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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Atmosphäre und ihre Bewegung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Erde ist von einer dicken Luftschicht umgeben – der Atmosphäre. Mit zunehmender Höhe wird die Luft immer dünner und weniger dicht. An der Erdoberfläche, auf Meereshöhe, wiegt ein Kubikmeter Luft bei 0 Grad etwa 1,3 Kilogramm; Und in einer Höhe von 25 Kilometern über der Erdoberfläche wiegt ein Kubikmeter Luft bereits mehr als dreißigmal weniger. Obwohl die Dicke der Erdatmosphäre mehrere Hundert Kilometer beträgt, ist sie im Vergleich zum Volumen der Erde keineswegs groß. Die unterste Schicht der Atmosphäre, zwischen 9 und 18 Kilometern über der Erdoberfläche, wird Troposphäre genannt. Diese Schicht enthält mehr als 3/4 des Gewichts Luft. Die oberen Schichten werden Stratosphäre und Ionosphäre genannt. Luft hat wie alle Gegenstände Gewicht; es drückt mit großer Kraft auf die Erde und alle darauf lebenden Menschen; Diese Kraft an der Erdoberfläche beträgt etwa ein Kilogramm pro Quadratzentimeter Körperfläche. Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck allmählich ab. Aber selbst an der Erdoberfläche ist der Luftdruck, wie wir später sehen werden, nie konstant, sondern ändert sich ständig. Der Luftdruck, der dem Druck entspricht, den eine 0 Millimeter hohe Quecksilbersäule bei 760 Grad ausübt, wird als normaler Atmosphärendruck bezeichnet. Dieser Druck beträgt 1,0336 Kilogramm pro Quadratzentimeter. In der Meteorologie wird der Luftdruck üblicherweise in Millibar gemessen. Ein Millibar entspricht ungefähr dem Druck, den ein Gramm auf die Oberfläche eines Quadratzentimeters ausübt. Der normale Luftdruck beträgt etwa 1000 Millibar. Meteorologie ist die Wissenschaft von der Atmosphäre und den darin auftretenden, hauptsächlich physikalischen Phänomenen. In einem engeren Konzept ist dies die Wissenschaft vom Wetter und seinen Veränderungen. Die Atmosphäre ruht nie. Überall – an den Polen und unter den Wendekreisen, unten, an der Erdoberfläche und oben, wo die Wolken schweben – ist die Luft in Bewegung. Die Bewegung der Luft um die Erde nennt man Wind. Was verursacht die Luftbewegung in der Atmosphäre? Warum wehen die Winde? Um die Ursache des Windes klar zu verstehen, erinnern Sie sich an das bekannte Phänomen. Wenn man im Winter die Tür von einem beheizten Raum zur Straße oder in einen kälteren Raum öffnet, strömt kalte Luft von unten in den warmen Raum. Gleichzeitig entweicht warme Raumluft von oben. Es ist leicht, dies zu überprüfen. Zünden Sie eine Kerze oder ein Streichholz an und stellen Sie es in die Nähe der offenen Tür – zuerst unten, an der Schwelle und dann oben (Abb. 1). Unten wird die Kerzenflamme durch den Kaltluftstrom in den Raum spürbar abgelenkt, oben hingegen lenkt der aus dem Raum kommende Warmluftstrom die Kerzenflamme aus dem Raum ab.
