Атмосфера – это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. 

Погода - совокупность значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в данный момент времени в той или иной точке пространства 

Климат – совокупность атмосферных условий за многолетний период свойственный тому или иному месту в зависимости от его географической установки.

Основные климатообразующие процессы. Существуют три основных цикла атмосферных процессов, участвующих в формировании погоды и определяющих климат. Это так называемые климатообразующие процессы – теплооборот, влагооборот и атмосферная циркуляция. Суть теплооборота заключается в следующем. Поток солнечной радиации на пути от Солнца к Земле в некоторой мере отражается воздухом и тучами. Таким образом, часть энергии безвозвратно теряется, но другая часть все-таки проходит сквозь атмосферу. После этого она преобразовывается в тепло, и при изменении спектрального состава рассеивается. Падая на поверхность земли, часть радиации частично отражается, а другая часть – нагревает почву и водоемы. После этого энергия уже от земли передается в атмосферу, которая от нее и греется, при этом излучая инфракрасную радиацию. Излучающаяся в мировое пространство радиация, вместе с отраженной энергией Солнца, уравновешивают приток радиации к земле. Помимо обмена теплотой путем взаимного излучения, между поверхностью Земли и атмосферой постоянно происходит обмен тепловой энергией за счет теплопроводности. Огромное значение здесь имеет перемешивание воздуха в вертикальном направлении. При поступлении в район земной поверхности, значительная часть тепла тратится на испарение с водоемов. Через некоторое время, при конденсации в более высоких шарах атмосферы, выделяется тепло, нагревающее воздух. Что касается горизонтального переноса тепла, то оно происходит во время воздушных течений. Таким образом, можно сделать вывод, что особенности обмена тепловой энергией на одном уровне с суточным и сезонным ходом влияют на температурный режим определенной местности.

С поверхности Земли постоянно происходи испарение влаги в атмосферу. Это и являет собой влагооборот. На испарение затрачивается очень большое количество тепловой энергии, кроме этого происходят и постоянные процессы обратного действия, а именно – конденсация, т.е. превращение водяной пары в капельки воды. При этом атмосфера также получает тепло. Следствием этого являются туманы и облака, с которых на Землю в дальнейшем выпадают осадки. Неправильный оборот влаги и тепла в атмосфере тянет за собой неравномерное распределение атмосферного давления, влияющего на воздушные течения, которые мы ощущаем как ветер. Кроме этого, на образование ветров влияет суточное вращение земного шара.

Общая циркуляция атмосферы – это целая система воздушных течений на Земле в крупнейшем масштабе, основными элементами которой являются антициклоны и циклоны, т.е. возникающие и разрушающиеся в атмосфере волны воздуха длинною в несколько тысяч километров. С этими воздушными потоками связаны изменения погоды, ведь воздушные массы при перемещении из одной области Земли в другую, переносят вместе с собой свойственные себе характеристики. Таким образом, циркуляция воздуха в атмосфере определяет преобладание определенных воздушных масс в той или иной местности и является одним из самых важных факторов в образовании климата.

Кроме перечисленных воздушных течений при циркуляции в атмосфере климатообразующее значение принадлежит также циркуляции, которая имеет намного меньший масштаб. Среди них горно-долинные ветры, морские бризы и другие, которые носят название местных циркуляций. Не следует забывать, что все катастрофические явления погоды связаны с вихрями именно малого масштаба, а именно торнадо, смерчами, тромбами, тропическими циклонами. Ветряные потоки приводят к волнению водных поверхностей, среди которых океанические течения и дрейф льдов. Также он является очень важным фактором эрозии, а также образования рельефа.

Состав атмосферного воздуха. Воздух атмосферы состоит из совокупности постоянных и переменных компонентов. К постоянным относят газы, образующие основную массу атмосферы. Азот – 78,9% по V, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, 0,0005% - неон, гелий, криптон, ксенон, водород и др.

