Задание 6

1. Каково агрегатное состояние облаков, дающих ливневые осадки в умеренных и тропических широтах?

Ответ

Ливневые осадки в умеренных и тропических широтах выпадают из кучево-дождевых облаков. В жаркую погоду слабый ливневой дождь может выпадать из мощно-кучевых облаков, а также из кучевых средних облаков. Облака представляют из себя аэрозоли – взвешенные мелкие частицы конденсированной фазы в газовой фазе. Нижние уровни кучево-дождевых облаков образованы главным образом капельками воды, а верхние – кристалликами льда [1, 7-10].

Таким образом, облака, дающие в умеренных и тропических широтах ливневые осадки, имеют жидкое состояние на нижних уровнях (т.е. туман) и твердое на верхних уровнях (т.е. дым).

Задание 7

1. Каковы условия, необходимые для образования и роста зародышевых капель?

Ответ

Для образования зародышевых капель необходимо наличие центров конденсации – мелкодисперсных твердых или жидких частиц в воздухе; в их отсутствие образование капель также может происходить благодаря флуктуациям плотности паров воды, в результате которых центрами конденсации выступают комплексы молекул воды. Дальнейший рост таких капель определяется влажностью воздуха и свойствами поверхности этих капель [1, 3].

Контрольная работа № 2 Задание 1

1. Какие оптические явления связаны с дифракцией света на каплях тумана?

Ответ

Дифракция электромагнитных волн представляет из себя отклонения от геометрической оптики при их распространении. Так как туман представляет из себя аэрозоль из мелких частиц – капель воды, а при низких температурах также кристалликов льда (изморозь) размером 1 – 60 мкм, как правило 5 – 15 мкм для капель воды, составляющих туман, возникает ряд оптических явлений, связанных с дифракцией (а также отражением и преломлением) световых волн на мелких каплях тумана [11]. Рассмотрим основные из них.

Туманная радуга представляет из себя белую дугу или круг, внутренняя часть которого окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя – в оранжевый. Возникает при освещении лучами солнца слабого тумана, содержащего капли размером не более 50 мкм. Оптическое явление возникает за счет преломления и рассеяния световых волн на мелких каплях тумана, при этом белое окрашивание центральной части радуги объясняется дифракцией света на этих каплях, влияние которой увеличивается при уменьшении размера капель.

Броккенский призрак представляет из себя тень на поверхности тумана в противоположном Солнцу направлении, которая часто окружена цветными кольцами (глорией). Возникает при отбрасывании тени на туман. Кажется крупнее объекта, отбрасывающего тень, за счет прохождения тени через туман, что вызывает оптическую иллюзию. Неправильно оценивая расстояние до тени, наблюдатель получает впечатление находящейся перед ним гигантской призрачной фигуры. Глория возникает за счет дифракции световых волн на мелких каплях тумана.

Задание 2

Определить максимальную метеорологическую дальность видимости S_m,max и коэффициент прозрачности в горизонтальном направлении в идеальной атмосфере, в которой ослабление лучистого потока обуславливается только молекулярным рассеянием. Коэффициент прозрачности всей толщи атмосферы – Р, температура воздуха – t⁰C, атмосферное давление нормальное. Атмосферу считать однородной. Как и почему влияет изменение температуры воздуха у земной поверхности на S_m,max? Почему нельзя увидеть достаточно высокий предмет любой яркости и цвета с расстояния, большего, чем полученное значение S_m,max?

Таблица 1

Варианты исходных данных

№ варианта	1
P	0,906
t0C	20,0

Решение

Максимальная метеорологическая дальность видимости S_m,max может быть определена через коэффициент прозрачности в горизонтальном направлении в идеальной атмосфере P_i согласно формуле [3]:

S_m = –lnε/lnP_i,

где ε = 0,02 – порог контрастной чувствительности глаза.

Коэффициент P_i с учетом только молекулярного рассеяния описывается выражением:

где H – расстояние, σ_m – объемный коэффициент молекулярного рассеяния.

Поскольку известен коэффициент, описывающий всю толщь атмосферы Р = 0,906, можно найти высоту однородной атмосферы и объемный коэффициент молекулярного рассеяния.

H = RT₀/g = 8,314 Дж/(моль К)×293,15 К/9,8 м/с² = 248,7 м.

σ_m = –ln(P_i/H) = –ln(0,906/248,7) = 5,61 м.

В горизонтальном направлении коэффициент прозрачности на единицу длины 1 км равен:

Тогда

S_m = –lnε/lnP_i = 3,01 км.

Метеорологическая дальность видимости характеризуется очень широким диапазоном значений. В плотных туманах, облаках она может снижаться до нескольких десятков метров. В достаточно чистом и сухом воздухе, в случае, если ослабление обусловлено главным образом молекулярным рассеянием света, дальность может превышать 100 – 200 км. На протяжении года максимум данной величины приходится на лето, а минимум – на зиму, что обусловлено ростом повторяемости туманов, дымок и инверсий температуры зимой. В теплую половину года максимальные значения метеорологической дальности видимости наблюдаются утром, а минимальные – после полудня. В холодный период минимальные значения нередко наблюдаются в конце ночи (при возникновении туманов дымок), а максимальные – после полудня.

Ответ: S_m,max = 3,01 км, P_i = 3,66.