Как найти состояние атмосферы

Устойчивость и прозрачность атмосферы

Рекомендуем:

Отзывы пользователей

Исследовательская работа по экологии «Определение состояния атмосферы»

Учитель биологии Гайнутдинова Г. М.

Верхнемактаминской СОШ

Введение

Одним из способов изучения чистоты воздуха является исследование снега. Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим снег можно рассматривать как своеобразный индикатор чистоты воздуха.

В зависимости от источника загрязнения и его удаленности изменяется состав снегового покрова, поэтому были взяты пробы снега на анализ в различных местах на территории д. Верхняя Мактама. А именно: у дороги по улице Октября, вблизи котельной, на территории птицефабрики, школы, в конце улицы Крупской, С. Хакима. В результате этих исследований выяснилось, что вблизи автодороги на ул. Октября, территории фабрики и школы снег содержит повышенное содержание соединений серы. Вблизи автомобильных дорог и котельных наблюдаются повышенное содержание соединений азота.

Информативным является показатель величины рН снеговых вод. В малозагрязненном снеге, взятом в конце ул. Крупской, С. Хакима он изменяется от 5,5 до 5,8. В близи котельной, как правило, рН снега имеет более высокие значения, т.е. обозначает слабощелочную или щелочную среду, что связано с выпадением зольных частиц, содержащих соединения гидрокарбонатов калия, магния, повышающий pH снеговой воды.

Вдоль автомобильной дороги, на территории фабрики и школы снеговой покров уменьшается, что свидетельствует о кислотности осадков, т.к. продукты сгорания содержат оксиды серы, азота и углерода.

Хорошим показателем чистоты воздуха, на мой взгляд, является определение наличия нерастворимых веществ в снеговой воде. Для определения этого мы на всех участках набрали одинаковое количество снега – 3 кг. Сразу после таяния провели анализ на цвет, прозрачность и запах. Затем пробы профильтровали, высушили осадки на фильтре и взвесили. Даже невооруженным взглядом было видно, что самый грязный снег находился на территории фабрики и по улице Октября, здесь масса нерастворимых частиц превышала показатели других участков в несколько раз. Следующими по загрязненности шли участки котельной и территория школы. Самыми чистыми оказались улицы Крупской, С. Хакима, но и там наблюдаются нерастворимые осадки, т.к. это районы частного сектора, где люди в зимнее время топят печи.

Определение кислотности снега

Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу оксиды азота и серы; соединяясь с водой, они образуют кислоты. Кислотные осадки губительно действуют на живые организмы, строения, памятники. Используя индикаторную бумагу, можно определить наличие кислот в осадках и предсказать, к каким последствиям приведет таяние снега. Если в пробе pH меньше 5,6, то это говорит о кислотных выпадениях в изучаемом районе в течение зимы, что наблюдается на участках приближенных к фабрике: 3,5

Органолептические показатели снеговой воды. Прозрачность

Прозрачность снеговой воды зависит от количества взвешенных частиц и содержания химических веществ.

Мерой прозрачности служила высота столба воды (в см), при которой можно различить на белой бумаге стандартный шрифт с высотой букв 3,5 мм. Для определения прозрачности налили воду в высокий цилиндр с внутренним диаметром 2,5 см и дном из плоско отшлифованного стекла. Цилиндр установили неподвижно над шрифтом на высоте 4 см. Просматривая шрифт сверху через столб воды и доливая воду в цилиндр, нашли высоту столба воды.

Самой прозрачной оказалась снеговая вода с участков наиболее удаленных от птицефабрики, железной дороги и котельной.

Запах

Запах воды обусловлен наличием в ней пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем.

Для определения запаха снеговой воды мы взяли ее 100 мл при комнатной температуре, налили в колбу вместимостью 200 мл с широким горлом, накрыли стеклом и встряхнули вращательными движениями. Открыв стекло, быстро определили запах и его интенсивность, используя таблицы, приведенные далее.

Характер и род запаха воды естественного происхождения

Интенсивность запаха воды

На участках 4,5 интенсивность запаха была слабая, на остальных – заметная. По характеру он был похож на землистый или неопределенный. В общем, так пахнет обычный снег, только в районе фабрики немного интенсивнее.

Выявление химических загрязнений в снегу

Используя специальные методики, можно выявить в снеговой пробе конкретные химические вещества, которые попадают в снег из атмосферы. Для этого использовала отфильтрованную снеговую воду.

Методики определения химических веществ.

1. SO₄^2-. К 10 мл пробы прибавить 1мл хлорида бария. При содержании SO₄^2- возникает помутнение.

2. SO₃^2- . К 10 мл пробы прибавить слабый раствор марганцовокислого калия. При содержании сульфит ионов розовый цвет исчезает.

3. S^2-. К 10 мл пробы добавить нитрат серебра. Если есть сульфид ионы, то появиться слабое помутнение.

4. CL^—. К 10 мл пробы добавить ацетат свинца. При наличии хлорид ионов выпадает осадок черного цвета.

5. NH₄^—. К 10 мл пробы добавить р-р щелочи сильной концентрации и подогреть. При наличии ионов аммония появится запах аммиака.

Полученные данные внесены в таблицу. Мутность измеряли в баллах

от 0 до 10.

Самыми загрязненными химическими веществами как всегда оказались участки 3, 4, 5, прилегающие к территории фабрики, самыми чистыми являются удаленные участки. Во всех пробах оказались соединения серы, в общем, что и следовало ожидать.

Воздух нашей деревни

Деревня Верхняя Мактама находится на склонистой местности, с одной стороны окруженной лесом. В результате ее географического положения, в нашей деревне преобладают западные и юго-западные ветры. Основными загрязнителями атмосферы являются: птицефабрика (ОАО «Акканат»), особенно в зимнее время, когда на всю мощь работают вентиляторы и в открытой форме осуществляется вывоз птичьего навоза; железная дорога, так как она проходит недалеко от деревни, а по ней перевозят грузы, загрязняющие воздух твердыми частицами; котельные; печи в частном секторе; и автотранспорт, которого становится все больше. Как уже видно, основное загрязнение происходит в зимнее время, и от дыма и запаха населению просто некуда деться. Самым грязным районом является территория птицефабрики и прилежащие к ней жилые районы, т.е. ул. Октября, Чапаево, М. Джалиля. По мере отдаления от них, особенно в северном и восточном направлениях воздух становится гораздо чище, снег белее белый.

В результате всех исследований и наблюдений можно сделать вывод о том, что воздух над д. Верхняя Мактама – относительно чистый, особенно в летнее время, зимой же состояние атмосферы резко ухудшается. В белое время года – зимой, наша любимая деревня становится неприглядной, черной.

Для улучшения состояния атмосферы ребята нашей школы каждый год занимаются посадкой лиственных и хвойных деревьев и в течение года ухаживают за ними. Весной изготавливают и вывешивают скворечники для привлечения птиц, а птицы, уничтожая гусениц, тоже помогают деревьям. Во время прогулок ребята без надобности не жгут костры и не бросают в огонь пластиковые предметы, продукты сжигания которых очень вредят атмосфере.

Хотелось бы, чтобы и руководители фабрики обратили внимание на грязно-дымящиеся трубы и надели на них фильтры.

Литература:

1. Ашихмина Т.Я. Школьный экологический мониторинг. Москва: АГАР, 2000.

2. Дядюн Т.В. Практикум «Мир воздуха». Ж. «Биология в школе», № 1, 2001.

3. Самкова В.А. Мы изучаем лес. Ж. « Биология в школе», 2010.

4. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. Учебное пособие для педагогических институтов. Москва. Просвещение, 2008.

5. Чижевский А.Е. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Экология. Москва. Издательство АСТ, 2009.

Что такое Аэрологическая диаграмма? – Это наше все о вертикальной погоде!

По ней можно спрогнозировать? :

• Базу (нижнюю границу) облаков;
• Высоту термиков доступных для парения;
• Силу, среднюю скороподъемность и турбулентность потоков;
• Задерживающие слои, в которых термик будет изгибаться и вести себя не так как надо;
• Вид  облаков;
• Насколько хорошо облака будут работать;
• Как быстро облака будут испарятся после смерти потока и будут ли они растекаться, закрывая солнце кризами;
• Будут ли работать “облачные гряды” и можно ли лететь “дельфином”;
• Как меняется ветер по высоте;
• Будут ли смерчи, резкие нисходящие потоки и как они будут распределятся по вертикали;
• Есть ли опасность переразвития облаков;
• Будут ли дожди, грозы;
• На какой высоте наиболее эффективно лететь;
• Можно ли будет выпаривать “с низов”;
• и многое – многое другое.

Давайте разбираться, как же это все прочитать на этом графике.

Для начала, разберем что такое – Аэрологическая диаграмма (АД)? – Итак.

Аэрологическая диаграмма – это ряд данных, описывающих состояние воздуха по высоте. Эти данные, представлены 2-мя кривыми состояния воздуха и значениями о ветра.

• 1-я кривая расположена слева, обычно жирная, зеленого цвета, называется – депеграмма (depegram ) или же кривая “точек росы”. Эта кривая (в градусах С), показывает температуру насыщения воздуха водой, то есть при какой температуре, начнется конденсация влаги из воздуха находящегося на том или ином уровне. По своей сути, она передает абсолютное содержание влаги в воздухе на данной высоте.
• 2-я, кривая, справа, обычно жирная красная, называется – “кривая стратификации” и она показывает температуру воздуха на данной высоте. Стратификация может быть устойчивая, неустойчивая и безразличная по отношению к сухому (и ненасыщенному) или насыщенному воздуху.
• Расстояние между кривой стратификации и депеграммой показывает дефицит точки росы ∆=Т-Тd.
• Данные о ветре, в основном располагаются справа от бланка АД и указывают направление и скорость ветра на каждом высотном уровне, иногда дополняются годографом смещения зонда по высотам. (кривая показывающая куда смещался зонд в процессе подъема, на ней наглядно видно куда и как доворачивает ветер по высоте).

Эти 2 кривые и данные о ветре, получают по результатам зондирования атмосферы (они часто так и называются – sounding) метеорологическими шарами – зондами (обычно 2-ды в сутки, в 0 часов и 12 часов по стандартному времени UTC), или же их получают по результатам численного моделирования для тех точек где нет зондирования или в прогнозе на будущее.

Кривые наносят на специальный бланк аэрологической диаграммы, этот бланк-номограмма описывает термодинамические свойства воздуха.

Линии аэрологических диаграмм.

На АД наносят следующие линии:

• Изобар (равного давления) – горизонтальные штриховые линии – показывают одинаковую высоту (давление) вдоль всей линии. Цифры справа – это высота или давление в мбар. Давление показывает высоту.  В первом приближении можно считать что :
  • 1000 мбар = 100м
  • 900 мбар = 1 км
  • 800 мбар = 2 км
  • 700 мбар = 3 км
  • 500 мбар = 5,5 км
• Изотерм (равной температуры) – вертикальные тонкие красные или коричневые линии на бланке АДП и наклонные направо на бланке АДК , под углом 45 град. к изобарам (высоте) (поэтому бланк и называется косоугольным) – показывают одинаковую температуру вдоль всей линии. Коричневые цифры слева и снизу – это температура изотерм.
• Изограмм (равных “точек росы”) – обычно зелёный тонкий пунктир, показывают как меняется точка росы при подъеме воздуха определенной влажности. порядка 0.2 градуса на 100м высоты.
• Сухих адиабат (САГ=DALR) –  наклоненные влево серые линии, – они описывают изменения параметров воздуха двигающегося по сухоадиабатическому закону (то есть при условии отсутствия конденсации влаги). Или просто – линии сухоадиабатического градиента. САГ примерно равен 9.8 град на 1 км высоты.
• Влажных адиабат (ВАГ=SALR) – синие изогнутые линии, изменения параметров воздуха двигающегося во влажноадиабатическому закону (то есть при условии конденсации влаги). Или просто – линии влажноадиабатического градиента.  Линии изогнутые, так как влажная адиабата сильно зависит от давления (высоты) и температуры воздуха. (чем теплее воздух – тем больше в нем растворяется влаги и тем больше “скрытого тепла” выделяется при ее конденсации. ВАГ изменяется от 4 до 8 град на км высоты.  Чем холоднее воздух, тем меньше в нем влаги и тем ближе ВАГ приближается к САГ.

Изменение ВАГ в зависимости от давления и температуры.

• Справа от поля АД стоят “флажки”, показывающие направление и скорость ветра в метрах в секунду или узлах и направление в градусах. Например 90 (5) означает, что на данной высоте дует восточный ветер 5 м/с.
• Слева в верхнем углу, часто рисуют годограф дрейфа зонда. Концентрические круги указывают скорость, а смещение графика в ту или иную сторону – направление дрейфа.

Бланки Аэрологических диаграмм.

Существуют 3 основных вида бланков, эмаграмма (она же АДП), Тепиграмма и Skew-T log P (она же АДК) отличаются они углами пересечения линий, описывающих основополагающие характеристики воздуха (в первую очередь давление (высота), температура, и сухоадиабатический закон.

Бланки аэродинамических диаграмм удовлетворяют следующим требованиям:

1. Разработаны таким образом, что площадь на диаграммах была пропорциональна энергии.
2. Основополагающие линии были – прямые и следовательно ими легко пользоваться.
3. На АДК /аэрологическая диаграмма в косоугольной системе координат/ (Skew-T log P)   – косые изотермы (T) являются почти перпендикулярны к САГ (сухоадиабатический градиент).

Важно, чтобы САГ (isentropes) и изотермы быть далеко друг от друга, чтобы помочь нам увидеть небольшие изменения температуры относительно САГ, который важен в определении стабильности.

Давайте разберем на примере АДК (она же Skew-T log P).

Изобары (высота)

Изограммы

Изограммы –  линии равной удельной влажности при состоянии насыщения. Показывают при какой температуре и на какой высоте воздушная масса данной влажности достигнет состояния насыщения (точки росы).

Дальнейший подъем этого воздуха привел бы к конденсации и образованию облаков.

Изотермы

Изотермы – прямые постоянных температур. Для удобства, в АДК, они располагаются наискосок слева направо.

Сухие адиабаты (изантропы) или САГ (DALR в англоязычных диаграммах)

Линии САГ (сухоадиабатического градиента) – показывают адиабатическое изменение температуры частицы сухого или влажного ненасыщенного воздуха при его опускании или подъёме.

Сухое адиабатическое понижение температуры поднимающегося воздуха составляет примерно  0.98°С/100м.

Линии САГ направлены справа – налево.

Влажные адиабаты или линии ВАГ (SALR на англоязычных)

Показывают адиабатическое изменение температуры частицы влажного воздуха при его опускании или подъёме при условии конденсации(испарения)  влаги.

При конденсации влаги, происходит выделение дополнительной “скрытой” энергии что уменьшает понижение температуры при подъеме воздуха по сравнению с ненасыщенным состоянием как при САГ.

ВАГ (влажно-адиабатический градиент) сильно зависит от объема выделяемого тепла (следовательно от температуры воздуха и давления(высоты)) ВАГ может колебаться от 0,3 до 0,98°С/100м).

В очень холодном воздухе – влажные адиабатические параметры близки к сухо-адиабатическим.

Все вместе линии – образуют бланк АДК (Skew-T log P)

На Бланк АД, как уже говорилось выше, наносятся данные точек росы (депеграмма), данные о фактических температурах воздуха (кривая стратификации) и данные о ветре.

