгосрочный климат и глобальные изменения климата .
Разница температур поверхности, в свою очередь, вызывает разницу давления. На больших высотах прохладнее, чем на нижних, поскольку большая часть нагрева атмосферы происходит из-за контакта с поверхностью Земли, а радиационные потери в космос в основном постоянны. Прогнозирование погоды — это применение науки и техники для прогнозирования состояния атмосферы на будущее время и в данном месте. Погодная система Земли — хаотичная система ; в результате небольшие изменения в одной части системы могут оказать большое влияние на систему в целом. Попытки человека контролировать погоду предпринимались на протяжении всей истории, и есть свидетельства того, что человеческая деятельность , такая как сельское хозяйство и промышленность, изменяла погодные условия.
Изучение того, как работает погода на других планетах, помогло понять, как работает погода на Земле. Знаменитая достопримечательность Солнечной системы , 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, по сути, очень тонкую атмосферу во всей Солнечной системе. Движение массы, выбрасываемой Солнцем , известно как солнечный ветер .
На Земле распространенными погодными явлениями являются ветер, облака , дождь, снег, туман и пыльные бури . Менее распространенные явления включают стихийные бедствия, такие как торнадо , ураганы , тайфуны и ледяные бури . Почти все привычные погодные явления происходят в тропосфере (нижней части атмосферы). [3] Погода действительно возникает в стратосфере и может влиять на погоду ниже, в тропосфере, но точные механизмы плохо изучены. [5]
Погода возникает в первую очередь из-за разницы давления воздуха, температуры и влажности от одного места к другому. Эти различия могут возникать из-за угла наклона солнца в любом конкретном месте, который варьируется в зависимости от широты тропиков. Другими словами, чем дальше от тропиков находится человек, тем ниже угол наклона солнца, что приводит к тому, что в этих местах становится прохладнее из-за распространения солнечного света по большей поверхности. [6] Сильный температурный контраст между полярным и тропическим воздухом приводит к возникновению крупномасштабных ячеек атмосферной циркуляции и реактивных течений . [7] Погодные системы в средних широтах, такие как внетропические циклоны , вызваны нестабильностью 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 в разное время года падает под разными углами. 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 солнца на климат ). [10] Этот эффект вызывает смену времен года. Изменения орбитальных параметров Земли на протяжении тысяч и сотен тысяч лет 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 влаги, или фронтогенез ) может быть обусловлен и самой погодой в виде облачности и осадков. [12] На больших высотах обычно холоднее, чем на меньших, что является результатом более высокой температуры поверхности и радиационного нагрева, что приводит к адиабатическому градиенту . [13] [14] В некоторых ситуациях температура действительно увеличивается с высотой. Это явление известно как инверсия и может привести к тому, что на вершинах гор будет теплее, чем в долинах внизу. Инверсии могут привести к образованию тумана и часто действуют как шапка , подавляющая развитие грозы. В локальных масштабах разница температур может возникать из-за того, что разные поверхности (например, океаны, леса, ледяные щиты или рукотворные объекты) имеют разные физические характеристики, такие как отражательная способность , шероховатость или содержание влаги.
Разница температур поверхности, в свою очередь, вызывает разницу давления. Горячая поверхность нагревает воздух над ней, заставляя его расширяться и снижать плотность и, как следствие, давление воздуха на поверхности . [15] Результирующий горизонтальный градиент давления перемещает воздух из областей с более высоким давлением в область с более низким, создавая ветер, а вращение Земли затем вызывает отклонение этого воздушного потока из-за эффекта Кориолиса . [16] Сформированные таким образом простые системы могут затем проявлять эмерджентное поведение , создавая более сложные системы и, следовательно, другие погодные явления. Крупномасштабные примеры включают ячейку Хэдли , а пример меньшего масштаба - прибрежные бризы .
Атмосфера – хаотичная система . В результате небольшие изменения в одной части системы могут накапливаться и усиливаться, вызывая большие последствия для системы в целом. [17] Эта атмосферная нестабильность делает прогноз погоды менее предсказуемым, чем приливные волны или затмения. [18] Хотя трудно точно предсказать погоду более чем на несколько дней вперед, синоптики постоянно работают над расширением этого предела посредством метеорологических исследований и совершенствования существующих методологий прогнозирования погоды. Однако теоретически невозможно делать полезные ежедневные прогнозы более чем на две недели вперед, что накладывает верхний предел потенциала улучшения навыков прогнозирования. [19]
Погода – один из фундаментальных процессов, формирующих Землю. В процессе выветривания горные породы и почвы распадаются на более мелкие фрагменты, а затем на составляющие их вещества. [20] Во время дождя капли воды поглощают и растворяют углекислый газ из окружающего воздуха. Это приводит к тому, что дождевая вода становится слегка кислой, что усиливает эрозионные свойства воды. Высвободившиеся осадки и химические вещества затем могут свободно принимать участие в химических реакциях, которые могут дополнительно повлиять на поверхность (например, кислотные дожди ), а ионы натрия и хлорида (соль) откладываются в морях/океанах. Осадок может со временем и под действием геологических сил преобразоваться в другие породы и почвы. Таким образом, погода играет важную роль в эрозии поверхности. [21]
Погода, если смотреть с антропологической точки зрения, — это то, что все люди в мире постоянно ощущают посредством своих органов чувств, по крайней мере, находясь снаружи. 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] Таким образом, люди часто сообщают о погоде. Национальная метеорологическая служба составляет ежегодный отчет о погибших, травмах и общих затратах на ущерб, включая 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: погибло 42 человека, а ущерб урожаю и имуществу составил более 3 миллиардов долларов. [23]
Погода сыграла большую, а иногда и непосредственную 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 менее масштабные перемещения населения и непосредственно вмешались в исторические события. Одним из таких событий является спасение Японии от вторжения монгольского флота Хубилай-хана ветрами- камикадзе в 1281 году . Кэролайн . [25] Совсем недавно ураган «Катрина» перераспределил более миллиона человек с центрального побережья Персидского залива в другие районы Соединенных Штатов, став крупнейшей диаспорой в истории Соединенных Штатов. [26]
Малый ледниковый период стал причиной неурожаев и голода в Европе. В период, известный как Гриндевальдское колебание (1560–1630 гг.), 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-е годы во Франции наблюдался самый сильный голод со времен Средневековья. Финляндия пережила сильный голод в 1696–1697 годах, во время которого погибло около трети населения Финляндии. [29]
Прогнозирование погоды — это применение науки и техники для прогнозирования состояния атмосферы на будущее время и в данном месте. Люди пытались неформально предсказать погоду 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 это была общечеловеческая задача, основанная главным образом на изменениях барометрического давления , текущих погодных условий и состояния неба, теперь [32] [33] модели прогнозирования используются для определения будущих условий. С другой стороны, для выбора наилучшей модели прогнозирования, на которой будет основываться прогноз, по-прежнему требуется человеческий вклад, который включает в себя множество дисциплин, таких как навыки распознавания образов, телесвязи , знание производительности модели и знание предвзятости модели.
Хаотичная природа атмосферы, огромные вычислительные мощности, необходимые для решения уравнений, описывающих атмосферу, ошибка измерения начальных условий и неполное понимание атмосферных процессов означают, что прогнозы становятся менее точными из-за разницы в текущем времени . а время, на которое делается прогноз ( диапазон прогноза), увеличивается. Использование ансамблей и консенсуса моделей помогает уменьшить ошибку и выбрать наиболее вероятный результат. [34] [35] [36]
Есть 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 торговцев сырьевыми товарами 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 тот или иной день. Поскольку деятельность на свежем воздухе сильно ограничена проливным дождем , снегом и холодным ветром , прогнозы можно использовать для планирования мероприятий в связи с этими событиями и для планирования заранее, чтобы выжить в них.
Прогноз погоды в тропиках отличается от прогнозов в более высоких широтах. Солнце светит в тропиках более непосредственно, чем в более высоких широтах (по крайней мере, в среднем за год), что делает тропики теплыми (Стивенс, 2011). Причем вертикальное направление (вверх, если стоять на поверхности Земли) перпендикулярно оси вращения Земли на экваторе, тогда как ось вращения и вертикаль на полюсе одинаковы; 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 облаками в более высоких широтах, где они более жестко контролируются более масштабными силами в атмосфере. Из-за этих различий прогнозировать облака и дождь в тропиках труднее, чем в более высоких широтах. С другой стороны, в тропиках температуру легко прогнозировать, поскольку она не сильно меняется. [46]
Стремление контролировать погоду очевидно на протяжении всей истории человечества: от древних ритуалов, направленных на то, чтобы вызвать дождь для урожая, до военной операции США «Попай» — попытки нарушить линии снабжения путем удлинения сезона дождей в Северном Вьетнаме . Наиболее успешные попытки повлиять на погоду включают засев облаков ; они включают в себя методы рассеивания тумана и низких слоев , используемые в крупных аэропортах, методы, используемые для увеличения зимних осадков над горами, и методы подавления града . [47] Недавним примером контроля над погодой стала подготовка Китая к Летним Олимпийским играм 2008 года . Китай выпустил 1104 ракеты для рассеивания дождя с 21 объекта в городе Пекин , пытаясь не допустить дождя на церемонию открытия игр 8 августа 2008 года. Го Ху, глава Пекинского муниципального метеорологического бюро (BMB), подтвердил успех. В результате операции выпало 100 миллиметров осадков в городе Баодин провинции Хэбэй , на юго-западе и в пекинском районе Фаншань , где выпало 25 миллиметров осадков. [48]
Хотя существуют неубедительные доказательства эффективности этих методов, существует обширное свидетельство того, что человеческая деятельность, такая как 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 размером меньше мезомасштаба , около 1 км или меньше. Эти две отрасли метеорологии иногда группируют вместе как «мезомасштабную и микромасштабную метеорологию» (МММ) и вместе изучают все явления меньших, чем синоптический масштаб ; то есть они изучают объекты, которые обычно слишком малы, чтобы их можно было отобразить на карте погоды . К ним относятся небольшие и, как правило, мимолетные облачные «затяжки» и другие небольшие облачные особенности. [52]
На Земле температура обычно колеблется от ± 40 ° C (от 100 ° F до -40 ° F) в год. Диапазон климатов и широт по всей планете может предлагать экстремальные температуры за пределами этого диапазона. Самая низкая температура воздуха, когда-либо зарегистрированная на Земле, составила -89,2 ° C (-128,6 ° F) на станции Восток в Антарктиде 21 июля 1983 года. Самая высокая температура воздуха, когда-либо зарегистрированная, составила 57,7 ° C (135,9 ° F) на станции Азизия , Ливия. , 13 сентября 1922 г., [54] , но это чтение 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 в Антарктиде. [56]
Самая низкая среднегодовая температура в постоянно населенном месте — в Юрике, Нунавут , в Канаде, где среднегодовая температура составляет -19,7 ° C (-3,5 ° F). [57]
Самое ветреное место, когда-либо зарегистрированное, находится в Антарктиде, в заливе Содружества (побережье Георга V). [ нужна цитата ] Здесь штормы достигают скорости 199 миль в час (320 км/ч ). [ нужна цитата ] Кроме того, самый большой снегопад за последние двенадцать месяцев произошел в Маунт-Рейнир , штат Вашингтон, США. Было зафиксировано выпадение 31 102 мм (102,04 фута) снега. [58]
Изучение того, как работает погода на других планетах, считается полезным для понимания того, как она работает на Земле. [59] Погода на других планетах подчиняется многим из тех же физических принципов, что и погода на Земле , но происходит в других масштабах и в атмосферах, имеющих другой химический состав. Миссия Кассини -Гюйгенс на Титане обнаружила облака, образованные из метана или этана, которые выбрасывают дождь, состоящий из жидкого метана и других органических соединений . [60] Атмосфера Земли включает шесть широтных циркуляционных зон, по три в каждом полушарии. [61] Напротив, полосатый вид Юпитера показывает множество таких зон, [62] Титан имеет один реактивный поток около 50-й параллели северной широты, [63] а Венера имеет одиночный реактивный поток около экватора. [64]
Одна из самых известных достопримечательностей Солнечной системы , Большое Красное Пятно Юпитера , представляет собой антициклонический шторм, который, как известно, существует уже не менее 300 лет. [65] На других газовых гигантах отсутствие поверхности позволяет ветру достигать огромных скоростей: на планете Нептун зафиксированы порывы до 600 метров в секунду (около 2100 км/ч или 1300 миль в час) . [66] Это создало загадку для планетологов . Погода в конечном итоге создается солнечной энергией, и количество энергии, получаемой Нептуном, составляет лишь около 1/900 от количества, получаемого Землей, однако интенсивность погодных явлений на Нептуне гораздо больше, чем на Земле . [67] Самые сильные планетарные ветры, обнаруженные на данный момент, наблюдаются на внесолнечной планете HD 189733 b , где, как полагают, восточные ветры перемещаются со скоростью более 9600 километров в час (6000 миль в час). [68]
Погода не ограничивается планетарными телами. Как и все звезды, солнечная корона постоянно теряется в космосе, создавая, по сути, очень тонкую атмосферу во всей Солнечной системе . Движение массы, выбрасываемой Солнцем, известно как солнечный ветер . Несоответствия 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 . Корональные выбросы массы были обнаружены в Солнечной системе даже на Сатурне . [69] Активность этой системы может влиять на атмосферы планет , а иногда и на поверхности. Взаимодействие солнечного ветра с земной атмосферой может вызвать впечатляющие полярные сияния [70] и нанести ущерб электрически чувствительным системам, таким как электрические сети и радиосигналы. [71]
скачать PowerPoint