Warum passiert das? Hier ist der Grund. Nimmt man zwei identische, aber unterschiedlich erwärmte Luftvolumina, so ist das kältere Luftvolumen immer dichter und damit schwerer. Bei Erwärmung dehnt sich Luft wie alle Körper aus, wird dünner und leichter. Wenn wir die Tür zur Straße öffnen, strömt die kältere und dichtere Außenluft in den warmen Raum und drückt die weniger dichte und leichtere Innenluft nach oben. Als schwerere Außenluft gelangt sie von unten in den Raum und befindet sich im Raum in den unteren Schichten, in Bodennähe. Durch die kalte, schwere Luft verdrängt, steigt die warme Luft nach oben und verlässt den Raum durch die Oberseite der geöffneten Türen nach außen. Dieses Beispiel wird es uns ermöglichen, die Gründe für die Luftbewegung in der Atmosphäre zu verstehen. Die auf die Erde fallende Sonnenwärme erwärmt hauptsächlich deren Oberfläche. Die Atmosphäre nimmt nur einen kleinen Teil der solarthermischen Energie auf. Die erhitzte Oberfläche des Globus erwärmt die unteren Luftschichten, die mit ihr in Kontakt kommen. Warme Luftschichten vermischen sich mit kalten und geben ihnen ihre Wärme; Dadurch erwärmt sich die Luft. Je stärker also die Erdoberfläche durch die Sonne erwärmt wird, desto stärker erwärmt sich auch die darüber liegende Luft. Doch wie wird die Erdoberfläche durch die Sonne erwärmt? Weit davon entfernt, dasselbe zu sein. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass dies zu unterschiedlichen Jahreszeiten und in unterschiedlichen Klimazonen der Fall ist.
Auf der Erde geht die Sonne auf unterschiedliche Weise über den Horizont auf. Je höher die Sonne über dem Horizont steht, desto mehr Sonnenwärme fällt auf die gleiche Fläche der Erdoberfläche (Abb. 2). Dank der Kugelform der Erde am und in der Nähe des Äquators fallen die Sonnenstrahlen zur Mittagszeit steil, fast senkrecht. In Ländern mit gemäßigtem Klima fallen die Sonnenstrahlen viel flacher auf die Erdoberfläche. Und in Polarländern und an den Polen scheinen die Sonnenstrahlen nur scheinbar über die Erdoberfläche zu gleiten – die Sonne geht relativ tief über den Horizont. Außerdem erscheint die Sonne im Winter überhaupt nicht über dem Horizont: Es herrscht eine lange Polarnacht. Aus dem gleichen Grund ändert sich die Temperatur der Erdoberfläche im Laufe des Tages. Tagsüber, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, erwärmt sich die Erdoberfläche am stärksten, abends, wenn die Sonne unter den Horizont geht, beginnt die Erde abzukühlen, und nachts und morgens sinkt die Temperatur sogar untere.
Darüber hinaus erklärt sich die ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche dadurch, dass verschiedene Bereiche der Erdoberfläche von der Sonne unterschiedlich erwärmt und unterschiedlich abgekühlt werden. Von besonderer Bedeutung ist die Fähigkeit von Wasser und Land, sich unterschiedlich zu erwärmen und zu kühlen. Land erwärmt sich schnell auf eine höhere Temperatur, kühlt aber schnell wieder ab. Wasser (insbesondere in den Meeren und Ozeanen) erwärmt sich aufgrund der ständigen Vermischung sehr langsam, behält seine Wärme jedoch viel länger als Land. Dies erklärt sich dadurch, dass die Wärmekapazität von Wasser und Land unterschiedlich ist (Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Körper um ein Grad zu erwärmen). Auch unterschiedliche Landflächen erwärmen sich unter der Sonneneinstrahlung unterschiedlich. Schwarzer nackter Boden erwärmt sich beispielsweise deutlich stärker als beispielsweise eine grüne Wiese. Sand und Stein werden durch die Sonne stark erhitzt, Wälder und Gras werden deutlich weniger erhitzt. Die Fähigkeit verschiedener Gebiete der Erde, sich unter den Sonnenstrahlen unterschiedlich zu erwärmen, hängt auch davon ab, welcher Anteil der auf die Oberfläche einfallenden Strahlen von der Oberfläche absorbiert und welcher reflektiert wird. Verschiedene Körper haben ein unterschiedliches Reflexionsvermögen. So absorbiert Schnee nur 15 Prozent der Sonnenenergie, Sand 70 Prozent und Wasser reflektiert nur 5 Prozent und absorbiert 95 Prozent (Abb. 4). Unterschiedlich erhitzte Teile des Globus bewirken, dass sich die Luft unterschiedlich erwärmt. Wie unterschiedlich die Wärmemenge ist, die die Luft an verschiedenen Orten aufnimmt, lässt sich an diesem Beispiel erkennen. In der Wüste erhält die Luft durch erhitzten Sand 130-mal mehr Wärme als die Luft durch Wasser im Meer, das sich auf dem gleichen Breitengrad wie die Wüste befindet. Aber unterschiedlich erhitzte Luft hat, wie bereits erwähnt, unterschiedliche Dichten. Dadurch entsteht an verschiedenen Orten ein unterschiedlicher Luftdruck: Wo die Luft weniger erhitzt und daher dichter ist, ist der Luftdruck höher; im Gegenteil, wo die Luft stärker erhitzt und daher verdünnter ist, ist der Luftdruck niedriger. Und Luft mit höherem Druck tendiert immer dazu, sich dorthin zu bewegen, wo niedrigerer Atmosphärendruck herrscht, genauso wie Wasser immer von einem höheren Niveau zu einem niedrigeren fließt. So entsteht Wind in der Natur. Die ständige Luftbewegung erzeugt einen Temperatur- und Druckunterschied in der Atmosphäre, der mit einer ungleichmäßigen Erwärmung des Globus durch die Sonne verbunden ist.
