Атмосферное давление как метеорологический фактор

Лекция 9. Метеорологические факторы

Мно­голетние и годовые закономерности распределения атмосферных осад­ков, температуры воздуха, влажно­сти. Климатические (метеорологические) факторы во многом определяют особенности режима подземных вод. Заметное воздействие на грунтовые воды оказывают температура воздуха, атмосферные осадки, испарение, а также дефицит влажности воздуха и атмосферное давление. В своей совокупности воздействия они определяют размеры и сроки питания подземных вод и придают их режиму характерные черты.

Под климатом в метеорологии понимают закономерную смену атмосферных процессов, возникающих в результате сложного воздействия солнечной радиации на земную поверхность и атмосферу. Основными показателями климата можно считать:

— радиационный баланс Земли;

— процессы циркуляции атмосферы;

— характер подстилающей поверхности.

Космогенные факторы. Изменение климата во многом зависит от величины солнечной радиации, она определяет не только тепловой баланс Земли но и распределение других метеорологических элементов. Годовые суммы тепла радиации, приходящиеся на территорию Средней Азии и Казахстан составляют от 9000 до 12000 тыс. калл.

М.С.Эйгенсон (1957), Н.С. Токарев (1950), В.А. Коробейников (1959) отмечают закономерную связь колебаний уровня грунтовых вод с изменениями солнечной энергии. При этом установлены 4, 7, 11-летние циклы. М.С.Эйгенсон отмечает в среднем 1 раз в 11 лет число пятен (и факелов) достигает своего наибольшего количества. После этой эпохи максимума оно относительно медленно уменьшается с тем, чтобы достигнуть примерно через 7 лет своего наименьшего значения. После достижения эпохи 11-летнего цикличного минимума число пятен вновь закономерно возрастает, а именно в среднем через 4 года после минимума вновь наблюдается очередной максимум 11-летнего цикла и т.д.

Массовый корреляционный анализ режима подземных вод с различными индексами солнечной активности показал в целом низкие корреляционные связи. Лишь изредка коэффициент этой связи достигает 0,69. Сравнительно лучшие связи устанавливаются с индексом геомагнитной возмущенности Солнца.

Многими исследователями установлены многолетние закономерности атмосферной циркуляции. Ими выделяются две основные формы переноса тепла и влаги: зональная и меридиональная. При этом меридиональный перенос определяется наличием градиента температур воздуха между экватором и полюсом, а зональный – градиентом температур между океаном и материком. В частности, отмечается, что количество атмосферных осадков возрастает для Европейской части СНГ, Казахстана и Средней Азии при западном типе циркуляции, обеспечивающем приток влаги с Атлантики, и убывает по сравнению с нормой при восточном типе циркуляции.

Палеогеографические данные показывают, что на протяжении жизни Земли климатические условия подвергались неоднократным и значительным изменениям. Изменения климата происходят в результате многих причин: смещения оси вращения и перемещения полюсов Земли, изменения солнечной активности в прошлое геологическое время, прозрачности атмосферы и др. Одной из серьезных причин его изменения являются также крупные тектонические и экзогенные процессы, изменяющие облик (рельеф) земной поверхности.

Температура воздуха. На территории СНГ можно выделить три температурные провинции.

Первая – провинция с отрицательной среднегодовой температурой. Она занимает значительную часть азиатской территории. Здесь наблюдается широкое развитие многолетнемерзлых пород (вода находится в твердом состоянии и только в теплый летний период образует временные потоки).

Вторая провинция характеризуется положительной среднегодовой температурой воздуха и наличием сезонно мерзлоты почвы в зимний период (Европейская часть, юг Западной Сибири, Приморье, Казахстан и часть территории Средней Азии). В период промерзания почв прекращается питание грунтовых вод за счет атмосферных осадков, в то время как сток их еще происходит.

Третья провинция имеет положительную температуру воздуха в самый холодный период года. Она охватывает юг Европейской части СНГ, Черноморское побережье, Закавказье, юг Туркменской и часть Узбекской республики, а также Таджикистан (питание происходит в течение всего года).

Кратковременные повышения температуры в зимний период, создающие оттепели, вызывают резкие повышения уровня и увеличение дебита подземных вод.

Изменение температуры воздуха воздействует на грунтовые воды не непосредственно, а через породы зоны аэрации и воды этой зоны.

Механизм воздействия температуры воздуха на режим грунтовых вод весьма разнообразен и сложен. Наблюдениями установлены закономерные ритмичные колебания температуры, амплитуда которых постепенно уменьшается. Максимальная температура подземных вод с глубиной постепенно убывает до зоны постоянных температур. Минимальная температура наоборот с глубиной возрастает. Глубина залегания пояса постоянных температур зависит от литологического состава пород (зоны аэрации) и глубины залегания подземных вод.

Атмосферные осадки – являются одним из главнейших режимообразующих факторов. Известно, что атмосферные осадки расходуются на поверхностный и склоновый стоки, испарение и инфильтрацию (питают подземные воды).

Величина поверхностного стока зависит от климатических и других условий и колеблется от нескольких процентов до половины годовой суммы атмосферных осадков (в некоторых случаях и выше).

Наиболее трудно определяется величина испарения, которая также зависит от большого числа различных факторов (дефицит влажности воздуха, характер растительности, сила ветра, литологический состав, состояние и цвет почвы, и многие др.).

Из той части атмосферных осадков, которые проникают в зону аэрации, часть не достигает поверхности грунтовых вод, а расходуется на физическое испарение и транспирацию растениями.

Лизиметрическими исследованиями (Гордеев, 1959) были получены данные по лизиметрам, заложенным на разную глубину:

А.В.Лебедев (1954, 1959) расчетным путем установил зависимость величины питания грунтовых вод или инфильтрации и испарения от мощности зоны аэрации. Данные инфильтрации характеризуют период максимального питания (весна), а данные испарения – минимального (лето).

Просачивание воды в зоне аэрации зависит от интенсивности дождя, недостатка насыщения и полной водоотдачи, коэффициента фильтрации и достигает наибольшей глубины при более длительном дождевании. Прекращение дождя замедляет процесс продвижения воды, в таких случаях возможно образование «верховодки».

Таким образом, наилучшие условия при питании грунтовых вод существуют на небольших глубинах в основном в весеннее время при снеготаянии и осенью в период продолжительного выпадения осадков.

Воздействие атмосферных осадков на грунтовые воды вызывает изменение запасов, химического состава и температуры.

Несколько слов о снежном покрове, который около 10 см на юге, 80-100 см на севере и 100-120 см на Крайнем Севере, Камчатке. Наличие запасов воды в снеге еще не указывает на величину питания грунтовых вод. Существенную роль здесь играет мощность сезонно промерзающего слоя и продолжительность его оттаивания, величина испарения и расчлененность рельефа.

Испарение. Величина испарения зависит от очень большого числа факторов (влажность воздуха, ветра, температуры воздуха, радиации, неровности и цвета поверхности земли, а также наличия растительности и др.).

В зоне аэрации происходит испарение как воды, поступающей с поверхности в результате инфильтрации, так и воды с капиллярной каймы. В результате испарения удаляется вода, еще не достигшая грунтовых вод, и величина их питания уменьшается.

Влияние испарения на химический состав воды является сложным процессом. Состав воды в результате испарения (в аридной зоне) не изменяется, т. к. вода оставляет соли при испарении на уровне капиллярной каймы. При последующей инфильтрации подземные воды обогащаются наиболее легко растворимыми солями, возрастает их общая минерализация и содержания отдельных компонентов.

Чем больше мощность зоны аэрации, тем меньше испарение (с глубиной). На глубине более 4-5 м в пористых или слаботрещиноватых породах испарение становится весьма малым. Ниже этой глубины (до 40 м и более) процесс испарения практически постоянен (0,45 -0,5 мм в год). С глубиной амплитуда колебания уровня подземных вод затухает, что можно объяснить рассредоточением процесса питания во времени и балансированием его подземным стоком.

В Подмосковье при песчаном составе зоны аэрации и глубинах залегания подземных вод в среднем 2-3 м летние осадки достигают грунтовые воды лишь при величине дождевых осадков выше 40 мм или при продолжительных моросящих дождях.

Атмосферное давление. Увеличение атмосферного давления приводит к снижению уровней воды в скважинах и дебитов источников, а уменьшение, наоборот, к их уменьшению.

Отношение изменений уровня подземных вод Δh, вызванных соответствующим изменением атмосферного давления Δр называется барометрической эффективностью (Jacob,1940).

где γ – плотность воды (равная 1 г/см 3 для пресных вод),

характеризует упругие и фильтрационные свойства горизонта, а также степень его изоляции от атмосферы (В=0,3-0,8).

Изменение атмосферного давления может вызывать изменение уровня грунтовых вод до 20-30 см. Кроме того, порывы ветра, создавая разряжение атмосферного давления, могут приводить к подъему уровня до 5 см.

Рассмотренные выше режимообразующие климатические факторы не исчерпывают перечня многочисленных природных процессов, воздействующих на режим подземных вод.

Осн.: 35

Доп.: 64

Контрольные вопросы:

Что такое климат?

2. Каковы три основных показателя климата?

3. Перечислите метеорологические (климатические) режимообразующие факторы.

4. Каково влияние на режим подземных вод космогенных факторов?

5. Каковы многолетние закономерности атмосферной циркуляции, основные формы переноса тепла и влаги?

6. Дайте характеристику температурных провинций на территории СНГ.

7. От чего зависит глубина залегания пояса постоянных температур подземных вод?

8. Воздействие атмосферных осадков на грунтовые воды.

9. Влияние испарения на химический состав воды.

10. От чего зависит величина питания грунтовых вод или инфильтрация и испарение?

11. Как изменяется уровень воды в скважинах и дебит источников в зависимости от атмосферного давления?

12. Какой параметр называется барометрической эффективностью и какие свойства горизонта подземных вод он характеризует?

13. Может ли изменение атмосферного давления вызывать изменение уровня грунтовых вод?

Источник

Содержание:

2. Характеристики состояния атмосферы

Атмосфера сложна, но у земной поверхности ее состояние, формирующее земную погоду, характеризуется метеорологическими величинами: атмосферное давление, температура и влажность воздуха, облачность и т.д.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, вертикальное строение которой очень сложное и различается в соответствии с изменением по высоте температуры воздуха, газового состава или с изменением влияния воздуха на летающие аппараты и на организм человека.

Основные газы атмосферы и их процентное содержание по объему

Кроме газов, находящихся в постоянном соотношении по объему и весу в атмосфере есть примесные газы, содержание которых в атмосфере значительно меняется во времени и в пространстве. Наиболее важным для формирования земной погоды является водяной пар. Кроме того, под влиянием солнечной радиации, радиоактивных веществ, находящихся в земле и в атмосфере, газы ионизируются, формируя в воздухе меняющуюся концентрацию положительных и отрицательных ионов. Двигаясь в атмосфере, они создают электрическое поле атмосферы. Кроме газов в атмосфере взвешены жидкие и твердые частицы – аэрозоли. Аэрозоли бывают естественного (пожары, вулканическая деятельность и т.д.) и антропогенного происхождения. Большое количество аэрозолей влияет и на наше здоровье и на потоки солнечной радиации, приходящей к земной поверхности, т.е. на земную погоду.

Особое значение для нашей жизни имеет атмосферный кислород – он во многом является фактором, значительно влияющим на наше здоровье. Весовое содержание кислорода в единице объема можно вычислить по простой формуле:

Где R – удельная газовая постоянная для атмосферного воздуха, Р – атмосферное давление, е – парциальное давление водяного пара, Т – температура воздуха.

Весовое содержание кислорода в атмосфере зависит и от погоды, как видно из формулы — зависит от атмосферного давления, влажности и температуры воздуха. Может быть, одна из причин влияния погоды на наше здоровье — это изменчивость зависящего от метеорологических факторов содержания кислорода в воздухе. Поэтому на курортах для улучшения здоровья рекомендуют кислородные коктейли.

Комплексные исследования по биометеорологии и биоклиматологии показывают, что для полноты описания атмосферной среды, непосредственно влияющей на человеческий организм, необходимо учитывать все метеорологические факторы. Температуру воздуха, влажность, давление, скорость ветра, потоки солнечной радиации (включая спектральное распределение энергии), длинноволновую солнечную радиацию, осадки (тип и интенсивность), состав воздуха, атмосферное электричество, атмосферную радиоактивность, дозвуковой шум. Таким образом, все факторы составляющие характеристику состояния атмосферы могут вызвать метеопатические реакции.

Прямое воздействие этих элементов может быть мгновенным, т. е. вызываться преобладающей погодой, а может зависеть и от последовательности событий, т. е. от синоптической обстановки. Эффекты могут быть суммарными и возникать в результате длительного воздействия различных условий. В зависимости от продолжительности их можно рассматривать как погодные или климатические, хотя такое подразделение до некоторой степени условно.

Рассмотрим некоторые из перечисленных факторов, влияние которых установлено исследователями, занимающимися проблемой воздействия атмосферы на человека.

2 Характеристики состояния атмосферы

Температура воздуха

Одним из самых явных метеопатических факторов является температура воздуха. Изменение теплового режима атмосферы вызывает соответствующие изменения теплообмена человека с окружающей средой. Теплопотери с поверхности кожи происходят за счет длинноволнового излучения, конвекции, кондукции — затрат тепла на испарение жидкости с поверхности кожи.

Теоретическая предпосылка этого эффекта дана еще в 1748 году М. В. Ломоносовым, который считал, что открытый им закон сохранения и движения материи применим и к животному организму. Постоянство температуры человека — основа его жизни.

Теплоотдача в основном осуществляется через кожный покров — около 82%, органами дыхания — 13% и всеми остальными — 5%. Однако это соотношение зависит от теплоизоляции одеждой.

Большое воздействие на человека оказывает не только температура воздуха, но и ее межсуточная изменчивость. Так, повышение температуры воздуха от -4°С до +6°С в течение одной январской ночи 1780 г. в Санкт-Петербурге привело к заболеванию гриппом 40 тыс. человек. Изменение среднесуточной температуры воздуха на 1 — 2°С считается слабым, на 3 — 4 °С — умеренным, более чем на 4°С — резким.

Влажность воздуха

Субъективное ощущение климатического комфорта связано с уровнями активности человека, температурой излучения и др. Кроме того, влияние температуры воздуха на организм человека зависит и от влажности воздуха. При одной и той же температуре изменение содержания водяной пара в приземном слое атмосферы может оказать значительно воздействие на состояние организма.

По сравнению с естественными колебаниями температуры воздуха диапазон температур, в котором человеческий организм чувствует себя комфортно, значительно уже. При температуре тела выходящей за пределы 26 — 40 °С, возможны необратимые процессы в организме.

Наиболее комфортные условия наблюдаются при температур воздуха 20 — 25°С и относительной влажности 50%. При повышении влажности воздуха, препятствующей испарению с поверхности тела человека, тяжело переносится жара и усиливается действие холода.

Биологические реакции зависят от облачности, влияющей на световой режим, являющейся причиной выпадения осадков, а, следовательно, изменения суточного хода температуры и влажности воздуха.

Биометеорологические исследования показали, что сами осадки оказывают в основном благоприятное воздействие на человека. Уменьшаются инфекционные заболевания, понижается смертность, уменьшаются многочисленные жалобы, вызванные метеорологическими явлениями. Последнее, правда, может быть связано не столько непосредственно с осадками, сколько с изменением электрического поля атмосферы при прохождении дождевой облачности.

Ветер

Разнообразно влияние ветра. При низких температурах ветер усиливает теплоотдачу, что может привести к переохлаждению организма. Зимой ветер понижает сопротивляемость организма, летом — повышает. Сильный ветер, оказывая давление на поверх костные ткани организма и затрудняя дыхание, вызывает отрицательную реакцию. Большой метеопатический эффект имеет фен бора, черные ветры, муссоны.

Атмосферное давление

Наиболее неопределенное влияние на самочувствие человек оказывает атмосферное давление (Р), которое характеризуете значительными непериодическими колебаниями.

По классификации В. Г. Бокши, сильными считаются межсуточные перепады давления 10 — 20 гПа и более, резкими 8 — 10гПа, умеренным 8 гПа, слабыми 1 — 4 гПа.

Е. П. Зверева, анализируя карту средней многолетней абсолютной межсуточной изменчивости Р, отмечает, что его межсуточные колебания (наибольшие и наименьшие) зависят от времен года. В январе очаги с максимальной изменчивостью Р располагаются над Прибалтикой, над бассейном реки Колымы и над Камчаткой. В апреле очаг наибольшей изменчивости находится на центральными районами Арктики и п-овом Таймыр, осенью, в ноябре — над Кольским п-овом и Камчаткой. Сезонное изменение очагов большой изменчивости давления тесно связано крупномасштабными циркуляционными процессами в атмосфере, в частности с циклонической деятельностью. Так, основная причина повышенной межсуточной изменчивости давления воздуха и холодный период в Прибалтике и на северо-западе европейской части России в большой повторяемости циклонов и вторжений арктического воздуха в их тылу.

Факторами, противоречащими непосредственному влиянию давления на самочувствие, является возникновение реакции до изменения давления, а также отсутствие явных реакций при поездках по горным дорогам и полетах на самолетах. Очевидно, что в биометеорологических исследованиях и медико-биологических прогнозах следует учитывать влияние атмосферного давления в комплексе с другими метеорологическими величинами и явлениями, а также с крупномасштабными атмосферными процессами.

Синоптическая ситуация формирует погодные условия

Сильное биотропное воздействие оказывают меридиональные синоптические процессы, умеренное и слабое воздействие характерно для зональных синоптических процессов. Работы немецких ученых (Шульце, Шредер, Купке и др.) показали, что антициклонические процессы не оказывают биотропного воздействия, если они не сопровождаются образованием инверсий нисходящего скольжения. Беккер сделал вывод о взаимосвязи динамических атмосферных процессов и болезненных явлений. Так, прохождение теплого фронта влияет на возникновение спастических состояний и вызывает нарушения различных процессов в организме; коэффициент смертности возрастает при прохождении холодного фронта, процессов восходящего скольжения и турбулентности.

