Погода у даний момент у даному місці характеризується сукупністю значень метеорологічних елементів (величин). Це температура повітря, хмарність, атмосферні опади, вітер та ін. За деякий відтинок часу вона визначається послідовними змінами цих елементів або їх середніми значеннями за цей же час. Зміни погоди у земної поверхні мають велике значення для сільського господарства та багатьох інших галузей господарської діяльності людини. Погода у більш високих шарах атмосфери впливає на польоти авіації. При цьому треба мати на увазі, що атмосферні процеси на різних висотах пов'язані між собою. Тому для повноцінного вивчення погоди у земної поверхні необхідно вивчати і більш високі шари атмосфери. Існують три основних цикли атмосферних процесів, що визначають клімат. Це так звані кліматотвірні цикли - теплообіг, вологообіг та атмосферна циркуляція. Вони, в свою чергу, складаються з атмосферних процесів, що утворюють кругообіг води в природі. Атмосферні процеси не знають державних кордонів, а метеорологічні спостереження ведуться в усіх країнах. Тому існує нагальна необхідність уніфікації методики спостережень та їх обробки, обміні інформацією, в уніфікації форм оперативного обслуговування метеорологічною інформацією та прогнозами, в узгодженні роботи метеорологічних служб всього світу. Це являється основною задачею Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО). Міжнародне співробітництво в області метеорології почалось у другій половині XIX століття. Перший Міжнародний метеорологічний конгрес відбувся 23 березня 1873 р. Він заклав перші підвалини Міжнародної метеорологічної організації з регулярними конференціями директорів метеорологічних служб. День 23 березня став днем ВМО. Після Другої світової війни ця організація була відновлена на новій основі, вже як Всесвітня метеорологічна організація при Організації Об'єднаних Націй. Кожні чотири роки скликаються всесвітні конгреси ВМО, на яких вибирають Виконавчий комітет і президента організації. Регулярно працює ряд технічних комісій та робочих груп. Секретаріат ВМО знаходиться в Женеві. Державні мережі метеорологічних станцій виникли в 19 ст. після винайдення телеграфу. У 20 ст. ця мережа значно виросла після впровадження радіо. З'явились радіофіковані метеопости, кораблі погоди, транспортні судна, літаки, автоматичні станції. Мережа аерологічних станцій. Метеорологічна мережа повинна мати однотипні прилади, працювати по однаковій для всіх методиці в один і той же час, тобто всі станції повинні складати єдине ціле. Станції повинні бути репрезентативні, тобто їхні дані повинні бути об'єктивними. Метеостанції спеціального призначення, виходячи з виробничих потреб. Вони спостерігають як основні стандартні метеорологічні показники погоди, так і додаткові, відповідно до специфіки та потреб певної галузі народного господарства чи навіть окремого підприємства. Держкомгідромет - керівник державної мережі станцій і наукових та учбових закладів, обсерваторій та органів служби погоди.Спостереження та експеримент в метеорології за об'ємами не пропорційні. Людина безупинно спостерігає і реєструє ті грандіозні експерименти, які проводить без її участі (експериментує) природа. Метеорологічні спостереження - це вимірювання та якісні оцінки метеорологічних величин, тобто таких як температура та вологість повітря, атмосферний тиск, швидкість і напрямок вітру, кількість і висота хмар, кількість опадів, потоків тепла тощо. Метеорологічні спостереження над станом атмосфери поза приземним шаром, до висот близько 40 км, носять назву аерологічних спостережень. В обмежених випадках у метеорології застосовується й експеримент. Це вплив на хмари з метою їх осідання, вплив на хмари з градом, вплив на туман; висаджування лісів, створення водосховищ, зрошування та осушення території тощо.  Високі шари атмосфери вище 40 км вивчаються аерономією. Спостереження за станом атмосфери ведуться в метеорологічних та аерологічних обсерваторіях, а також ще приблизно в 4000 метеорологічних та 800 аерологічних станцій в світі. Тривалість та безперервність спостережень - це найважливіша умова метеорологічних спостережень, окрім синхронності. Програма спостережень на метеорологічних станціях уніфікована. На всіх наземних метеорологічних станціях в усьому світі проводяться одночасні (синхронні) спостереження через кожні 3 години по єдиному для всіх - гринвіцькому - часу (нульовий меридіан). Результати передаються в органи служби погоди.

На метеостанціях загального типу реєструється:

Методи аерологічних спостережень.

Статистичний та фізико-математичний аналізи. Результати спостережень підлягають аналізу з метою виявлення тих закономірностей, що існують в атмосферних процесах. Першорядне значення у метеорології має статистичний аналіз великого масиву спостережень, особливо використання усереднень, які відсіюють випадкові деталі явищ і ясно вказують на їхні суттєві особливості. Статистика - це шлях до прогнозу. Особливо велика роль цього методу для кліматології. Кліматологія бере в якості початкового матеріалу результати метеорологічних спостережень. