1. ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ АТМОСФЕРИ ТА СОНЯЧНА РАДІАЦІЯ

1.1. Атмосфера та її основні властивості

1.1.1. Історія розвитку метеорології

1.1.2. Склад атмосфери, значення основних її компонентів для сільського господарства

1.1.3. Атмосферний тиск, прилади для його вимірювання

1.1.4. Зміна тиску з висотою та по горизонталі

1.1.5. Будова атмосфери, методи її досліджень

1.1.1. Історія розвитку метеорології та сільськогосподарської метеорології

Запам’ятайте!

Метеорологія – це наука про земну атмосферу та фізичні процеси, які в ній відбуваються

Метеорологія вивчає склад, температуру, вологість повітря, сонячну радіацію, виникнення хмар та опадів, вітер, причини заморозків, посух, пилових бур та ін.

В процесі свого розвитку із метеорології виділились інші самостійні науки – синоптика, кліматологія, авіаційна метеорологія, медична метеорологія, будівельна метеорологія, транспортна метеорологія, а також сільськогосподарська метеорологія.

Історія розвитку метеорології розпочинається з написання першої книги з метеорології давньогрецьким вченим Аристотелем (384-322 р. до н.е.). В цій книзі були узагальнені спостереження давніх греків за явищами погоди та були зроблені перші спроби їх пояснення (був встановлений зв’язок між зміною напрямку вітру зі зміною погоди). У середні віки в літописи заносились дані про різні незрозумілі та небезпечні явища – посухи, суховії, повені, затемнення Сонця, оптичні явища та ін.

Метеорологічні спостереження за допомогою приладів розпочалися у 16 столітті, коли італійський вчений Галілей створив термометр (1597 р.), а Торрічеллі – барометр (1643 р.).

В той же час робляться перші спроби зробити на основі тільки що встановлених законів механіки та фізики пояснення деяких метеорологічних явищ, а саме: ставиться на обговорення питання про походження пасатів, тобто виникає проблема вивчення загальної циркуляції атмосфери; дається успішне пояснення цілого ряду оптичних явищ в атмосфері (Ньютон, Декарт). На цих перших кроках метеорології як науки, вона розвивається у надрах фізики і у вирішенні її питань приймають участь видатні фізики того часу (Галілей, Ньютон, Торрічеллі, Паскаль та ін.)

Перші регулярні метеорологічні спостереження на території України, яка входила тоді до складу Російської імперії, почали проводитись за наказом Петра І у 1722 р.

Значне розширення робіт в галузі метеорології відбулося в середині 19 століття.

До цього часу вже склалося чітке уявлення про розподіл повітряних течій в їх зв’язку з розподілом атмосферного тиску, а винайдення телеграфу забезпечило швидку передачу результатів спостережень та дало можливість складання і вивчення щоденних карт погоди.

Виникнення сільськогосподарської метеорології та кліматології не пов’язане

з окремими вченими. Ці науки розвивалися в результаті роботи численної групи вчених і практиків.

О.І. Воєйков (1842-1916) опрацьовував питання про вплив лісу на клімат. Він визначав, що ліси укріплюють береги річок і захищають їх від розмивання, перешкоджають розмиванню схилів балок і не дають розвиватися ерозії ґрунту, укріплюють піски, затримують сніг на полях, захищають поля від вітрів і тим сприяють збереженню вологи в грунті, зменшують літні спеки і посухи тощо. У ті ж роки (1883- 1886) відомий учений геофізик і метеоролог О.В. Клосовський (1856-1917) організував метеорологічну мережу, яка охоплювала велику територію від Бессарабії до Криму і від Одеси до Чернігова. На цій мережі станцій вперше проводилися спостереження не тільки над метеорологічними елементами, але й над ростом і станом сільськогосподарських культур.

О.В. Клосовський накреслив шляхи розвитку сільськогосподарської метеорології: «межі власне прикладної метеорології починаються там, де настає с п і л ь н а праця метеорологів і людей практики, там, де об’єктом вивчення є паралельно погода і яка-небудь певна галузь практичного життя, наприклад погода і захворюваність, погода і снігові заноси, погода і сільськогосподарські явища».

Так, вперше у всьому обсягу було поставлене питання про сільськогосподарську метеорологію, вказані організаційні шляхи і форми виконання роботи, намічені провідні теми досліджень, створена мережа метеостанцій.

П.І. Броунов (1852-1927), наслідуючи приклад О.В. Клосовського, організував Придніпровську мережу метеорологічних станцій, до програми робіт якої були включені сільськогосподарські і фенологічні спостереження. У бюлетенях, що їх видавав П.І. Броунов, друкувалися не тільки результати метеорологічних спостережень, але і дані про врожаї.

