Лекция по теме "Природные явления и катаклизмы"

Атмосферные явления

Слой воздуха, окружающий земной шар, называется атмосферой. По своему составу атмосферный воздух является смесью различных газов, количество которых в сухом воздухе остаётся практически неизменным, а именно: азота – 78,09%, кислорода – 20,95%, углекислого газа – 0,03%, оставшуюся часть - около 0,83% составляют инертные газы, пары воды и другие газообразные продукты.

Воздух, как и любое другое вещество, имеет свою массу. Масса одного кубометра воздуха составляет около 1,3 кг. Хотя масса воздуха и незначительна, но сила с которой вся толщина атмосферы давит на земную поверхность, довольно большая. Столб воздуха от поверхности земли до верхней границы атмосферы давит на каждый квадратный сантиметр с силой 1 кг. Установлено, что на уровне океана при температуре 0°С ртуть в трубке поднимается до уровня 760 мм. Давление в таких условиях называется нормальным атмосферным давлением (оно равно 760 мм ртутного столба).

В соответствии с международной Конвенцией о обязательном использовании единых стандартов, единицей измерения давления, кроме атмосферного, является Паскаль (Па = 1Н/м²), где Ньютон – это единица силы в международной системе физических единиц. Величина атмосферного давления равная 760 мм ртутного столба соответствует 101300 Па. При передаче информации о давлении атмосферного воздуха используют кратную единицу – гектопаскаль (1гПа = 100Па = 750 мм ртутного столба).

Колебания давления тесно связаны со сменами температуры воздуха. Тёплый воздух легче холодного, поэтому масса 1 м³ тёплого воздуха на одной и той же высоте меньше чем 1 м³ холодного. Следовательно, давление тёплого воздуха будет меньшим нежели холодного. С высотой воздух становится менее плотным и более холодным.

Обычно, со сменой атмосферного давления меняется и погода. Её смена, как правило, сопровождается подходом той или иной (по температуре) массы воздуха. Результатом таковых смен воздушных масс является возникновение циклонов и антициклонов.

Как известно, воздушная масса имеет гидродинамическую неустойчивость. Это явление – одна из причин зарождения и развития циклонов и антициклонов. Они возникают вследствие разной скорости движения соседних слоёв, что является причиной создания вихрей, воздушных воронок.

Циклон

Циклон – огромный вихрь диаметром до 2000 км и более, высотою от 6-8 до 10-12 км. В центре циклона сосредотачивается пониженное атмосферное давление.

Воздух вблизи земной поверхности стекается к середине циклона, создавая систему круговых ветров, которые двигаются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой – в южном. На направление движения ветра в циклоне влияет отклоняющая сила вращения Земли вокруг своей оси. В центре оно поднимается и, охлаждаясь, расплывается по высоте, создавая конденсацию водяного пара.

Для циклонов характерным бывает непогода: зимой - сильная облачность, снегопады, метели, частичное потепление; летом – дожди, грозы, снижение температуры и усиление ветра.

Антициклон

Антициклон – область в атмосфере, которой характерно повышенное давление воздуха. В циклонах оно либо смещается круговыми ветрами к центру, в антициклонах – распространяется от центра; в циклонах небо, обычно, облачное, а в антициклонах – ясное. Как и циклоны, антициклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха к тропосфере, с востока на запад, отклоняясь при этом к низким широтам.

Средняя скорость перемещения антициклона составляет до 30 км/час в северном полушарии и до 40 км/час – в южном, но нередко антициклоны надолго становится малоподвижным, что порой приводит к засухе.

Таким образом, всё то, что мы называем погодой – это совместное проявление сложных физических процессов. Имея соответствующие знания о внешнем виде и процессе формирования облаков, можно спрогнозировать погоду на ближайшее, а то и на длительное время.

Облака

Облака – скопление взвешенных в воздухе мельчайших капелек воды (или кристалликов льда) поднятые над поверхностью земли. Наблюдения над облаками состоят в определении формы облаков (когда это возможно), в оценке их количества, в определении направления скорости их перемещения. Наблюдения производятся на открытом месте, откуда виден весь небосвод, по возможности до горизонта. Количество облачности и формы облаков определяют по всему небосводу. Когда по разным причинам определить форму облаков затруднительно, отмечают ярус, к которому принадлежат облака.

Формы облаков

Внешний вид и процесс развития облаков, а также характер осадков зависит от их состава: водяных частичек или ледяных кристаллов. Кроме того, облака поднимаются на ярусы: до 2 км – нижний, от 2 до 6 км – средний и выше 6 км – верхний. Отдельную группу составляют облака вертикального развития с основанием на уровне нижнего яруса и вершиной на высоте 8 – 12 км и выше. По международной классификации различают 10 главных видов облаков разных ярусов.

К верхнему ярусу относятся перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака.

Перистые облака – это отдельные прозрачные облака волокнистой структуры и блестящего оттенка. Иногда они имеют вид параллельных ниток или полос, или наоборот, их волокна спутаны и раскиданы по небу отдельными пятнами. Перистые облака прозрачные, поскольку состоят из мелких ледяных кристаллов. Часто их появление сигнализирует о смене погоды. С помощью спутников их иногда трудно различить.

Перисто-кучевые облака – облака тонкие, прозрачные, как и перистые, но они состоят из мельчайших элементов в виде пластинок, маленьких шариков, иногда расположенные параллельными волокнами. Эти облака создают своего рода «кучевое» небо. Часто они появляются вместе с перистыми облаками. Они просматриваются перед штормом.

Перисто-слоистые облака – тонкая, полупрозрачная беловатая или молочного оттенка полоса, которая состоит преимущественно из ледяных кристаллов в форме иголок или столбиков. Бывают однородными, как слой тумана, или волокнистыми. Могут закрывать всё небо, часто создают оптическое явление – гало (светлые круги вокруг Луны или Солнца). Как и перистые, перисто-слоистые облака свидетельствуют о приближении плохой погоды.

К среднему ярусу относят высококучевые и высокослоистые облака. Они отличаются от подобных облачных форм нижнего яруса большей высотой, меньшей плотностью и большим охлаждением.

Высококучевые облака – белые облака в виде слоёв и полос из пластин, округлых масс, валов и пластов. Эти элементы облаков, обычно, имеют резкие очертания, но бывают и размытыми.

Высокослоистые облака – сероватые или синеватые облачный слой, волокнистый, в виде белых или серых клочьев по всему небу или однородной структуры. Солнце или Луна просвечиваются сквозь них как через матовое стекло и имеют размытый вид. Эти облака – верная примета дождя.

К нижнему ярусу относятся слоисто–дождевые облака. Иногда их относят к облакам среднего яруса (в умеренных широтах).

Слоисто-кучевые облака – облака в виде серых или белых шаров или клочьев, почти всегда с тёмными частями, которые состоят из отдельных больших и плотных элементов серого цвета. Слово «кучевые» указывает на совокупность, нагромождение облаков. Они лишь иногда переходят в слоисто-дождевые, что является характерным для выпадения дождя или снега.

Слоистые облака – серый облачный слой, подобный туману, что поднялся над землёй на сотню метров. Слоистые облака закрывают большую площадь. Иногда они имеют вид разорванных. Зимой такие облака часто создаются днём, осадков из них не бывает, лишь изредка выпадает морось, ледяные иголки и снеговые зёрна. Летом они рассеиваются, уступая место хорошей погоде.

Слоисто-дождевые облака – тёмно-серыё облачный покров, часто пасмурный. Под ним нередко создаются разорванные облака в виде клочьев, отдельно от покрова или сливаются с ним. Эти облака являются мощными, несут дождь или снегопад. В вертикальном направлении создаются кучевые и кучево-дождевые облака.

Кучевые облака – плотные, резко очерченные, расположенные на высоте 2000 метров. Эти облака зарождаются в виде небольших белых кусков, но вскоре у них формируется горизонтальная основа, они развиваются вверх, достигая иногда пятикилометровой высоты. При незначительной влажности и слабом вертикальном подъёме воздушных масс, кучевые облака предвещают хорошую погоду. В других условиях они накапливаются в продолжение дня и могут вызвать грозу.

Кучево-дождевые облака – это облака, которые быстро растут вверх, имеют вид горы или громадной башни, в верхней части которой создаются кристаллы льда. Шпиль облака выравнивается и принимает форму кувалды или огромного снопа. Высота их основания составляет от 0,4 до 1,0 км. Эти облака приносят ливни или шторма, поэтому их часто называют грозовыми облаками.

