Время и его измерение

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(НИУ «БелГУ»)

Г. Н. ГРИГОРЬЕВ

УЧЕНИЕ ОБ АТМОСФЕРЕ

ПРАКТИКУМ

Белгород 2012

УДК 551.51(075.8)

ББК 26.23я 73©

Г 83

Печатается по решению редакционно-издательского Совета

Белгородского государственного национального исследова-

тельского университета (НИУ БелГУ)

Рецензенты: профессор кафедры тактико-специальной и огневой

Подготовки Белгородского юридического института МВД России,

д. г. н. В.А. Хрисанов;

зав. кафедрой физической географии Воронежского государственного

педагогического университета, к. г. н., доцент В.И. Шмыков

Г 83 ГРИГОРЬЕВ Г. Н.

Практикум по «Учению об атмосфере»: пособие для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям «география» и «экология и природопользование». – Белгород, 2012.– ______с.

Практикум предназначен для аудиторной и самостоятельной работы студентов по «Учению об атмосфере», «Климатологии с основами метеорологии», а также по «Общему землеведению», закладывающим основы географического образования. В каждом задании пособия приведен минимум теоретической части, необходимой для выполнения задания. Система заданий охватывает три основных раздела курса: изучение основных метеорологических приборов из раздела «общая метеорология», анализ погодных условий в зоне атмосферных фронтов и в других крупномасштабных формах движения воздушных масс в разделе «циркуляция атмосферы» и анализ климатов земного шара из раздела «климатология».

ISBN ­­­­­­­­­­­­­ ­ ______ © Григорьев Г.Н., 2012

© Белгородский государственный национальный

Исследовательский университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Учение об атмосфере» включена в базовую часть профессионального цикла Федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС) по направлению 020800.62 – Экология и природопользование. Она ориентирована на формирование у будущих бакалавров теоретических представлений о сложных атмосферных процессах, о причинах неравномерного распределения солнечной энергии на земном шаре, способствующей установлению климатических поясов. В процессе изучения дисциплины бакалавры познают необходимость единовременных наблюдений за изменением метеорологических характеристик и атмосферных явлений по всему земному шару, начиная от деятельной поверхности до значительных высот по вертикали и от южного полюса до северного по широтам.

Учебная программа курса «Учение об атмосфере» сначала включает в себя сведения о составе атмосферного воздуха у земной поверхности и на разных высотах. Затем анализируется вертикальное деление атмосферы на разные слои по разным признакам: изменению температуры с высотой, по взаимодействию с подстилающей поверхностью, по содержанию в атмосфере электрически заряженных частиц, содержанию озона и т.д.

Далее учебной программой предусмотрено изучение 3-х основных разделов дисциплины. В первом разделе рассматриваются вопросы общей метеорологии – радиационный режим земной поверхности и атмосферы, основы статики и термодинамики атмосферы, тепловой и водный режим земной поверхности и атмосферы. Второй раздел посвящен изучению атмосферной циркуляции. Здесь бакалаврами познаются силы, действующие в атмосфере, условия образования основных воздушных масс и атмосферных фронтов, изучаются крупномасштабные формы циркуляции, постоянные и сезонные центры действия в атмосфере, барические поля, местные ветры, этапы развития циклонов и антициклонов. Заканчивается раздел анализом схемы общей циркуляции атмосферы на Земле. Изучению этого раздела уделяется особое внимание в связи с острыми экологическими проблемами, стоящими перед обществом, необходимостью учета трансграничных переносов загрязняющих веществ воздушными массами при разработке прогноза устойчивого развития географической среды.

Заключительный раздел посвящен изучению климатообразующих процессов и географических факторов климата. Рассматриваются классификации климатов по разным признакам: условиям циркуляции атмосферы (генетическая классификация Б.П. Алисова), количественным значениям температуры воздуха и атмосферных осадков (В. Кеппена) и по географическим поясам (Л.С. Берга). Подробно даны характеристики климатов земного шара и России, рассмотрены глобальные причины изменения климата и «вклад» человека в его современное потепление.

Содержание дисциплины имеет основополагающее значение для усвоения большинства дисциплин модулей профессионального цикла, в том числе «Учение о гидросфере», «География», «Геоэкология», «Физическая география материков и океанов», «Охрана природы и заповедное дело», «Охрана окружающей среды» и др., формирует теоретические и методологические основы для проведения учебных (метеорологических, гидрологических, комплексных и др.) практик.

Освоение курса «Учение об атмосфере» способствует формированию общекультурной компетенции по восприятию информации из различных источников для решения профессиональных и социальных задач, стоящих перед выпускниками бакалавриата, а также таких профессиональных компетенций, как владение базовыми общепрофессиональными теоретическими знаниями о географической оболочке, климатологии с основами метеорологии, умение применять картографический метод в климатологических исследованиях. Знания, полученные в курсе «Учение об атмосфере», помогут студенту овладеть методами обработки, анализа и синтеза полевой метеорологической информации и использовать теоретические знания на практике.

Для успешного освоения этого важного для эколога, геоэколога, географа и любого специалиста в области охраны окружающей среды, но достаточно сложного курса, необходима система лабораторных занятий, которая должна помочь студентам закрепить теоретический материал, излагаемый на лекциях, а также привить им ряд практических навыков, необходимых в их будущей научно-производительной деятельности. Прежде всего, знание устройства и принципа действия основных метеорологических приборов, широко используемых на метеорологической сети и в экспедициях. Во-вторых, студенты должны уметь анализировать особенности разных форм циркуляции атмосферы и погодные условия на картах погоды. В-третьих, им будет посильно составление климатических характеристик территорий, расчет комплексных климатических показателей, работа с литературными источниками.

Количество и объем заданий, приведенных в практикуме, превышает минимум, предусмотренный в ФГОСах, что позволяет индивидуализировать работу студентов и часть заданий вынести на самостоятельное выполнение.

Все лабораторные работы изложены по единой схеме. В начале каждого задания приводится минимум теоретических сведений по теме, необходимый для выполнения данной работы. Затем расписывается порядок выполнения задания и в заключении предлагаются контрольные вопросы, способству-

ющие закреплению изученного материала.

В Приложениях представлен значительный, но необходимый для выполнения изложенных в практикуме заданий, вспомогательный материал.

Приведенные в практикуме задания взяты из разных источников, указанных в списке литературы. Некоторые из них дополнены или переработаны, а часть заданий составлена автором.

Контроль за работой студентов осуществляется как в ходе выполнения заданий, так и при защите отчетов о выполненной работе. Дополнительно, по завершению каждого раздела, проводится контрольная работа.

Время и его измерение

1.1. Основные понятия о времени

Понятие о времени имеет каждый человек. Время выражает порядок смены явлений. Говоря о времени в быту мы имеем ввиду промежутки времени определенной, фиксированной продолжительности. В философии время – одна из форм существования бесконечно развивающейся материи.

В астрономии за основную единицу времени приняты сутки – промежуток, равный времени обращения Земли вокруг своей оси. Сутки и их доли (часы, минуты, секунды) используются при измерении коротких промежутков времени. Так как вращение Земли вокруг своей оси не равномерное, то астрономические сутки как единица времени не обладают достаточной точностью. Поэтому в «Службе времени» и в СИ используют в качестве единицы времени секунду, использование которой связано с периодом излучения атома Цезия-133.

На практике в астрономии и в метеорологии широко используются следующие основные понятия о времени: момент, когда Солнце находится точно на юге (в северном полушарии), то есть на меридиане данного места, называется истинным полднем; промежуток времени между двумя истинными полуднями двух соседних суток называется истинными солнечными сутками.

Вследствие неравномерного вращения Земли вокруг Солнца на орбите (Земля в перигелии ближе к Солнцу и под его влиянием движется быстрее, а в афелии она дальше от Солнца и обращается медленнее) и изменения наклона эклиптики к экватору продолжительность суток неодинакова. Поэтому продолжительность истинных солнечных суток не пригодна для практического использования. Для удобства измерения времени принято среднее солнечное время, определяемое по «Среднему Солнцу» – воображаемому объекту, перемещающемуся равномерно и совершающего полный оборот за тот же период, что и истинное Солнце, то есть за год. Продолжительность средних солнечных суток составляет 24 часа. За начало суток принимается нижняя кульминация, то есть полночь. Разность между средним и истинным солнечным временем называется «уравнением времени», имеющего вид:

∆τ = T - τ, где

T – среднее солнечное время, τ – истинное солнечное время,

∆τ – уравнение времени.

Наибольших значений уравнение времени достигает два раза в году: в середине февраля – (+14,5 мин) и начале ноября – (-16,3 мин). Четыре раза в год оно обращается в нуль: в середине апреля, в середине июня, в начале сентября и в конце декабря (Приложение 1). В эти дни среднее солнечное время совпадает с истинным солнечным временем. Среднее солнечное время одинаково для всех пунктов, расположенных на одном меридиане и, соответственно, отличается на двух соседних меридианах. Это времяназывается местным временем. Такимобразом, среднее солнечное время и местное время имеют одинаковый смысл и используются как синонимы.

Промежуток времени, за который Земля по отношению к звездам совершает полный оборот вокруг своей оси, называется звездными сутками и составляет 23 часа 56 минут 4 секунды. Звездные сутки всегда одинаковы и удобны для астрономических наблюдений. Солнечные сутки несколько длиннее звездных. Это объясняется одновременным вращением Земли вокруг своей оси и ее обращением вокруг Солнца. Тем не менее, люди живут по солнечному времени, так как практически весь органический мир приспособлен к суточным и годовым ритмам поступления солнечной энергии.

Поэтому на практике для упрощения счета времени используется система поясного времени, которая была принята на международном астрономическом конгрессе в 1884 г. Весь земной шар был разделен на 24 часовых пояса по 15º в каждом – от «нулевого до 23-го часового пояса. Счет поясов ведется на восток от нулевого (Гринвичского) меридиана, который является средним меридианом нулевого пояса. Граничными для этого пояса являются меридианы, проходящие по 7º30' з. д. и 7º30' в.д. В пределах данного часового пояса среднее солнечное время нулевого меридиана принято в качестве поясного времени. Таким образом, на нулевом меридиане совпадают местное, среднесолнечное и поясное время. Поясное время нулевого (Гринвичского) меридиана принято в качестве всемирного времени. Зная всемирное время, легко вычислить поясное время любого часового пояса.

Границы первого часового пояса проходят по меридианам 7º30' в.д. и 22º30' в.д. Поясное время этого часового пояса равно среднесолнечному времени для меридиана 15º в.д., что на 1 час больше времени нулевого часового пояса. Так можно рассчитать время любого часового пояса (рис.1.1).

Рис. 1.1. Распределение часовых поясов на Земле

Условные обозначения: средний меридиан часового пояса;

–––––––– пограничные меридианы часового пояса;

(1, 12,…, 23) –– номера часовых поясов

Для перевода местного времени в поясное и обратно существует формула

T_ⁿ – m= N – λ º, где

T_ⁿ – поясное время, m – местное время, N – число часов, равное номеру пояса,

λ º – долгота, выраженная в часовой мере.

Надо подчеркнуть, что границы часовых поясов с меридианами совпадают только в открытом море и на океанах. На суше для удобства границы проведены не строго по меридианам, а по естественным рубежам (рекам, горам) или с учетом государственных границ и административных делений крупных государств. В качестве примера приведем часовые пояса России (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Часовые пояса России

Важной характеристикой времени является линия перемены дат. Это условная линия проходит практически по меридиану 180º, на Чукотке отклоняясь к востоку (проведена по Берингову проливу). По обе стороны от нее часы и минуты совпадают, а календарные даты отличаются на одни сутки. Например, если мы пересекаем линию перемены дат 31 декабря с запада на восток, то в западном полушарии окажемся 30 декабря, и, наоборот, если мы переедем через данную линию 31 декабря с востока на запад, то окажемся уже 1 января в восточном полушарии.

На территории Российской Федерации поясное время было введено 1 июня 1919 г. 16 июня 1930 г. в целях экономного использования светлого времени суток Постановлением Совнаркома (правительства) бывшего Советского Союза было введено декретное время, опережающее поясное время на один час. В некоторых странах время на один час переводят лишь на лето. С 1 апреля 1981г. в СССР для рационального использования дневного света и экономии электроэнергии было введено летнее время. Для перехода на летнее время стрелки часов в последнее воскресенье марта передвигаются на один час вперед, а в последнее воскресенье октября – на один час обратно. Летнее время на два часа больше, чем среднесолнечное время. Отметим, что с ноября 2011 г. в России летнее время действует в течение всего года. Поэтому, например, в Токио, расположенном на 4º40′ восточнее Хабаровска в 12 часов по московскому времени местное время будет 17 часов (зимой японцы живут по поясному времени), а часы в Хабаровске будут показывать 19 часов.

В настоящее время на метеорологических станциях нашей страны наблюдения проводятся по среднему гринвичскому времени (СГВ), равному среднесолнечному времени нулевого (Гринвичского) меридиана 8 раз в сутки: 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 час. Для удобства работы станций в книжках для записи наблюде­ний КМ-1 наряду со сроком по СГВ указывается поясное или поясное декретное время (зимнее или летнее); при необходимости можно указывать в скобках московское время (зимнее или летнее). Такие наблюдения позволяют строить карты погоды на большие территории в конкретный момент времени. В книге наблюдений время по Гринвичу записывается в числителе, а местное (декретное или летнее) время – в знаменателе.

Пример. Для станций V часового пояса срок наблюдений 18ч СГВ следует за­писать в книжку КМ-1: зимой — 18 / 00, летом — 18 / 01.

Наблюдения за видами солнечной радиации на всех актинометрических станциях проводятся по среднему солнечному времени в сроки 0³⁰, 6³⁰,

9³⁰, 12³⁰, 15³⁰, 18³⁰ часов. Использование среднего солнечного времени позволяет сравнивать между собой данные, полученные на разных станциях одной и той же широты, при одинаковой высоте солнца над горизонтом. Кроме того, по данным на станциях, расположенных на разных широтах, можно судить об изменении величин составляющих радиационного баланса от экватора к полюсам.

1.2. Календари

Календарь – это система измерения больших промежутков времени, основанная на периодических явлениях окружающего мира.

За многовековую историческую практику было разработано и использовалось много различных календарей. Тем не менее, все используемые календари можно разделить на три основные группы: солнечные, лунные и лунно-солнечные.

В основе солнечных календарей лежит продолжительность тропического года, а в основе лунных – продолжительность лунного месяца, то есть промежутка времени между одинаковыми фазами Луны. Лунно-солнечные календари основаны на обоих этих периодах.

Примером лунного календаря служит магометанский календарь. Год в нем состоит из 12 лунных месяцев и содержит 354 или 355 средних солнечных суток.

В еврейском лунно-солнечном календаре год состоит из 12 месяцев (354 дней) или из 13 месяцев (384 дней). Кроме того, есть года "недостаточные" (353 или 383 дня) и "избыточные" (355 или 385 дней).

Современный календарь, которым пользуются в большинстве стран, является солнечным с основной единицей времени – тропический год. Продолжительность тропического года - 365,2422 средних солнечных суток.

При составлении солнечного календаря соблюдались следующие условия:

1) календарный год должен содержать целое число суток;

2) продолжительность календарного года, в среднем за несколько
лет, должна быть как можно ближе к продолжительности тропического года.

Древнегреческий астроном и математик из Александрии Созиген (I в. до н.э.) предложил считать продолжительность календарного года равной 365 средним солнечным суткам три года подряд, а каждый четвертый год – 366 суткам. В 46 г. до н.э., используя идею Созигена, Юлий Цезарь провел реформу календаря. Так появился юлианский календарь (старый стиль). Годы продолжительностью в 365 суток стали называться простыми, а годы в 366 суток – високосными. Високосными годами в юлианском календаре считаются годы, номера которых делятся на 4 без остатка. В феврале високосного года 29 дней, а простого – 28. Новый год начинается с 1 января и состоит из

12 месяцев. В юлианском календаре сохранилась и такая мера времени, как неделя, придуманная вавилонскими астрономами.

По юлианскому календарю продолжительность года в среднем равна 365,25 средних солнечных суток, а это означает, что календарный год длиннее тропического на 0,0078 суток. За 128 лет расхождение составляет приблизительно одни сутки, а за 400 лет около 3 суток. Это расхождение не было значительным, и юлианским календарем пользовались все европейские страны около 16 столетий. За этот период счет времени по календарю стал существенно (на 10 суток) расходиться со счетом тропическими годами. Требовалась реформа юлианского календаря.

В 1582 году римский папа Григорий XIII из религиозных соображений провел реформу календаря по проекту итальянского математика и врача Луллио. Было выдвинуто два принципиальных пункта:

1) после 4 октября 1582 года считать не 5, а 15 октября;

2) не считать в дальнейшем високосными те годы столетий, у которых число сотен не делится без остатка на 4 (1700, 1800, 1900, 2100 и т. д.).

В течение XVI–XVII вв. григорианский календарь (новый стиль) был введен в большинстве западных стран. В России переход на новый стиль был осуществлен только в 1918 г. К тому времени расхождение с тропическими годами составило 13 суток. По Декрету Советского правительства 1 февраля 1918 г. стали считать 14 февраля. Следует заметить, что григорианский календарь значительно точнее юлианского. Так, если юлианский календарный год длиннее солнечного на 11,232 мин., то григорианский всего на 26 с. Лишние сутки накопятся только в 50-ом веке н. э.

Начало календарного года (Новый год) – понятие условное. В России, например, до XV века первым днем года считали 1 марта, что было связано с началом полевых работ, а с XV века до 1700 г. – 1 сентября. Затем Указом Петра I Русское государство перешло на другое летоисчисление. Годы стали считать не от "сотворения мира", а от "Рождества Христова", и началом года стало 1 января.

Выбор начала счета годов, т. е. установление эры, также является условным. В прошлом существовало около 200 различных эр. Они связывались либо с реальными событиями (войнами, олимпиадами, возведением на престол монархов), либо с религиозными ("сотворение мира", "всемирный потоп" и т. п.).

Счет лет от "Рождества Христова" был предложен монахом Дионисием в 1284 году "от основания Рима". Он объявил, что Христос родился 532 года назад, и следующие годы предложил нумеровать как 533, 534 и т. д. Число 532 Дионисий выбрал потому, что праздник Пасхи через этот период снова приходится на те же даты: 532 – 4 • 7 • 1 9. З десь 4 – период високосных лет, 7 - число дней недели, 19 - число солнечных лет, равное 235 лунным месяцам. Через такой период фазы луны приходятся на те же календарные числа (так называемый Метонов цикл).

Деление суток на 24 часа было введено в Древнем Египте. Минута и секунда использовались в Древнем Вавилоне и были заимствованы из шестидесятеричной системы счисления. В современном календаре они сохранились по традиции.

В настоящее время предложено несколько проектов реформы григорианского календаря. А поскольку точность его более чем достаточна, то все предложения связаны с распределением дней по месяцам.

Самый простой проект реформы заключается в следующем: все кварталы года имеют одинаковую продолжительность –13 недель, то есть 91 день. Первый месяц каждого квартала содержит 31 день, а остальные два по 30 дней. Так как 91 нацело делится на 7, то каждый квартал и год будут начинаться всегда в один и тот же день недели. Поскольку 4 квартала по 91 дню содержат 364 дня, а год состоит из 365 или 366 дней, то предлагается между 30 декабря и 1 января вставить день вне счета месяцев и недель – международный нерабочий день Нового года, а в високосном году добавить такой же нерабочий день после 30 июня.