У 20-30 роки 20 століття наука набуває державного значення. Створюється широка мережа метеорологічних станцій, відкриваються гідрометеорологічні інститути. В Україні діє Державний комітет по гідрометеорології, якому підпорядковані бюро погоди, обласні гідрометеорологічні бюро та метеорологічні станції. Досягнення українських агрометеорологів дістали визнання в усьому світі. Науковці України є учасниками Міжнародної агрометеорологічної комісії, членами Всесвітньої служби погоди. За міжнародною угодою у Вашингтоні, Мельбурні, Москві створено Світові метеорологічні центри, куди надходить інформація із супутників Землі, науково-дослідних суден, метеостанцій. Ця інформація обробляється і розповсюджується практично в усі країни світу, що дає змогу враховувати її при складанні прогнозів погоди.

1.1.2. Склад атмосфери, значення основних її компонентів для сільського господарства

Запам’ятайте!

Атмосфера – це повітряна оболонка планети, яка складається з механічної суміші газів

Основну масу повітря (99%) становлять азот і кисень. Один відсоток, що залишився, майже цілком займає аргон. У невеликих кількостях є вуглекислий газ, неон, криптон, ксенон, гелій, озон, аміак, водень.

Склад чистого сухого повітря:

Вміст у атмосфері основних газів до великої висоти є сталим. Причиною такої сталості складу повітря є процеси дифузії, безперервний рух атмосфери і перемішування її вертикальними і горизонтальними повітряними течіями, а також турбулентним (хаотичним) рухом.

Зверніть увагу!

В атмосфері завжди присутні

також водяна пара

та інші домішки (пил, промислові викиди, морська сіль тощо)

У верхніх шарах атмосфери (у шарі від 10 до 40 км) під впливом ультрафіолетових променів Сонця утворюється алотропічна видозміна кисню – озон. Найбільша кількість його спостерігається в шарі 20-25 км; звідси вгору і вниз кількість його зменшується. Озон впливає на поглинання та випромінювання атмосферою променистої енергії, а отже на тепловий режим атмосфери. Особливо сильно озон вбирає короткі хвилі сонячного спектру, що мають велике значення в біології.

Із усіх газів атмосфери для сільського господарства найбільш важливими є:

Азот – входить до складу рослинних та тваринних білків, основний елемент ґрунтового живлення рослин. Вільний азот атмосфери з’єднується з деякими ґрунтовими бактеріями, що збагачує грунт азотом.

Кисень – необхідний для дихання організмів. Збагачення на нього ґрунту підвищує активність бактерій, поліпшує ріст і розвиток кореневої системи, прискорює розкладання та гниття органічних речовин.

Вуглекислий газ – використовується рослинами для дихання і сприяє фотосинтезу. Надходить у повітря під час дихання людей і тварин, гниття, згоранні палива, тощо. Вміст СО₂ постійно збільшується, тому і виникає «парниковий ефект».

Відео 1 Атмосфера Землі, її будова та склад https://www.youtube.com/watch?v=gOB6XBraxqA

1.1.3. Атмосферний тиск, прилади для його вимірювання

Основні фізичні властивості атмосфери – тиск і температура. Земна атмосфера знаходиться в полі тяжіння Землі, тому на молекули газів, що входять до складу повітря, діє сила тяжіння. Завдяки цій силі повітря набуває ваги і тисне на земну поверхню.

Чи знаєте ви, що…

1 м³ повітря при температурі 0⁰С і тиску 760 мм важить 1,293 кг

Запам’ятайте!

Атмосферний тиск (Р) – це сила, з якою тисне на земну поверхню стовп повітря, розташований між поверхнею Землі та верхньою межею атмосфери

Тиск вимірюється у Паскалях (Па), мілібарах (мб), міліметрах ртутного стовпчика (мм рт. ст.). Співвідношення деяких одиниць атмосферного тиску:

1 мб = 100 Па;

1 мм рт. ст. = 133 Па;

1 Па = 7,50 × 10^-3 мм рт. ст.

Нормальним атмосферним вважається тиск на рівні моря при температурі 0⁰С. Він дорівнює 760 мм ртутного стовпчика.

Ртутний чашковий барометр являє собою скляну трубку довжиною 80-100 см, діаметром 7,2 мм, наповнену ртуттю і запаяну з одного кінця. Другий (вільний) кінець трубки опущений у чашку з ртуттю і не торкається дна. Тому ртуть може вільно надходити в трубку і виливатися з неї в чашку. Якщо повітря і ртуть перебувають у стані рівноваги, тоді на рівні горизонтальної поверхні у чашці і в трубці тиск однаковий.

Барометр-анероїд використовується для маршрутних та польових досліджень. Повітря з анероїдної коробки викачане. Коробка з двох спаяних гофрованих мембран, кругла, металева, тонкостінна, служить приймальною частиною. Спеціальна пружина захищає її від зовнішнього тиску повітря. Коли тиск повітря зростає, то верхня мембрана трохи вгинається всередину, а якщо тиск знижується, то вона піднімається вгору під дією пружини. Через систему важелів коливання мембран передається на стрілку, що рухається по шкалі. Шкала барометра-анероїда проградуйована від 600 до 800 мм рт. ст.

Барограф застосовують для безперервної реєстрації тиску повітря. Стовпчик з кількох сполучених між собою анероїдних коробок верхнім краєм з’єднаний з передавальним механізмом, а нижній край закріплений на біметалевій пластинці. Коли атмосферний тиск підвищується, пружний стовпчик коробок дещо вкорочується; при зниженні тиску, навпаки, - подовжується. Система важелів передає зміни довжини стовпчика анероїдних коробок стрілці з пером на кінці. Залежно від типу стрічки перо прокреслює лінію добового чи тижневого ходу атмосферного тиску. При підготовці до роботи спеціальну паперову стрічку з горизонтальними лініями (тиск у мілібарах) та вертикальними дугами (періоди доби або тижня) накладають на барабан та закріплюють. Барабан із стрічкою обертається за допомогою годинникового механізму, який заводять ключем.

Чи знаєте ви, що…

• найвищий атмосферний тиск відзначено 12 грудня 1968 в Акапі, на півночі Сибіру. Тиск повітря на рівні моря досягав  1133,3 гПа;

• найнижчий атмосферний тиск, що дорівнює 880 гПа, було зареєстровано в центрі урагану Джімбер в Тихому океані 12 вересня 1988 р.

1.1.4. Зміна тиску з висотою та по горизонталі

Тиск з висотою зменшується (бо зменшується висота стовпа повітря). Тому на рівнинах тиск вищий, а у горах – нижчий. У різних точках земної кулі тиск різний (залежить від пори року, клімату, географічної широти тощо). Інформацію про атмосферний тиск дають метеостанції. Так як вони знаходяться у різних місцях і на різних висотах, то його приводять до одного рівня – рівня моря.

На географічну карту наносять тиск, виміряний в один і той же час у різних пунктах. Пункти, де тиск однаковий, з’єднують плавними лініями, які називають ізобари («ізо» - рівний). Виділяють ділянки з низьким та високим тиском, тобто циклони та антициклони. Переміщення цих ділянок дуже важливе для прогнозів погоди.

1.1.5. Будова атмосфери, методи її досліджень

Маса земної атмосфери становить 5,15 × 10¹⁵ т. Розподіляється маса атмосфери нерівномірно: від поверхні землі до 5 км висоти – 50%, до 10 км – 75%, до 20 км – 95%, до 80 км – 99,5%. В основу умовного поділу атмосфери на вертикальні шари покладено зміни температури повітря.

Атмосфера має шарувату будову:

1. Тропосфера – до 20 км (спостерігаються всі метеорологічні явища, температура з висотою знижується на 0,6 на кожні 100 метрів).

2. Стратосфера – 20 – 50 км (температура постійна -55 , на висоті 35 км – максимальна концентрація озону).

3. Мезосфера – 50 – 100 км (температура знижується до – 80⁰С).

4. Термосфера – 100 – 800 км (висока електропровідність, температура зростає, на межі – до +2000

5. Екзосфера (сфера розсіювання) - 1000 – 3000 км (до 20 000 км).

Запам’ятайте!

Зростання температури повітря з висотою називають інверсією

Досліджується атмосфера за допомогою:

- радіозондів (до висоти 30 – 35 км),

- ракет геофізичних (100 – 300 км),

- штучних супутників Землі (вся атмосфера)

Радіозонд піднімає з собою на висоту до 35 км прилади, які визначають температуру, вологість повітря, атмосферний тиск. За допомогою радіопередавача ці дані автоматично передаються на землю. Сама куля-пілот визначає швидкість і напрям вітру на різних висотах. За допомогою радіолокаційних систем визначають висоту хмар, їх види і водність, хмарність у балах, а також стежать за пересуванням хмар на відстані до кількох сотень кілометрів та випаданням опадів.

Оперативну метеорологічну інформацію про стан атмосфери одержують за допомогою метеорологічних та геофізичних ракет, які запускають на висоту відповідно до 100 та 300 км. Вони обладнані приладами, що реєструють метеодані на відповідних висотах.

Постійна інформація надходить у метеорологічні центри від штучних супутників Землі системи «Метеор», які за добу обертаються навколо Землі 15 – 16 разів.

Відео 2 Метеорологічні супутники https://www.youtube.com/watch?v=P7ieu4TDGPU

Питання по самоконтролю

1. Дайте визначення метеорології

2. Що вивчає агрометеорологія?

3. Перелічіть складові чистого сухого повітря

4. Дайте визначення атмосферного тиску

5. Якими приладами вимірюється атмосферний тиск?

6. Що називають ізобарами?

7. Як змінюється температура в тропосфері?

Виконайте тестові завдання https://onlinetestpad.com/hm5gtaovqvpou