Наблюдая за облачностью, важно уметь определить на глаз степень покрытия неба, которое оценивается по десятибалльной шкале:

- 0 баллов – ясно, небо чистое, безоблачное;

- 3 балла – малооблачное небо, облаками покрыто не более 0,3 небосклона;

- 4 балла – облачно с прояснением, облака закрывают более половины небосклона, но порой их количество уменьшается до 0 баллов;

- 5 баллов – небо закрыто облаками наполовину; между 5 и 9 баллами – небо с прояснениями;

- 10 баллов – облачно, небо полностью закрыто облаками, без единого голубого прояснения.

Высота облаков нижнего яруса достигает 2500 метров. Определяется она визуально или с помощью приборов (фонаря, шара-пилота).

Лавины

Снежные лавины – это случайный оползень огромных масс снега с крутых горных склонов вследствие нарушения устойчивости снега.

Сход снежных лавин – опасное стихийное явление, особенно, когда они угрожают населённым пунктам, железным дорогам, автомобильным дорогам, электросетям, трубопроводам и жизни людей, которые оказались на пути её движения. Формирование лавин происходит в пределах лавинного очага – участка склона и его подножия, где происходит движение лавины.

Каждый лавинный очаг состоит из зоны зарождения (лавиносбор), зоны транзита (лоток), зоны остановки (конус выноса) лавины.

Основными параметрами лавинных очагов является превышение лавины (определяется как разница максимальной и минимальной высоты склона в пределах лавины); площадь лавиносбора; длина, ширина, средние углы лавиносбора и зоны транзита. К лавиносоздающим факторам относятся: высота «старого» снега; состояние подстилающей поверхности; прирост снега, который только выпал; плотность снега и интенсивность его выпадения; температурный режим воздуха и снежного покрова.

Лавины создаются при достаточном накоплении снега на безлесных склонах с наклоном от 15° до 50°. Классические условия создания снежной лавины – длина открытого склона горы составляет 100-500м (для начала движения и достижения полной скорости). Под открытым склоном понимают изогнутый и слабо поросший кустарником склон с крутизной более 30°. Лавина сходит тогда, когда толщина только выпавшего снега составляет 30 см, или «лежащего» - не менее 70 см. Если склон круче 45°, лавины сходят после каждого снегопада.

Часто причиною схода лавин является солнечное тепло, которое оплавляет кристаллы снега и делает его нестойким на южных склонах гор и при землетрясениях 5-6 баллов.

Основные характеристики лавин

Лавина объёмом 10 м³ является опасной для человека или лёгкой техники. Большие лавины могут разрушить и капитальные инженерные сооружения, создать большие завалы на транспортных путях. Кубометр мокрого снега весит до 300 кг.

Скорость – одна из основных характеристик движущейся лавины. Следует различать скорость перемещения фронта лавины и скорость течения за фронтом. Скорость фронта лавины может достигать 100 м/с.

Сила удара – она может достигать до 50 тонн/м². Нетрудно себе представить, что это означает, если деревянный дом выдерживает не более 3 т/м², а при силе удара 10 т/м² вырываются вековые деревья с корнями.

Длительность выброса лавины (расстояние, которое может одолеть лавина при благоприятных условиях) зависит от высоты её падения.

Высота (или мощность) потока лавины составляет 10-15 м.

Потенциальный период лавинообразования – это интервал времени между сходом первой и последних лавин в этом районе.

Другими параметрами, которые необходимо знать при планировании мероприятий защиты на лавиноопасной территории является: количество лавин и их площадь, продолжительность лавиноопасного периода и др. Вторичными поражающими факторами действия лавин являются перекрытие ими речек, которые вскоре могут стать причиной селевых потоков.

Классификация лавин

По характеру движения и построению лавины делятся на:

- основные – снежные оползни, которые не имеют определённого канала стока и скользят по всей ширине охваченного участка;

- лотковые – двигаются по определённому каналу стока;

- скачущие – возникают из лотковых, свободно падают с выступов гор.

В зависимости от свойств снега лавины бывают: сухими, влажными и мокрыми. Различают два основных типа лавин: пылевые и пластовые.

Пылевые лавины создаются бесформенной смесью снежной пыли, во время движения снизу она дополняется новым снегом и таким образом растёт.

Пластовые лавины отделены площадью скольжения от основы. Они возникают, как оползни, и перемещаются в виде слоя поверх старого снега, который лежит ниже. Пластовые лавины опаснее пылевых.

В Карпатах и горных районах Крыма неоднократно в продолжение зимнего периода создаются благоприятные условия для схода лавин, или наблюдается их сход.