Однако следует помнить, что любая реформа календаря может быть осуществлена только в международном масштабе. Поэтому в настоящее время самым популярным календарем во всем мире является григорианский календарь.

1.3. Задания для закрепления темы.

Для решения задач на определение местного, поясного, декретного и летнего времени в разных географических точках необходимо знать долготу пункта с точностью до угловых минут (') дуги. Долготы некоторых городов России и мира представлены в Приложении 2. Известно, что 360º дуги (земного шара) соответствуют 24 часам времени, так как Земля за это время совершает полный оборот вокруг собственной оси. Тогда за 1 час Земля «поворачивается» на 15º дуги, соответственно на 1º – за 4 мин. и на 1' – за 4 с.

Если известно декретное время, то, прежде всего, нужно определить поясное время, то есть вычесть один час. Затем нужно вычислить разность между средним меридианом данного часового пояса и долготой пункта и перевести эту разность в единицы времени. Полученную величину прибавляют к поясному времени (если заданный пункт находится к востоку от среднего меридиана) или вычитают (если заданный пункт находится к западу от среднего меридиана) и находят среднее солнечное (или местное) время.

Пример. Пункт расположен в восточном полушарии на λ º= 108º 45'. Декретное время равно 12 часам. Нужно определить среднее солнечное время данного пункта.

Решение: 1. Вычисляем, в каком часовом поясе находится пункт. Для этого 108º 45': 15 = 7, т.е. пункт находится в VII поясе, средний меридиан которого равен 105º. 2. Вычисляем разность долгот и переводим ее в единицы времени: 108º 45' - 105º = 3º 45'; 3º x 4 = 12 мин

45' х 4 = 180 сек= 3 минуты

––––––––––––––––

Итого: 15 мин.

3. Вычисляем поясное время данного пункта:

T_ⁿ (поясное время) = 12 час (декретное время) – 1 час = 11 час;

4. Находим Т (ср. солнечное время данного пункта): для этого к 11 часам прибавляем 15 мин, так как пункт находится восточнее среднего меридиана. Ответ: ср. солнечное время T = 11 ч. 15 мин.

Контрольные вопросы и задания

1. Изучить карту часовых поясов мира.

2. По карте часовых поясов определить границы и средний меридиан заданного часового пояса.

3. Определить, в каком часовом поясе находится линия перемены дат и для чего она введена?

4. Совпадает ли время полудня в Москве 22 июня, установленное по гномону и часам? Если нет, то почему?

5. В Лондоне по местному времени полночь. Каково местное время в Москве, Белгороде, Владивостоке, Воронеже?

6. Долгота станции 55º 45' в.д. Определить среднее солнечное время на этой станции, если летнее время в Москве 10 часов? 22 часа?

7. В котором часу по местному времени начинается трансляция футбольного матча на кубок Лиги чемпионов Европы по телевидению 10 мая в Екатеринбурге, Иркутске и Владивостоке, если в Лондоне он начинается в 16 часов по поясному времени?

8. Какова разница во времени между Вашингтоном и Москвой 1 января? А) в поясном; Б) в среднесолнечном.

9. Фирменный поезд Москва-Владивосток вышел из Москвы в 20 часов 30 минут по московскому декретному времени в последнюю субботу марта и 7 суток находился в пути. Определите, в какой день недели, во сколько часов по местному времени прибыл поезд во Владивосток?

10. Самолет вылетел из Москвы в Каракас в 10 часов утра московского времени 20 ноября и совершил посадку в аэропорту города Каракас через 8 часов беспосадочного полета. Рядом с экраном времени прилетов самолетов установлены двое часов. Одни часы показывали местное время, другие – всемирное время по Гринвичу. Определите, какое время показывали каждые из часов?

Отчет по заданию должен содержать:

1. Письменные определения видов времени.

2. Карту-схему часовых поясов мира.

3. Описание видов календарей.

4. Ответы на определение местного времени в одном из городов из Приложения 2 по указанию преподавателя.

5. Ответы на контрольные вопросы.

Поиск по сайту: