Курсовая теория на тему Физические процессы образования облаков, их классификации. Искусственное воздействие на облака.

Содержание:

Введение. 3

1. Физические
процессы образования облаков и их классификация. 5

1.1 Физика
образования облаков. 5

1.2 Типология и
классификация облаков. 9

2.
Искусственное воздействие на облака. 23

Заключение. 27

Список
использованной литературы.. 28

Введение:

Образование облачных капель и кристаллов облачного
льда связано с взвешенными аэрозолями, которые образуются в результате
природных процессов, а также деятельности человека и повсеместно распространены
в атмосфере Земли. В отсутствие таких аэрозолей самопроизвольное превращение
водяного пара в жидкую воду или кристаллы льда требует условий с относительной
влажностью, намного превышающей 100%, по отношению к плоской поверхности H2O.
Развитие облаков таким образом, которое происходит только в контролируемой
лабораторной среде, называется гомогенным зародышеобразованием. Воздух,
содержащий водяной пар с относительной влажностью более 100% по отношению к
плоской поверхности, называется перенасыщенным. В атмосфере аэрозоли служат
местами инициации конденсации или осаждения водяного пара. Поскольку их
поверхности имеют дискретные размеры, аэрозоли уменьшают количество пересыщения,
необходимое для изменения фазы водяного пара, и называются ядрами конденсации
облаков.

Чем больше аэрозоль и чем больше его растворимость,
тем ниже процент пересыщения, необходимый для того, чтобы аэрозоль служил
поверхностью конденсации. Ядра конденсации в атмосфере становятся эффективными
при пересыщении от 0,1 до 1 процента (то есть уровни водяного пара от 0,1 до 1
процента выше точки насыщения). Концентрация ядер конденсации облаков в нижней
тропосфере при пересыщении 1% колеблется от около 100 на кубический сантиметр
(приблизительно 1600 на кубический дюйм) в океаническом воздухе до 500 на
кубический сантиметр (8000 на кубический дюйм) в атмосфере над континентом.
Более высокие концентрации происходят в загрязненном воздухе.

Аэрозоли, которые эффективны для преобразования
водяного пара в кристаллы льда, называются ядрами льда. В отличие от ядер
конденсации облаков, наиболее эффективными ядрами льда являются гидрофобные
(имеющие низкое сродство к воде) с молекулярными расстояниями и
кристаллографической структурой, близкой к структуре льда.

В то время как ядра конденсации облаков всегда легко
доступны в атмосфере, ядра льда часто недостаточны. В результате жидкая вода,
охлажденная ниже 0 °C, часто может оставаться жидкой при температурах ниже нуля
из-за отсутствия эффективных ледяных ядер. Жидкая вода при температуре менее
0°C называется переохлажденной водой. За исключением истинных кристаллов льда,
которые эффективны при 0 °C, все остальные ледяные ядра становятся эффективными
при температурах ниже нуля. При отсутствии каких-либо ледяных ядер происходит
замерзание переохлажденных капель воды радиусом в несколько микрометров, в
процессе, называемом для образования однородного льда требуется температура не
ниже -39°C. В то время как капля дождя замерзнет около 0°C, маленькие облачные
капли имеют слишком мало молекул, чтобы случайно создать кристалл льда, пока
молекулярное движение не замедлится при приближении температуры к -39 °C. При
наличии ледяных ядер гетерогенное зарождение льда может происходить при более
высоких температурах.

Ядра льда бывают трех типов: ядра осаждения,
контактные ядра и замерзающие ядра. Ядра осаждения аналогичны ядрам конденсации
в том, что водяной пар непосредственно осаждается в виде кристаллов льда на
аэрозоле. Контакт и замерзание ядер, напротив, связаны с превращением
переохлажденной воды в лед. Контактное ядро превращает жидкую воду в лед,
касаясь переохлажденной капли воды. Замерзающие ядра поглощаются жидкой водой и
превращают переохлажденную воду в лед изнутри.

Примеры ядер конденсации облаков включают хлорид
натрия (NaCl) и сульфат аммония ([NH4]2SO2),
тогда как глинистый минерал каолинит является примером ядер льда. Кроме того,
естественные бактерии, обнаруженные в разложившейся листовой подстилке, могут
служить ядрами льда при температурах менее -4 °C.

Заключение:

Физика атмосферы является важной частью модели
прогноза погоды и часто упоминается как физическая параметризация. Физические
процессы, связанные с переносом излучения, конвекцией, облаками, поверхностным
обменом, турбулентным перемешиванием, субсеточным орографическим сопротивлением
и неорографическим гравитационным волновым сопротивлением, оказывают сильное
влияние на крупномасштабный поток атмосферы.

Однако эти механизмы часто активны в масштабах,
меньших разрешенных масштабов модельной сетки. Затем необходимы схемы
параметризации, чтобы правильно описать влияние этих механизмов подсеточного
масштаба на крупномасштабный поток атмосферы. Другими словами, ансамблевый
эффект процессов подсеточного масштаба должен быть сформулирован в терминах
разрешенных переменных сеточного масштаба. Кроме того, прогнозируемые погодные
параметры, такие как двухметровая температура, осадки и облачный покров,
вычисляются с помощью физической параметризации модели.

Схема влажной конвекции основана на подходе
массового потока и представляет собой глубокую (включая конгестус), мелкую и
среднюю (повышенные влажные слои) конвекцию. Различие между глубокой и мелкой
конвекцией проводится на основе глубины облака ( Для глубокой конвекции
массовый поток определяется, предполагая, что конвекция удаляет конвективную
доступную потенциальную энергию (CAPE) в заданном масштабе времени.
Интенсивность мелкой конвекции основана на бюджете влажной статической энергии,
т. Е. конвективный поток в основании облака равен вкладу всех других физических
процессов при интегрировании по субклановому слою. Наконец, конвекция среднего
уровня может происходить для повышенных влажных слоев, и ее массовый поток
устанавливается в соответствии с крупномасштабной вертикальной скоростью.

Фрагмент текста работы:

1.
Физические процессы образования облаков и их классификация

1.1
Физика образования облаков Облако-это не что иное, как тело, состоящее из капель
воды и кристаллов льда, которые консолидируются и парят в небе. Облака очень
важны для определения погоды, а также очень полезны для прогнозирования погоды.
Существуют различные виды облаков, и они получают свое название двумя основными
способами. В то время как некоторые облака формируются высоко в небе, есть
также некоторые облака, которые формируются близко к поверхности. Облака,
которые касаются земли, называются туманом. Облака также называются по их
форме, а перистые облака относятся к высоким облакам, в то время как кучевые
облака являются средними облаками.

Конденсация или осаждение воды над поверхностью Земли
создает облака. В общем, облака развиваются в любой воздушной массе, которая
становится насыщенной (относительная влажность становится 100%). Насыщение
может происходить посредством атмосферных механизмов, которые вызывают
охлаждение температуры воздушной массы до точки росы или точки замерзания.
Следующие механизмы или процессы могут привести к такому результату,
вызывающему образование облаков:

1). Орографическое поднятие происходит, когда воздух
вынужден подниматься из-за физического присутствия возвышенной земли. По мере
подъема посылка охлаждается в результате адиабатического расширения со
скоростью приблизительно 10° Цельсия на 1000 метров до насыщения. Образование
облаков и вытекающие из этого большие количества осадков вдоль западного
побережья Канады обусловлены главным образом этим процессом.

2). Конвекционный подъем связан с поверхностным
нагревом воздуха у поверхности земли. Если происходит достаточное нагревание,
масса воздуха становится теплее и легче воздуха в окружающей среде, и точно так
же, как воздушный шар, он начинает подниматься, расширяться и охлаждаться. При
достаточном охлаждении происходит насыщение происходит образование облаков.
Этот процесс активен внутри континентов и вблизи экватора, образуя кучевые
облака и или кучево-дождевые облака (грозы). Дождь, который связан с развитием
грозовых облаков, доставляется в больших количествах в течение коротких
периодов времени в чрезвычайно локализованных районах.

3). Конвергенция или фронтальный подъем имеет место,
когда две массы воздуха приходите вместе. В большинстве случаев две воздушные
массы имеют разные температурные и влажностные характеристики. Одна из
воздушных масс обычно теплая и влажная, а другая холодная и сухая. Передняя
кромка последней воздушной массы действует как наклонная стена или фронт,
вызывая подъем влажного теплого воздуха. Конечно подъем заставляет теплую
влажную воздушную массу охлаждаться из за расширения приводящие к насыщение.
Этот механизм образования облаков распространен в средних широтах, где циклоны
формируются вдоль полярного фронта и вблизи экватора, где пассаты встречаются в
зоне межтропической конвергенции.

4). Радиационные охлаждение происходит, когда Солнце
больше не снабжает землю и вышележащий воздух энергией, получаемой от солнечной
инсоляции (например, ночью). Вместо этого поверхность Земли теперь начинает
терять энергию в виде длинноволнового излучения, которое вызывает охлаждение
земли и воздуха над ней. Облака, образующиеся в результате такого охлаждения,
принимают форму поверхностного тумана.

Конечно, эти причины развития облаков не всегда
действуют единичным образом. Можно получить комбинации всех четырех типов,
например, когда конвекция и орографическое поднятие вызывают развитие облаков
летом днем и ливни в горах.

Следующие два изображения (рисунки 1 и 2) описывают
процент глобального облачного покрытия, усредненный за июль и январь с
использованием данных за 8 лет. На этих изображениях можно увидеть эффекты
конвергенции, фронтального подъема и орографического поднятия в усилении
облачного покрова над отдельными районами Земли. Рисунок 1. Процент облачности: июль 1983-1990 годов.
Самые высокие уровни облачного покрова наблюдаются над среднеширотными
циклонными штормовыми трассами обоих полушарий, зоной межтропической
конвергенции над поверхностью суши и индийским муссонным регионом
(орографический подъем). Самые низкие значения наблюдаются над субтропическими
пустынями, областями оседания субтропических океанов и полярными регионы.
Цветовая гамма: синий — красный — белый, значения: 0 — 100%. Глобальное среднее
значение = 59%, Минимальное = 1%, Максимальное = 95% Рисунок 2. Процент облачности: январь 1984-1991
годов. Самые высокие уровни облачного покрова наблюдаются над среднеширотными
тропами циклонов обоих полушарий и зоной межтропической конвергенции над
поверхностью суши. Самые низкие значения наблюдаются над субтропическими
пустынями, областями оседания субтропических океанов и над Южным полюсом.
Цветовая гамма: синий — красный — белый, значения: 0 — 100%. Глобальное среднее
значение = 59%, Минимальное = 1%, Максимальное = 96%

Физика облаков концептуализируется на основе двух
основных аспектов.

Масштаб облака-эволюция облака определяется на основе
размера, окружающей среды, окружающей облако, сдвига ветра, турбулентности и
изменения температуры.

Микромасштабность – изменения, происходящие в
пределах нескольких см от поверхности облака, помогают определить масштаб
облака. Эта малая дробная шкала измерений и наблюдений известна как
Микромасштабная.

В общем случае форма облака определяется методом
охлаждения для достижения конденсации и силами ветров, которые могут срезать
или разорвать облако. Непрозрачность облака (то есть светлое оно или темное)
зависит от толщины облака.

Перистые облака встречаются на высоких уровнях и
обычно имеют тонкую и удлиненную форму. Вертикально поднимающийся воздух
неустойчив и приводит к образованию кучевых облаков. Кучевые облака вздымаются
волнами. Слоистые облака (то есть стратифицированные облака) сильно слоисты и
часто появляются в виде листовых образований. Что касается номенклатуры
облаков, то нимбовые облака (например, облака с префиксом nimbo или суффиксом
nimbus) являются дождевыми облаками. Использование "фракто" обозначает
разорванные облачные образования.

Высокие облака—перистые, перистые и перистые—состоят
из кристаллов льда и частиц пыли или загрязнений. Частицы часто служат центрами
кристаллизации или ядрами конденсации. Перистые облака часто производят
"кобыльи хвосты", которые хвост, как пучки кристаллов льда. Перистые
облака, поскольку они тонкие, а кристаллы льда отражают и преломляют солнечный
свет, часто ассоциируются с ореолами кристаллов льда, которые, по-видимому,
окружают Солнце или Луну. Перистые облака часто выглядят как тонкие облака,
похожие на пятна.

Идентификация типов облаков является важным навыком
для авиаторов и авиационных метеорологов, поскольку облака представляют
переменную опасность обледенения. Образование льда может резко снизить
эффективность аэродинамических профилей (крылья, закрылки, руль направления,
элероны, рули высоты) и разрушить подъемную силу и/или помешать способности
управлять самолетом.