Количество кислорода и азота в воздухе почти неизменно, так как азот почти не вступает в соединения с другими веществами, а кислород хотя и очень активен (расходуется на дыхание и процессы горения…), но все время пополняется растениями. Азот и кислород – активные компоненты. В атмосферу азот может поступать при вулканических извержениях, и как продукт деятельности денитрифицирующих бактерий. Аргон и другие газы инертные, т.е. не участвуют в реакциях происходящих в атмосфере и др.оболочках земли. Гелий самый легкий, выделяется из почвы, горных пород, морской воды, при распаде содержащихся в них радиоактивных веществ. В приземном слое его состав постоянен, а с высотой его количество растет, но там гелий активно уходит в космос.

Переменные компоненты:  1.СО2 -  (водяной пар, озон и аэрозоли) – он занимает 0,03% от V воздуха. Его содержание колеблется по сезонам года. Зимой – больше, летом – меньше. Изменяется в многолетнем разрезе. И не одинаково в разных районах земного шара. CO2 – основной материал для поступлении органического вещества. Содержание его зависит от природных процессов и хозяйственной деятельности человека. По данным ООН за последние 100 лет количество СО2 возросло на 10-15%. При намеченной тенденции в 3м тысячелетии прогнозируется концентрация до 4х сотых %. СО2 занимает первое место по V выбросов среди химических веществ. Соединение долгоживущее и накапливающееся в атмосферном воздухе. 2.Водяной пар – поступает в атмосферу от подстилающей поверхности вследствие испарения с поверхности почвы и водоемов, также при транспирации влаги растениями. Содержание его еще более изменчиво. Зависит от физико-географических условий подстилающей поверхности, времени года и суток. У земной поверхности содержание водяного пара max 4%. Испарение  и конденсация влаги влияют на температурный режим земли. Пары воды уменьшают прозрачность атмосферы и снижают поступление солнечной радиации. СО2 и вод.пар служат атмосферными фильтрами, которые задерживают длинно-волновое излучение земной поверхности т.е. они обуславливают тепличный, парниковый эффекты атмосферы, имеющие большое значение как термодинамичный фактор.3. Озон -  в целом, его концентрация мала, в пределах 0,01 – 0,06 мг/см2. с человеческой деятельностью связаны 2 аспекта проблемы озона в атмосфере:

1)      разрушение в верхних слоях озонового экрана

2)      увеличение концентрации озона в охолоделом пространстве

Озон образуется за счет воздействия некоторых излучений на молекулы кислорода. Следовательно кислород делится на 2 атома кислорода. Основное значение озонового экрана – защита живых организмов от жесткого у/ф излучения. Общее количество озона в атмосфере = 3,3 млрд.тонн. мощность его небольшая, суммарно составляет 2 мм на экваторе, и 4 мм у полюса. Одновременно в атмосфере идут 2 процесса:  образование озона и распад на атомы кислорода. Озон поглощает лучи 200-320 нм. Часть из них доходит до земли, при этом лучи длинной 200-400 нм выделяют в категорию биологически активных у/ф.

Озоновые дыры – протяженные области пониженного давления,  до 50% содержания озона в озоновом слое атмосферы. Формируется при антропогенном химическом загрязнении атмосферы, хлор и фторуглеродами. Наиболее значительная потеря озона зарегистрирована над Антарктидой, здесь за последние 30 лет снизилась на 30-40%.

Аэрозоли – взвеси тв. и ж.частиц в газообразной среде;

- вулканическая пыль;

- продукты горения или дым;

-минеральная пыль;

-микроорганизмы;

- продукты радиоактивного распада.

Строение атмосферы.

- тропосфера – средняя мощность 11 км, в полярных широтах 8 км, на экваторе 17 км. Здесь сосредоточено более 80% всей массы атмосферы и практически весь земной пар. Физическое свойство воздуха тропосферы тесно связано с характером земной поверхности. Тропосфера получает тепло от земной поверхности. Газовый состав формируется под влиянием живых организмов, выветривания горных пород, осадкообразования и других процессах происходящих на суше и в океане. Тут наблюдается отчетливо выраженное снижение температуры с высотой, в среднем 6 градусов на 1000м высоты. Здесь характерно интенсивное движение воздуха. Развиваются пассаты и муссоны.