Сход лавин может привести к негативным последствиям. Так, например, в 2000 году в Закарпатской области снежная лавина засыпала жилой дом и дорогу между населёнными пунктами на несколько дней.

Под прогнозом лавин понимают обоснованное предвидение места, времени возникновения, характера и размера лавин. Прогноз лавинной опасности может быть:

- фоновым, который носит общий характер и определяет возможность схода лавин на большой горной территории, без определения их размеров, конкретных мест схода и предварительно за 1-2 суток;

- районным, для отдельных долин, перевальных участков, с упреждением не более, чем несколько часов;

- детальным, для отдельного лавинного сосредоточения или горного склона, с оценкой возможных размеров ожидаемых лавин.

Прогнозирование лавинной опасности осуществляется органами Государственной гидрометеорологической службы МЧС Украины на основании данных наблюдений, которые проводятся действующей сетью станций, постов и снегоизмерительных маршрутов, а также аэрокосмической съёмкой ответственных территорий.

Различают шесть степеней лавинной опасности:

- незначительная, когда сход небольших лавин не угрожает населению и сооружениям;

- слабый, когда опасности от лавин можно избежать без проведения специальных противолавинных мероприятий;

- небольшие, когда для избежания опасности достаточно спрогнозировать лавины и провести профилактические мероприятия;

- умеренная, когда необходимо воздвигать лёгкие противолавинные сооружения;

- большая, при которой необходимо воздвигать капитальные противолавинные сооружения;

- максимальная, при которой обеспечить безопасность людям и сооружениям имеющимися способами и методами практически невозможно.

Заторы и зажоры льда на реках

Негативное влияние заторов и зажоров имеет такие последствия:

- вследствие создания временного подпора происходит интенсивный подъём уровня воды и затопление заплав на участках реки, расположенных выше головной части затора;

- покрытие льдинами затопленных участков;

- концентрация больших объёмов льда, которые не только заполняют русло по всей ширине, или образуют несколько слоёв в глубину. Такая концентрация огромных масс льда при их сдвиге создаёт серьёзную угрозу для гидротехнических сооружений, расположенных на пути движения льда;

- возникновение особо опасных явлений при быстром прорыве затора вследствие движения волны прорыва, в тыльной части которой возникают быстрые течения, направленные к середине потока и способные отрывать от причалов, даже захватывать сравнительно большие суда;

- резкое поднятие уровня воды в водоёме в период прорыва затора, при котором может наблюдаться максимальный проектный горизонт;

- изменение береговой линии и разрушение береговых сооружений заторными льдами;

- деформации русла, которые изменяют рельеф дна и характер условий движения судов по реке.

Главной задачей прогноза заторов и зажоров – оценить максимально возможные заторные и зажорные уровни воды. На первой стадии прогнозирования оценивается возможность образования затора или зажора, определяются затороопасные (зажороопасные) участки в руслах речек. Определить такие участки для всех речек можно с помощью каталога заторных или зажорных участков рек, которые имеются в органах Государственной гидрометеорологической службы.

Поскольку главная опасность затора (зажора) льда – это значительный подъём уровня воды в реке, при котором вода выходит из берегов и затапливает прилегающую местность, то дальнейшие расчёты ожидаемого уровня сравнивают с соответствующими значениями критических значений уровней, превышение которых является опасным для населённых пунктов, предприятий, дорог, мостов и других объектов экономики. Таким образом, получают информацию о возможном затоплении населённых пунктов.

Гололедица 

Гололедица – слой льда на земной поверхности, который создаётся после дождя или оттепели при температуре воздуха от 0 до 5. Длительность её колеблется от одного часа до 20 дней. Она чаще всего образуется перед наступлением тёплого атмосферного фронта и свидетельствует о дальнейшем потеплении, приходу потепления, дождей.

Определяющим фактором опасности гололедицы является не столько её интенсивность, как продолжительность этого явления. Лёд намерзает на столбах, деревьях, проводах, что создаёт реальную опасность падения разных конструкций и предметов. В этих условиях необходимо исключить пребывание людей под линиями электропередач и вблизи их опор. Гололедица часто приводит к авариям на дорогах и к травмам пешеходов.

Различают несколько видов обледенения: гололедица, изморозь, отложения мокрого замёрзшего снега.

Скачать полный текст лекции по природным явлениям и катаклизмам