СТРУКТУРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ В МИРОВЫХ МЕТЕОСИСТЕМАХ; ДВИГАТЕЛИ АТМОСФЕРЫ
Плотный холодный воздух непрестанно стекает с ледяных пиков северного полюса. Воздух под высоким давлением или нисходящий поток по спирали покидает полярную область уже как восточные ветры, которые сами оказывают воздействие в высоких широтах (60 – 80°) возле полярных льдов. Длинные струи этого воздуха изгибаются наружу до широты 30°. В то время, как сама спираль захвачена (и образована) вращением Земли, эти холодные воздушные камеры увлекают за собой ряд противоположно вращающихся воздушных камер низкого давления (поворачивающихся по часовой стрелке в южном полушарии и против – в северном полушарии). Эти камеры затем смешиваются с другими вращающимися спиралями воздуха высокого давления, поднятого у экватора, и опадают в широтах 15 - 40°.
Рис 5.1 (стр. 108 книги) Основная мировая классификация; подуровневая классификация дана в более подробных картах или справочных материалах.
Рис. 5.2 (стр. 109 книги) МАТРИЦА БИОМОВ ПО ХОЛДРИДЖУ. Этот анализ соответствует классификациям перечня растений. Таблица представляет широкий охват областей, рассматриваемых в данной книге.
Таблица 5.1 ЗОНЫ МОРОЗОСТОЙКОСТИ
Таким образом, в широтах 50°-20° и в “ревущих сороковых” вокруг Земли происходит вращение 15-18 больших воздушных камер (переменных – то высоких, то низких), при этом все они являются небольшими спиральными системами, вращающимися вокруг большой полярной спиральной системы (Рис 5.3). На западных побережьях смена полярных холодных и тёплых воздушных масс высокого давления происходит примерно с интервалом в 10 дней, хотя всё же большие воздушные камеры застывают на месте, перекрывая западное направление движения ветров, и создают статические океанические условия, влияющие на океанический круговорот и, как следствие, на рыбный промысел (например, эффект Эль Ниньо). Эти большие вереницы подвергаются воздействию континентов и отталкиваются ими, настойчивые тёплые воздушные камеры высокого давления - поверх холодных воздушных континентальных масс, и, при относительной интенсивности воздушных камер, происходит одностороннее распределение неравномерных холодных-тёплых воздушных фронтов. Так же, как холодный полярный ветер иногда уносится к экватору массами низкого давления, так и тёплые тропические воздушные массы вовлекаются во внешнее вращение на высотах и приносят обильные тёплые дожди на полюсы. Высотные струи могут ускорять или препятствовать этой веренице, и сами струи способны распадаться при нагрузках, вызванных сдвигающими усилиями. Возмущения и сопротивление в системе вызывают взаимное нагромождение холодных фронтов и их отталкивание от воздушных камер высокого давления в сторону полюсов и в результате – череда дождей тёплого и холодного фронтов (циклонные или спиральные дожди). Все эти ветровые пояса ежегодно передвигаются за солнцем в сторону севера и юга, на что в меньшей степени также влияет 18,5-летний лунный цикл, что в свою очередь периодически вызывает дополнительные дожди и ветровые потоки. Система кажется хаотичной и прогнозируемой лишь на короткие сроки, но недавно мы научились оценивать некоторые эффекты долговременных циклов. Большой спиральный круговорот областей Южного полюса показан на Рис. 5.3. Около 12-18 холодных фронтов (облачные полосы) вращаются с запада на восток вокруг полюсов и прибывают к побережьям этого региона каждые 10 дней как “циклонные фронты”. Они воздействуют на области вплоть до 30° южной широты с сопутствующими четырьмя большими фронтами (и, вероятно, несущими) с облачными полосами до 10° южной или северной широты в основном по западным границам Южной Америки, Африки и южной Атлантики. Теперь мы знаем, что именно океаническое круговращение перемещает воздушные массы, а не наоборот. Фронты перемещаются по дуге на запад по мере того, как Земля совершает обороты на восток. Каждый облачный фронт является плодом встречи холодного полярного фронта и тёплых приполярных воздушных масс или воздушных камер высокого давления. Области низкого давления вращаются по часовой стрелке, области высокого давления – против часовой в виде череды зубцеобразных спиралей или торов, обходящих вокруг полюсов каждые 3-4 месяца. В Северном полушарии вращение происходит в обратном порядке. Холодный, плотный и сухой полярный воздух, подметающий ледниковые шапки, и горячий восходящий неподвижный воздух экватора вращают эти огромные колёса; вторжения прозрачных воздушных масс (нисходящие) состоят из горячих сухих и холодных сухих континентальных воздушных масс (Австралия, Африка) или воздушная масса, спускающаяся с соответствующего экваториального региона (восходящий поток) (Рис. 5.4). В следующих разделах этой главы я буду рассматривать КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ в нижеследующем порядке:
- осадки (дождь, туман, роса, испарение – 5.4) - излучение (свет, тепло, мороз, солнечная активность - 5.5) - ветра (обычные ветра, ураганы и торнадо – 5.6) - характер местности (высота, долины, крутизна уклона – 5.7) - факторы широты – высоты (5.8).
5.4 ОСАДКИ Осадки состоят в основном из двух составляющих: снег, дождь и град (ВОДНЫЕ ОСАДКИ из облаков) и КОНДЕНСАЦИЯ (конденсированная вода или вода, задерживаемая прохладными поверхностями в туманах или иногда в чистом воздухе). Несмотря на то, что последний тип осадков может быть весьма важен для склонов, выходящих на море, и высотной местности (горных влажных лесов), но единственно надёжным и широко распространённым источником осадков являются дождевые осадки. Среднемировой уровень выпадения осадков составляет 86 см (34 дюйма). В то время как мы можем принять 50 см (20 дюймов) осадков или меньше за полузасушливый уровень, а норму в 25 см (10 дюймов) и меньше за пустынную или засушливую, мы можем наблюдать местную сезонную засушливость по причине долговременных циклов и погодных эффектов, вызванных периодическими изменениями воздушных потоков и океанских течений в любом климате. Более длительные периоды повышенной засушливости также могут стать результатом вырубки лесов в местном или более крупном масштабе. Именно потенциальная возможность изменения количества осадков заставила нас уделить так много внимания способам сохранения и сбережения воды в последующих главах. Вода обещает стать главным ограничивающим фактором для выживания и развития и будущей основной расходной статьёй для ведения сельского хозяйства и содержания садов и огородов. Таким образом, любая приемлемая стратегия для получения, сбережения и хранения воды является жизненно важной для проектирования пермакультурного хозяйства. Любой огородник знает, что средние годовые нормы выпадения осадков являются в лучшем случае самыми общими ориентирами. Гораздо более надёжным подходом было бы проследить за тем, чтобы подбор видов культур и способов добычи и сохранения воды основывались бы на возможности получения урожая и в условиях повышенной засушливости. В конце концов, рыба, на час лишённая воды, такая же потеря, как и её полное вымирание вследствие годовой утечки воды. (Earth spin – вращение Земли, cloud front – облачный фронт). Наши ежегодные садовые и огородные урожаи также восприимчивы к кратковременным изменениям поступления воды. Люди живут и занимаются садоводством при среднегодовых осадках в 10 см (4 дюйма) и меньше, умудряясь снимать урожаи, достаточные для собственного обеспечения и излишка. Сторонняя вода (неместного происхождения) поступает в сухие регионы в виде рек и подземных водоносных горизонтов, что позволяет благоразумно использовать её, восполняя действительный недостаток дождевых осадков, применяя великое множество различных способов, уместных в данном регионе. При увеличении уровня осадков уменьшается количество доступного света. Поэтому в промышленных регионах с чрезвычайно влажным облачным климатом, щедрым на туманы и облачность, свет становится ограничителем возможности выращивать те или иные растения до их созревания или даже цветения. В конце сезона выпадения осадков, когда наступает сухая пора (когда средний уровень выпавших осадков достигает 50 см или 20 дюймов), солнца достаточно и испарение преобладает над осадками, что в свою очередь и становится ограничивающим фактором. Этот фактор определяет наши стратегии хранения воды на засушливых землях так же, как, например, сезонное промерзание грунта и ледяной покров определяют стратегии ретикуляции воды в холодных климатических зонах. Осадки весьма удобно характеризуются причинами, их вызывающими: - ЦИКЛОННЫЕ или ФРОНТАЛЬНЫЕ: преобладание холодных и тёплых воздушных масс над полярным круговоротом; - КОНВЕКЦИОННЫЕ: колонны тёплого воздуха, восходящего их пустынь и океанов в более холодные слои воздуха. Не нужно путать выпадение росы (вследствие быстрой теплопотери земли в ночное время с ясным небом) с влагой на листве над тёплой и влажной землёй в облачные ночи. Это явление либо ВЫПОТЕВАНИЯ ЛИСТЬЕВ (вода, проступившая через поры листьев), либо ДИСТИЛЛЯЦИИ поднимающихся от земли паров; что не привносит ни капли в общую копилку осадков. Влага от выпотевания листьев задерживается на кончиках листьев, а роса – на всей поверхности листа. Только в пустынях с 4-5 см (1-2 дюйма) выпадения росы в год роса имеет какой-то вес в общем количестве осадков. Роса в пустынях может рассматриваться как дополнение, а не замещение капельно-струйной ирригации. Росу можно улавливать с помощью груды свободно положенных друг на друга камней, когда ночные низко дующие ветры охлаждают каменистые поверхности и роса может собираться, увлажняя землю внизу. В пустыне Негев и других засушливых местностях некоторые растения могут существовать только близ таких мест конденсации росы. Каждая такая груда камней содержит достаточно влаги, чтобы напитать одно дерево (Рис 5.5). Очень большие улавливатели тепла, такие, как Ланцароте на Канарских островах (Рис. 5.6), способны дать всё необходимое для выращивания целой виноградной лозы в каждом из своих отверстий. Можно устанавливать изгороди из сетки-рабицы высотой около 1 м, чтобы использовать их в качестве первичных конденсаторов росы в пустынях, выращивая кусты вдоль линии капельного орошения, и передвигать изгородь дальше после того, как кустарниковые растения выросли. В Морокко такие изгороди предлагаются в обезлесенных прибрежных районах. ТУМАН образуется там, где испаряется тёплая вода или испарение от тёплого дождя поднимается в холодный воздух, или же прохладная земля остужает поток тёплого воздуха и конденсирует влагу. Чанг (1968 г.) сознательно разделяет следующее: 1. ПРИЗЕМНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ТУМАН – образуется в ясные ночи в низинах, плато и логах, где происходит быстрое остывание, образующее туман во многом по тому же принципу, что и морозы зимой. 2. АДВЕКТИВНЫЙ ТУМАН – образуется там, где холодные морские течения вдали от берега конденсируют влагу в тёплых потоках морского воздуха. Это прибрежные и морские туманы, обволакивающие многие побережья, например, Ньюфаундленд и часть северо-запада Европы. 3. ОРОГРАФИЧЕСКИЙ ТУМАН ИЛИ ТУМАН СКЛОНОВ – образуется там, где тёплые влажные воздушные потоки уносятся вверх по склонам и сжижают влагу при охлаждении воздуха. В отличие от росы туман даёт большое количество влаги. Чанг приводит следующие цифры осадков только из туманной капели: 329 см (128 дюймов) на горе Тейбл Маунтин (“Столовая гора”) в Южной Африке и 127 см (50 дюймов) на горе Ланай на Гавайях.
Рис 5.4. Направление ветра и камеры давления.
Рис. 5.5 Груды камней под деревом (уловитель влаги). Груды свободно наваленных камней высотой менее 1 метра конденсируют влагу из ночных потоков воздуха. Предусмотрено свободное прохождение воздушного потока между камней.
Рис. 5.6 Уловитель влаги Ланцароте Прохладный воздух попадает в эти ямки с золой и влага выпадает на золу.
В таких районах даже полевые культуры могут расти и расцветать без полива. Как правило, на новообразовавшихся почвах и голых камнях с морской стороны холмов растут лишь мхи и лишайники, а дождевые тропические леса предпочитают более богатые почвы. На большей части Новой Зеландии характер местности обуславливает осадки в основном из туманов склонов, и, если их не сожгут или не сведут до туссоковых пастбищ, густые леса будут разрастаться и дальше. Разрозненные кроны таких лесов являются прекрасными туманоуловителями. Даже при отсутствии видимого тумана деревья собирают значительное количество влаги на морских склонах из ветров, дующих внутрь материка с тёплых морей и встречающих на своём пути прохладную лиственную крышу леса. В очень влажных условиях туманных лесов гигантские деревья могут накапливать так много влаги и суммарное испарение так неэффективно при наличии туманов и неподвижного воздуха, что у дерева отваливается больше крупных ветвей в неподвижном воздухе, чем при сильных ветрах (которые чаще сносят отжившие ветки, чем живые). После нескольких дней неподвижных туманов бывает довольно жутко услышать “бахх” неожиданно шумного падения крупной ветви в спокойном лесу. Почти постоянная конденсация туманов покрывает верх океанских островов в верхних широтах, там быстро разрастаются висячие мхи и эпифиты (грибковые паразиты), как они разрастаются у подножья водопадов по тем же самым причинам (частицы влаги в воздухе).
5.5 ИЗЛУЧЕНИЕ
СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Поступающее глобальное излучение имеет две составляющие: ПРЯМОЕ СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, пронизывающее атмосферу от самого Солнца, и РАССЕЯННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НЕБА. Последнее имеет значение в высоких широтах (38° и выше), где может достигать до 30% от всего поступающего тепла. Возле полюсов такое рассеянное излучение достигает 100% всей энергии. Мы располагаем надёжными средствами измерения только прямого солнечного излучения, так как лишь немногие метеостанции замеряют рассеянное излучение, которое появляется только при наличии тумана, облаков или пасмурного неба. Свет и тепло измеряются в ДЛИНАХ ВОЛН, каждый набор измерений которых имеет свои особенные характеристики. Необходимо понимать основы этого излучения, чтобы проектировать дома, обогреватели, посадки растений, выбирать места для закладки поселений и виды растений для выращивания в них. Таблица 5.2 помогает понять воздействия волн различной длины. Меньшим составляющим земного излучения на поверхности Земли является тепло, получаемое при охлаждении самой Земли. Большая часть той силы, влияющей на нас каждый день, поступает от Солнца. Из поступающего или коротковолнового излучения (за 100% принимается излучение у внешней границы атмосферы): • 50% никогда не достигает Земли напрямую, но рассеивается в газах, пыли и облаках самой атмосферы. Из этих 50% : - половина отражается от верхних слоёв облаков и пыли обратно в космос, - половина преобразуется (поглощается) в длинноволновое излучение или тепловые волны в среде пыли и облаков, которые действуют в качестве изолирующее покрывала Земли. • 50% достигает Земли в виде прямого излучения, попадающего в основном на поверхность океанов. Из этих 50%: - 6%, теряется небольшое количество в виде обратного отражения в космос, а - 94% поглощаются морем, сушей и нижними слоями атмосферы и излучаются обратно в виде тепла или преобразуются на своё дальнейшее увеличение.
Таблица 5.2 Некоторые длины волн и их воздействия.
Из исходящего, земного излучения (поглощенное солнечное излучение и тепло земли, включая добавочное тепло, высвобождённое биологической и промышленной деятельностью и конденсацией) тепло, приводящее в движение атмосферный круговорот, может быть разложено следующим образом: • около 67% вновь излучённого в космос и потерянного в виде тепла. Таким образом, в атмосфере большая часть тепла получается из такого отражённого от поверхности Земли тепла. • 29% высвобождается из конденсируемой воды в виде физически ощутимого тепла. Озон в верхней части атмосферы поглощает большую часть ультрафиолета, вредоносного для жизни. Доля двуокиси углерода, составляющая теперь от 3 до 4% атмосферы, по предварительным расчётам должна достигнуть 6% и вызвать повышение температуры поверхности Земли на 3°С к 2060 году. Очевидно, что этот процесс уже влияет на мировой климат в виде глобального потепления и вызовет изменение уровня моря. Как показано в таблице 5.3, воздействие излучения на растения различно в зависимости от длины волны. Другие источники света на Земле: Луна (отражённый солнечный свет) и свет звёзд. Несмотря на свою слабость, эти источники света также влияют на рост растений, и даже сравнительно небольшое искусственное освещение способно повлиять на выращивание животных и растений. Главными воздействиями излучения являются: • ФОТОСИНТЕЗ в растениях, основа всей жизни на Земле. • ТЕМПЕРАТУРНОЕ воздействие на живые и неорганические формы, имеет большое значение при проектировании домов. • ЦВЕТЕНИЕ или ПРОРАСТАНИЕ, - воздействует на растения, способствуя распространению семян определённых групп растений; включает в себя влияние протяжённости светового дня. Растения активно приспосабливаются к высоким уровням излучения, используя различные стратегии, позволяющие добиться необходимой эффективности фотосинтеза. Они могут удерживать равновесие между энергиями света и тепла, принимая диапазоны солнечного света для встраивания в условия определённой среды (серебряные или сверкающие листья там, где уровень теплового излучения высок; красные листья там, где поглощается в основном зелёный спектр; и нужно меньше тепла). Листья могут поворачиваться краями вверх при слишком высоком уровне теплового и светового излучения или значительно увеличивать площадь своей поверхности под тенистой кроной. На нижних ярусах листья деревьев обладают большей площадью.
ЦВЕТ Когда мы смотрим на какой-либо объект, мы видим длины волн света, которые он ОТРАЖАЕТ или поглощает. Таким образом, многие растения отражают зелёные/синие длины волн, а белые цветы отражают более широкий спектр света, становясь очень заметными на земле. Около 10% света проникает сквозь листву или передаётся листвой, несмотря на то, что кроны многих дождевых лесов в очень влажных областях (тропических или умеренных) способны пропускать лишь 0,01% света до лесной почвы. Поглощённый свет, как и тепло, вновь излучается или используется для роста. В дополнение к цвету листьев цвет коры растений колеблется от почти белого до почти чёрного, при этом последний хорошо поглощает и излучает тепло, а первый хорошо отражает. Поверхность листьев может варьироваться от твёрдой и блестящей до мягкой, грубой или ворсистой. Обычно восковая поверхность листьев встречается на побережьях или в холодных краях, а также у некоторых растений подлеска, в то время, как ворсистая поверхность листвы чаще встречается в пустынях и высокогорьях. Восковое покрытие придаёт больше отражательной силы вне зависимости от цвета, тогда, как тёмны и грубые поверхности свет поглощают. Таким образом, тёмные вечнозелёные деревья становятся хорошими излучателями тепла. Все эти факторы (цвет, отражение, теплоизлучение) имеют такое же значение в проектировании, какое они имеют в устройстве природы, и могут неотъемлемо использоваться в садах и на полях как вспомогательные средства для улучшения микроклимата.
АЛЬБЕДО (ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ) и ПОГЛОЩЕНИЕ Альбедо растений (значение отражённого света) и естественных поверхностей определяет то, как они поведут себя, принимая излучение. Свет отражённый возвращается в атмосферу или поглощается близлежащими поверхностями или такими строениями, как теплицы. Свет поглощённый преобразуется в длинноволновое излучение и вновь излучается в виде тепла (Рис. 5.10). Почвы и материалы подобной плотности обычно поглощают тепло дневного излучения до глубин 51 см или около того.
Таблица 5.3. Различные воздействия излучения на растения в зависимости от длины волн.
Рис. 5.7 Поступающее коротковолновое облучение.
Происходящее с излучением в разных средах. Так как это занимает определённое время, образование тепла в почве отстаёт от смены температур. На повторное излучение также необходимо время, поэтому такие впитывающие тепло поверхности теряют его медленно с отставанием от температур воздуха. Вот почему самые низкие температуры почвы приходятся на время сразу после рассвета. В условиях неподвижного воздуха потеря излучения ночью вызывает заморозок (в низинах, на равнинах и на обширных полянах и просеках в лесу длиной от 9 до 30 и более метров). Некоторые заморозки (АДВЕКТИВНЫЕ заморозки) распространяются по мере того, как холодный воздух спускается по склонам холмов и собирается в долинах. Заморозок появляется очень быстро на плоскогорьях. Плотные осенние туманы часто обозначают степень морозности будущей зимы и хорошо видны с высоких обзорных площадок. В своих проектах мы используем водные поверхности и другие отражатели, системы разных растительности на окраинах лесов. Таблица 5.4 приводит такие значения диффузных отражателей как альбедо. Совершенный отражатель отталкивает 100% света (например, зеркала); совершенный поглотитель – ЧЁРНОЕ ТЕЛО, поглощающее весь свет и преобразующее его в тепло. Дальнейшее преобразование поступающих волн, встречающихся на своём пути с каким-либо объектом или любой материей: - ОТРАЖЕНИЕ – отведены почти в неизменённом состоянии, как свет от плоского зеркала или белой стены; - ПРЕЛОМЛЕНИЕ – отведены под резким углом или сильно искривлены как свет в воде, изображение на искривлённом стекле или морские волны вокруг мыса; - ПОГЛОЩЕНИЕ – вобраны как чёрный объект вбирает свет. Это изменяет длину волны (преобразует свет в тепло или делает короткую волну длинной). Весь поглощённый свет становится теплом. - ПЕРЕДАЧА – проходят через объект. Различные объекты передают или являются “проницаемыми” для длин волн света в зависимости от своей молекулярной структуры. Земля сама по себе выступает в качестве “чёрного тела”, принимающего короткие волны от Солнца и после их поглощения излучающего длинные волны от поверхности и из атмосферы. Таблица 5.2 разбирает в основном короткие длины волн, т.к. они поступают на Землю в виде света и тепла от Солнца. Те длинные волны, с которыми мы обычно имеем дело, являются заново отражёнными на Землю от атмосферы или излучёнными горячим земным ядром. Любопытен тот факт, что снег также является чёрным телом с точки зрения теплоизлучения. Такие чёрные тела, как вороны или древесный уголь могут служить хорошими отражателями, если их блестящие поверхности настроить на отражение излучения (ворона чёрная только под определёнными углами к поступающему свету).
ТЕПЛО (длинноволновое излучение) Трудно сохранить тепло в течение длительного срока в полевых условиях, хотя это возможно посредством изолированных масс воды или твёрдых тел, например, камней или земли. Каждый день поступает определённое количество тепла, которое либо излучается Солнцем, либо попадет на землю в качестве рассеянного небесного света. Средняя температура почвы - 5°С, воздуха и приземного уровня – 14°С, внешних слоёв атмосферы – от - 50°С до - 80°С. Как правило на каждые 100 метров набора высоты теряется 1°С.
Рис. 5.8 Глобальное излучение Большая часть тепла усваивается влагой, пылью или газами в атмосфере; небольшая часть излучается самой Землёй.
Рис. 5.9 Спектр солнечного света (0 – 5000 А). Рост растений (фотосинтез) зависит от двух узких диапазонов света и подвергается разрушению под воздействием жёсткого ультрафиолетового излучения или длин волн тепла.
Популярное: Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (892)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы (0.014 сек.) |