- стратосфера – находится выше тропопаузы, располагается до высоты 50-55 км. До высоты 20 км падение температуры не наблюдается – изотермический слой – нижняя стратосфера. Выше находится слой постепенно повышающейся температуры за счет нагревания озона при поглощении им коротковолновой или у/ф радиации. Большое количество озона в высоких широтах. Зимой здесь в слое озона формируется область холода. В стратосфере большие скорости ветра: зимой 80-100 км/с, летом – 60-80 км/с. Водяного пара в стратосфере мало и в высоких широтах на высоте 22-24 км видны перламутровые облака, состоящие из переохлажденных капель.

- мезосфера – располагается выше стратосферы до высоты 80 км, с новым падением температур: от 0 градусов – на нижней границе, до -90 градусов на верхней. Давление воздуха вверху мезосферы в 200 раз меньше чем у земной поверхности. Верхняя граница иногда становится зримой по серебристым облакам в виде волн и вихрей. Состав: кристаллики льда + космическая пыль. Из-за разности температур в мезосфере сильно развита турбулентность.

- термосфера – верхняя граница простирается до 800-1000км. Здесь температура переходит через 0 на высоте 100 км и от 600 км и выше составляет +150градусов. Здесь разряженный воздух. Сильно ионизирован под воздействием у/ф радиации солнца на молекулы атмосферных газов. Отличительная особенность: резко возрастает в млн.раз электропроводимость воздуха что обеспечивает дальнюю радиосвязь земли. С ионизацией связанно свечение газа и возникновение полярных сияний на высоте от 100 до 1000км.

- экзосфера – сфера рассеяния. Находится выше 800-1000км до 2000-3000км. Температура вырастает выше 2000 градусов. Плотность минимальна и следовательно скорость движения атомов и молекул газа достигает второй космической (11,2км/с). Это позволяет преодолеть земное притяжение и рассеяться в космическом пространстве атомам водорода, которые образуют вокруг земли земную корону до высоты более 20 000 км. Под влиянием магнитного поля земли формируется магнитосфера с плотностью 1000 частиц/см3. Максимальная электрическая проводимость в атмосфере на высотах 100-150 км, при совокупном действии ионов атмосферы и заряда земной поверхности создается электрическое поле атмосферы, относительно земной поверхности атмосфера заряжена положительно. По содержанию заряженных ионов атмосфера делится на нейтросферу (слой с нейтральным составом, до высоты 80 км) и ионосферу (ионизированный слой выше).

Жидкие и твердые примеси в атмосферном воздухе. Атмосферные примеси (аэрозоли) – жидкие и твердые частички, находящиеся преимущественно в нижних слоях атмосферы: пыль, вулканический пепел, сажа, кристаллики льда и морской соли и т. п. Количество атмосферных примесей в воздухе увеличивается во время сильных лесных пожаров, пыльных бурь, извержений вулканов. Подстилающая поверхность также влияет на количество и качество находящихся в воздухе атмосферных примесей. Так, над пустынями много пыли, над городами много мелких твердых частиц, сажи.

Наличие примесей в воздухе связано с содержанием в нем водяного пара, т. к. пыль, кристаллики льда и другие частички служат ядрами, вокруг которых конденсируется водяной пар. Как и углекислый газ, водяной пар атмосферы служит «утеплителем» Земли: он задерживает излучение с земной поверхности.

Причины изменения температуры воздуха. Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека.

- оледенение. Ледники признаны одними из самых чувствительных показателей изменения климата. Они существенно увеличиваются в размерах во время охлаждения климата и уменьшаются во время потепления климата. Ледники растут и тают из-за природных изменений и под влиянием внешних воздействий.

- парниковые газы: являются главной причиной глобального потепления. Парниковый эффект, возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым процессом, регулирующим температуру Земли. Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Суть: Земля получает энергию от Солнца, в основном, в видимой части спектра, а сама излучает в космическое пространство, главным образом, инфракрасные лучи.

Однако многие содержащиеся в ее атмосфере газы - водяной пар, СО2, метан, закись азота и т. д. - прозрачны для видимых лучей, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тем самым в атмосфере часть тепла.

В последние десятилетия содержание парниковых газов в атмосфере очень сильно выросло. Появились и новые, ранее не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего фторуглеводороды.

Газы, вызывающие парниковый эффект, - это не только диоксид углерода (CO2). К ним также относятся метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6). Однако именно сжигание углеводородного топлива, сопровождающееся выделением CO2, считается основной причиной загрязнения.

- Тектоника литосферных плит. На протяжении длительных отрезков времени тектонические движения плит перемещают континенты, формируют океаны, создают и разрушают горные хребты, т. е. создают поверхность, на которой существует климат. Недавние исследования показывают, что тектонические движения усугубили условия последнего ледникового периода: около 3 млн лет назад северо- и южноамериканская плиты столкнулись, образовав Панамский перешеек и закрыв пути для прямого смешивания вод Атлантического и Тихого океанов.

- солнечное излучение. Солнце является основным источником тепла в климатической системе. Солнечная энергия, превращённая на поверхности Земли в тепло, является неотъемлемой составляющей, формирующей земной климат. Если рассматривать длительный период времени, то в этих рамках Солнце становится ярче и выделяет больше энергии, так как развивается согласно главной последовательности. Это медленное развитие влияет и на земную атмосферу.

- изменения орбиты. По своему влиянию на климат изменения земной орбиты сходны с колебаниями солнечной активности, поскольку небольшие отклонения в положении орбиты приводят к перераспределению солнечного излучения на поверхности Земли. Такие изменения положения орбиты называются циклами Миланковича, они предсказуемы с высокой точностью, поскольку являются результатом физического взаимодействия Земли, ее спутника Луны и других планет.

- вулканизм. Одно сильное извержение вулкана способно повлиять на климат, вызвав похолодание длительностью несколько лет. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году существенно повлияло на климат. Гигантские извержения, формирующие крупнейшие магматические провинции, случаются всего несколько раз в сто миллионов лет, но они влияют на климат в течение миллионов лет и являются причиной вымирания видов. Вначале ученые полагали, что причиной похолодания является эмитированная в атмосферу вулканическая пыль, поскольку она препятствует достигнуть поверхности Земли солнечному излучению. Однако измерения показывают, что большая часть пыли оседает на поверхности Земли в течение шести месяцев.

Антропогенное воздействие на изменение климата.

Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат. В некоторых случаях причинно-следственная связь прямая и недвусмысленная, как, например, при влиянии орошения на температуру и влажность, в других случаях эта связь менее очевидна. Различные гипотезы влияния человека на климат обсуждались на протяжении многих лет. В конце 19-го века в западной части США и Австралии была, например, популярна теория «дождь идёт за плугом».

Главными проблемами сегодня являются: растущая из-за сжигания топлива концентрация СО2 в атмосфере, аэрозоли в атмосфере, влияющие на её охлаждение, и цементная промышленность. Другие факторы, такие как землепользование, уменьшение озонового слоя, животноводство и вырубка лесов, также влияют на климат.

Считается, что антропогенные аэрозоли, особенно сульфаты, выбрасываемые при сжигании топлива, влияют на охлаждение атмосферы. Существенное влияние на климат оказывает землепользование. Орошение, вырубка лесов и сельское хозяйство коренным образом меняют окружающую среду. Например, на орошаемой территории изменяется водный баланс. Землепользование может изменить альбедо отдельно взятой территории, поскольку изменяет свойства подстилающей поверхности и тем самым количество поглощаемого солнечного излучения.

Различия в тепловом режиме почвы и водоемов. Существенно резкие различия в нагревании и тепловых особенностях поверхностных  слоёв почвы и верхних слоев водных бассейнов. В почве  тепло распространяется по вертикали путем молекулярной теплопроводности. А в легко подвижной воде также путем турбулентного перемешивания водных слоев намного более эффективно. Турбулентность водоемов вызвана волнением  и течениями. Ночью и в холодное время года к такой турбулентности присоединяется термическая конвекция: охлажденная на поверхности вода опускается вниз вследствие возросшей плотности и замещается более теплой водой из нижних слоев. В океанах и морях перемешивание слоев и связанное с этим передача тепла играет роль испарения. При значительном испарении с поверхности моря верхний слой воды становится более соленым и следовательно более плотным, из-за чего вода опускается с поверхности в глубину. Солнечная радиация глубже проникает в воду в сравнении с почвой. Теплоемкость воды более значительна, чем почвы. Одно и тоже количество тепла нагревает массу воды до меньшей температуры, чем такую же массу почвы. Суточные колебания темпер.в воде распространяется на глубину десятка метров, а в почве меньше 1м. Годовые колебания температуры в воде на глубину до сотен метров, в почве только на 10-20м. В почве тепло распространяется в верхнем тонком слое, который сильно нагревается, тогда как для воды температура верхнего слоя повышается мало. Ночью и зимой, вода теряет тепло из поверхности поверхностного слоя, взамен ему приходит тепло из нижележащих слоев, следовательно темпер.воды снижается медленно. На поверхности почвы темпер.падает быстро, следовательно, суточные и годовые колебания температуры на поверхности почвы более значительно, чем на поверхности воды. Водные бассейны за теплое время года накапливают в мощном слое воды огромное количество тепла, которое отдают в атмосферу в холодный сезон. Почва в течении теплого сезона отдает по ночам большую часть того тепла, которое получает днем, и мало накапливает его к зиме. В результате температура воздуха над морем летом ниже, а зимой выше, чем над сушей.

Тепловой баланс земной поверхности. Тепловой режим атмосферы – это распределение температуры воздуха и ее непрерывное изменение. Он определяется теплообменом, который создается между атмосферой и ОС. Теплообмен идет несколькими путями: радиационным, в результате испарения, за счет теплопроводности. Для земной поверхности не существует радиационного равновесия в получении и отдаче тепла. Но есть тепловое равновесие, таким образом, приток тепла земли как радиационным, так и нерадиационными путями = отдаче его теми же способами. Тепло, получаемое земной поверхностью, преобразуется и перераспределяется атмосферой и гидросферой, устанавливается тепловое равновесие между поверхностью земли и атмосферой, выражается уравнением теплового баланса.  Тепловой баланс поверхности всегда положителен, тепловой баланс атмосферы всегда отрицателен.

Rn – LE – P – B = 0 – тепловой баланс Земли

30% - 22% - 8% - 0% = 0

Rn - рад.баланс поверхности; LE – затраты тепла на испарение, где L -  скрытая теплота парообразования, E – масса испарившейся воды (сконденсировавшейся); P -  турбулентный теплообмен между поверхностью и атмосферой;  B – теплообмен между поверхностью и ниже лежащими слоями почво-грунта.

В течение года тепло идущее на обогрев почвы обратно зимой уходит в атмосферу.

Ra + LE + P = 0

Ra – радиац.баланс атмосферы; LE -  тепло, выделяющееся при конденсации; P – тепло, поступающее от земной поверхности.

Тепловой баланс поверхности и атмосферы вместе, как одно целое в среднем = 0.

Влияние растительности и снежного покрова на температуру почвы. Растительный покров уменьшает охлаждение почвы, так как излучение идет преимущественно с поверхности растительности. Днем, растительность препятствует радиационному нагреванию почв. Суточная амплитуда температур под растительностью меньше, а средняя суточная температура меньше, чем на открытой поверхности, следовательно растительные покровы охлаждают почву. Снежный покров  предохраняет почву зимой от потери тепла так как излучение идет с поверхности снежного покрова. Суточная амплитуда температуры на поверхности под снегом резко уменьшается. Совместное действие растительного покрова летом и снежного зимой уменьшает годовую амплитуду температуры на поверхности почвы (около 10 градусов).

Гидросфера