Реакции организма могут проявляться за несколько часов до перемены погоды. С помощью радиозондирования установлено взаимосвязанное изменение метеорологических величин на высоте, в то время как у поверхности Земли еще не регистрируется никаких изменений.

Синоптическая ситуация влияет и на химический состав воз¬духа. Из всех химических факторов абсолютное значение для жизненных процессов имеет содержание кислорода в воздухе, изменение содержания которого влияет на течение многих биологических процессов. Д. Ассман утверждает, что появление болевых ощущений, связанных с погодой, вызвано подавлением окислительно-ассимиляторных процессов в результате уменьшения содержания кислорода в воздухе (ассимиляция — образование в организме сложных веществ из бо¬лее простых). Это предположение он подтверждает выводами других авторов о несомненном влиянии содержания кислорода на функционирование различных систем организма.

При изменении метеорологических условий объемное содержание кислорода, его парциальное давление изменяются незначительно, тогда как весовое содержание кислорода в единице объема колеблется в довольно широких пределах и, по мнению В. Ф. Овчаровой, может характеризовать комплексное влияние этих метеорологических факторов на человека.

Радиация

На человека, безусловно, влияют и различные виды радиации, поступающие к земной поверхности. К ним относятся: атомная космическая радиация, солнечный ветер, рентгеновские лучи, ультрафиолетовая, видимая, инфракрасная и высокочастотная радиация. Кроме того, на биологические организмы воздействует радиация, излучаемая радиоактивными элементами, содержащимися в атмосфере, и излучаемая поверхностью Земли и растениями.

Солнце является основным источником электромагнитной радиации. При среднем расстоянии от Солнца до орбиты Земли общая радиация составляет Энергия солнечной радиации взаимодействует с твердыми и газовыми примесями в атмосфере, в результате чего происходит изменение химического состава и термического режима атмосферы.

Биологическое действие всех видов радиации различно. Так, ультрафиолетовую область спектра по биологическому воздействию делят на три участка:

• С () — бактерицидный,
• В (280—315 нм) — витаминизирующий (способствует образованию витаминов группы D),
• А (316—400 нм) — эритемный (воздействует на пигментацию кожи).

Ультрафиолетовая радиация и видимый свет при длительном воздействии или очень большой интенсивности могут вызвать патологическую реакцию живых организмов. Инфракрасная радиация (в том числе излучение Земли и атмосферы) также оказывает биологическое действие.

Изменение химического состава атмосферы приводит и к изме¬нению спектра излучения, дошедшего до Земли. Около 80 % излучения в диапазоне 0,29—2,4 мкм атмосфера пропускает к земной поверхности (спектральное окно атмосферы). Атмосфера прозрачна также для радиоволнового излучения в интервале длин волн 1—20см. Высокочастотная радиация тоже может оказывать вредное воздействие на человека. Существуют различные стандарты норм радиоволнового облучения. Известно, что отклонение интенсивности радиоволн на коэффициент 106 является частым во время вспышек на Солнце, что может вызывать патологические реакции организма.

Атмосферное электричество

Биологическое воздействие таких эффектов электрического поля атмосферы, как атмосферные ионы и электромагнитные импульсы («атмосферики»), обнаружены уже давно. Особенно интересны работы в этой области А. Л. Чижевского. Электрические поля, течения и проводимость, как и отрицательные ионы различных размеров, формируют основные электрические свойства атмосферы в ясную погоду. Движение воздушных масс, барические системы, ветры, турбулентность, распределение температуры и водяного пара оказывают большое влияние на электрические свойства тропосферы, на распределение заряженных и незаряженных аэрозолей и радиоактивных частиц земного происхождения. Это влияние значительно в слое атмосферного обмена.

В связи с возможными биологическими последствиями изменения величин атмосферного электричества исследователями уделяется большое внимание проникновению естественных колебаний величин в помещения. Исследования показали, что стационарное электрическое поле в помещение не проникает. В помещение проникает около 0,5% энергии поля частотой 50 Гц, 10% — частотой 10 кГц. Поэтому М. Израэль, Р. Рейтер в качестве факторов биологического воздействия предлагают рассматривать только:

• все процессы, которые связаны с ионизацией, а также с содержанием ионов, объемными зарядами воздуха и радиоактивностью;
• очень быстро происходящие изменения электрического поля и токи смещения;
• электромагнитные волны.

Источник