So entsteht der Wind in der Natur durch die Energie der Sonnenstrahlen. In Abbildung 5 zeigen wir ein vereinfachtes Diagramm der Hauptluftströmungen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist die Bewegung von Luftmassen über der Erde selbst in ihrer einfachsten Form ein ziemlich komplexes Bild. Am Äquator herrscht aufgrund der starken Erwärmung der Oberfläche ein konstant niedriger Luftdruck. Hier strömen Luftströmungen aus Norden und Süden und erzeugen ständige Winde – Passatwinde. Diese Winde werden durch die Erdrotation abgelenkt. Wenn Sie auf der Nordhalbkugel in die Richtung schauen, in die der Passatwind weht, weicht der Wind nach rechts ab, auf der Südhalbkugel nach links. In einer Höhe von 3-7 Kilometern wehen in diesen Gebieten Gegenpassatwinde – Winde in entgegengesetzte Richtungen. In der Nähe des Äquators gibt es eine Ruhezone. Je weiter sie sich vom Äquator entfernen, desto mehr weichen die Antipassatwinde von ihrer Richtung zu den Polen ab. Bei etwa dem 30. Breitengrad werden auf beiden Seiten des Äquators ruhige Bänder beobachtet; In diesen Gebieten sinken die vom Äquator herströmenden Luftmassen (Gegenpassatwinde) ab und erzeugen ein Gebiet mit hohem Druck. Hier entstehen die Passatwinde. Von hier unten wehen die Winde in Richtung der Pole. Diese Winde dominieren westlich; Im Vergleich zu Passatwinden sind sie viel variabler. Alte Seeleute nennen die Gebiete zwischen 30 und 60 Grad die Gebiete der „Weststürme“. Ruhige Bänder um den 30. Breitengrad werden manchmal als Pferdebreiten bezeichnet. Hier herrschen klares Wetter und hoher Luftdruck. Dieser seltsame Name hat sich seit der Zeit erhalten, als Seeleute noch Schiffe fuhren, und galt nur für die Gegend in der Nähe von Bermuda. Viele Schiffe transportierten Pferde von Europa nach Westindien. Da sich die Segelboote in einer Zeit der Ruhe befanden, verloren sie ihre Bewegungsfähigkeit. Die Seeleute befanden sich oft in schwierigen Bedingungen. Die Wasservorräte waren erschöpft und Pferde waren die ersten, die verdursteten. Die über Bord geworfenen Pferdeleichen wurden lange Zeit von den Wellen getragen. Winde, die von den Polen her wehen, werden oft als polare Ostwinde bezeichnet (siehe Abb. 5).
Das von uns beschriebene Bild der Hauptluftströmungen über der Erde wird durch ständige Winde, die aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung von Wasser und Land entstehen, noch komplizierter. Wir haben bereits gesagt, dass sich Land schneller erwärmt und abkühlt als Wasser. Dadurch kann sich das Land tagsüber viel stärker erwärmen als das Wasser; nachts hingegen kühlt das Wasser langsamer ab als das Land. Daher erwärmt sich die Luft über Land tagsüber stärker; Erhitzte Luft steigt auf und erhöht dort den Luftdruck. Luftströmungen (in etwa 1 km Höhe) strömen auf das Wasser zu und über der Wasseroberfläche stellt sich ein erhöhter Atmosphärendruck ein. Dadurch beginnt ein frischer Wind – eine Brise – aus dem Wasser darunter zu wehen (Abb. 6).
Doch dann kommt die Nacht. Das Land kühlt schnell ab; auch die angrenzende Luft wird gekühlt. Kalte Luft, kondensierend, sinkt. Sein Druck in den oberen Schichten nimmt ab. Gleichzeitig bleibt das Wasser lange warm und erwärmt die Luft darüber. Es wird berechnet, dass die Abkühlung von 1 Kubikmeter Meerwasser um ein Grad eine Wärmemenge erzeugt, die ausreicht, um mehr als 3 Kubikmeter Luft um ein Grad zu erwärmen! Bei Erwärmung steigt die Luft nach oben und erzeugt dort einen erhöhten Luftdruck. Dadurch beginnt oben der auflandige Wind zu wehen und unten weht die Festlandbrise vom Land zum Wasser (Abb. 7).
Solche auflandigen Winde sind jedem bekannt, der an den Ufern großer Seen oder Meere lebt. Bekannt sind beispielsweise die Brisen am Schwarzen, Asowschen und Kaspischen Meer; So weht in Suchumi das ganze Jahr über eine Brise. Brise weht auch auf großen Seen wie Sevan, Issyk-Kul, Onega und anderen. Brise wird auch an den Ufern großer Flüsse beobachtet, beispielsweise an der Wolga bei Saratow, an ihrem hohen rechten Ufer. Brisen reisen nicht weit. Es handelt sich um rein lokale Winde. Durch die ungleichmäßige Erwärmung von Wasser und Land in den Küstengebieten der Meere und Ozeane entstehen windähnliche Winde. Dies sind die sogenannten Monsune. Monsune sind saisonale Winde; sie wehen das halbe Jahr in die eine Richtung, das halbe Jahr in die andere. Sie wehen aufgrund der unterschiedlichen Erwärmung und Abkühlung der Meere und Kontinente im Winter und Sommer. Im Sommer erwärmt sich die Luft über dem Festland deutlich stärker als über dem Meer. Im Gegenteil, im Winter ist die Luft über dem Meer (Ozean) wärmer als die Luft über dem Festland. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich die Kontinente im Sommer stärker erwärmen und im Winter stärker abkühlen als das Wasser, während das Meer, das im Sommer kälter ist, im Winter wärmer wird als das Land. Die große Wärmekapazität des Wassers ermöglicht es dem Ozean, große Wärmereserven aus dem Sommer zu speichern. So scheinen die Kontinente im Sommer die Atmosphäre zu erwärmen, während die Meere und Ozeane sie abkühlen. Im Winter ändert sich die Situation: Die Meere werden zu „Atmosphärenöfen“ und die Kontinente zu „Kühlschränken“. Aus diesem Grund bläst der Monsun; im Winter - vom Land zum Meer und im Sommer vom Meer zum Festland. Monsune werden in allen Klimazonen beobachtet, sogar an den Küsten des Arktischen Ozeans. Die Richtung des Monsuns wird auch durch die Erdrotation beeinflusst. Der Monsun ist in Indien am stärksten ausgeprägt. Für eine allgemeine Beschreibung der Luftströmungen ist es abschließend notwendig, etwas über atmosphärische Wirbel – Zyklone – zu sagen. Die Luftströmungen, über die wir oben gesprochen haben, sind mit der Bewegung enormer Luftmengen in der Atmosphäre verbunden – Luftmassen. Als Luftmasse werden üblicherweise solche Luftmengen bezeichnet, die ihre bestimmten Eigenschaften für einige Zeit behalten. Beispielsweise bringt eine aus der Arktis kommende Luftmasse niedrige Temperaturen und trockene, transparente Luft mit sich. Die Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Luftmassen wird als Front bezeichnet. Auf beiden Seiten der Front herrschen oft stark unterschiedliche Lufttemperaturen, Windgeschwindigkeiten usw. Daher ändert sich das Wetter in diesem Gebiet normalerweise dramatisch, wenn eine Front über einen Ort zieht. Wenn sich zwei benachbarte Luftmassen mit unterschiedlichen Temperaturen (und damit unterschiedlichen Luftdichten) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen oder wenn sie sich relativ zueinander entlang der Front (Abb. 8 oben) an der Grenzfläche der Luftmassen bewegen, aufgrund der Beim Zusammenwirken warmer und kalter Luftmassen entsteht eine Wellenstörung – an der Front bildet sich eine Art Luftwelle. In diesem Fall strömt kalte Luft unter die warme Luft und die warme Luft beginnt ihrerseits, die kalte Luft zurückzudrängen. Die Luftströme beginnen zu wirbeln. Die Wellenstörung an der Front nimmt zu, die Grenzfläche zwischen den beiden Luftmassen krümmt sich immer steiler: So entsteht nach und nach eine immer stärker werdende Wirbelbewegung der Luft – ein Zyklon (siehe Abb. 8).
Es gibt drei Hauptfronten, an denen Wirbelstürme auftreten: Arktis, Polar und Tropen. Die Arktisfront ist die Trennlinie zwischen arktischer und polarer Luft (nördliche Breiten). Die Polarfront trennt polare und tropische Luft (gemäßigte Breiten). Die Tropenfront ist die Trennlinie zwischen tropischer und äquatorialer Luft (südliche Breiten). Der atmosphärische Druck in einem Zyklon nimmt zum Zentrum hin ab. Im Zentrum des Zyklons ist der Luftdruck am niedrigsten. Wenn auf einer Karte des Gebiets, in dem sich ein Zyklon entwickelt, alle Punkte mit dem gleichen Druck durch Linien verbunden sind – zum Beispiel verbindet eine Linie alle Punkte mit einem Druck von 990 Millibar, eine andere – mit einem Druck von 995 Millibar usw . - Dann stellt sich heraus, dass alle derartigen Linien in den Zyklonbereichen geschlossene gekrümmte Linien sind (Abb. 9). Solche Linien werden Isobaren genannt. Die in der Mitte dieses Bereichs liegende Isobare verbindet die Punkte mit dem niedrigsten Druck. Dank dieser Druckverteilung im Zyklon blasen die Winde darin von den Rändern zur Mitte, so dass ein Windkreis entsteht, der gegen den Uhrzeigersinn weht.
Der Zyklon bewegt sich durch die Atmosphäre; es bringt eine starke Änderung der Windrichtung und -geschwindigkeit mit sich. Die durchschnittliche Geschwindigkeit von Zyklonen beträgt 25–40 Kilometer pro Stunde. Neben Zyklonen, also Gebieten mit niedrigem Druck, treten in der Atmosphäre auch Gebiete mit hohem Druck auf, sogenannte Antizyklone. Hier nimmt der Luftdruck zur Mitte hin zu. Zyklone und Hochdruckgebiete bedecken oft sehr große Gebiete, die sich über Tausende von Kilometern erstrecken. Daher wirken sich diese atmosphärischen Störungen spürbar auf die allgemeine Luftzirkulation in der Atmosphäre aus und erschweren diese noch mehr. Die Entstehung und Veränderung verschiedener Winde in gemäßigten Breiten wird hauptsächlich mit der Bewegung von Zyklonen und Hochdruckgebieten in Verbindung gebracht. Sehr starke Winde mit Hurrikanstärke treten bei Wirbelsturmstörungen auf, die ihren Ursprung an der tropischen Front über den Südmeeren haben. Diese Wirbelstürme werden tropisch genannt. Autor: Karmishin A.V.
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