Так же на бланке АД, обычно строят “кривую состояния“.

Кривая состояния – характеризует изменения температуры воздуха в адиабатически поднимающейся частице воздуха. Обычно воздух содержит то или иное количество водяного пара, поэтому до уровня конденсации кривая состояния проводится по сухой адиабате (САГ), выше уровня конденсации – по влажной адиабате (ВАГ).

Проще говоря, кривая состояния описывает – что будет происходить с поднимающимся изолированным объемом воздуха заданной температуры у поверхности, в атмосфере с заданными значениями кривой стратификации и депеграммой. Если мы строим кривую состояния для температуры равной средней у поверхности , то она покажет закон подъема воздуха при механическом (например орографическом – из-за рельефа) переносе, если мы берем начальную температуру равную слою воздуха “перегретому” над зоной формирования термика (обычно на 3-4 градуса выше чем средняя у поверхности) то кривая состояния опишет – что будет происходить с воздухом поднимающемся в термике (пузыре).

По результатам взаимного анализа кривых стратификации, состояния и депеграммы проводят АНАЛИЗ НЕСТАБИЛЬНОСТИ, и можно найти ряд интересующих нас параметров погоды и базовых уровней.

Такие как:

• Реальную температура на любой высоте – берем нужную нам высоту (или давление) на правой шкале, проводим горизонтальную линию до пересечения с красным графиком кривой стратификации, и от точки пересечения проводим линию вниз, параллельную изотерме.
• Уровень конденсации – уровень, до которого нужно подняться, чтобы содержащийся в воздухе водяной пар при адиабатическом подъёме достиг состояния насыщения (или 100% относительной влажности) и началась конденсация влаги. Этот уровень поможет предсказать будут ли облака и какая база у них будет. Для определения уровня конденсации нужно выбрать какой именно тип уровня нам необходим – при конвекции (термический) или при механической переносе (например орографическом подъеме). Для механического подъема (Lifting Condensation Level (LCL)) – нужно от высоты зондирования (поверхности) от значения температуры воздуха перемещаться по сухой адиабате, а от значения точки росы – по изограмме, уровень их пересечения является уровнем конденсации. Для термической конвекции,(Convective Condensation Level (CCL)) необходимо у земли взять температуру на несколько градусов выше, чем измеренная зондом. Эта будет температура “перегрева термика” относительно окружающего воздуха.
• Уровни температурных инверсий.
• На какой высоте присутствует плотная облачность, и какой слой она занимает по высоте (если такая есть). Например, если графики температуры и точки росы соприкасаются мы имеем плотное слоистое облако. Слоистое, а не кучевое, потому что такие условия имеются по всему нашему району.
• Дождливый день – если эти два графика одновременно идут снизу и до большой высоты (это означает, что по всей высоте мы имеем 100% влажность)
• Силу и направление ветра на заданной высоте по правой части диаграммы и годографу (если он есть).

Так же по анализу диаграммы можно судить о прогнозной динамике погоды, например о приближении атмосферного фронта, о возможности растекания облаков и т.д. Сам процесс определения разных уровней и распознавания разных типов погоды я буду описывать в отдельных статьях, в разделе теоретическая метеорология. А эту статью хочу закончить ссылками на ресурсы, где можно скачать актуальные диаграммы.

• В первую очередь Flymeteo.org – на этом сайте можно скачать актуальные реальные данные АДП на 00 и 12 UTC по множеству точек в России и в мире. Все диаграммы в отлично читаемом виде и обработаны, то есть на них выделены базовые уровни и метеорологические явления.

• Во вторую очередь сайт meteo.paraplan.ru на нем огромное количество прогнозных модельных аэрологических диаграмм в формате АДК 

• Так же прогнозные АДК для любой точки на планете (по клику на карте) можно посмотреть на сайте XCSkies.com

Есть множество других источников, где можно смотреть натурные и прогнозные (модельные) аэрологические диаграммы, но приведенных выше – вполне хватает для анализа погоды в любительских условиях.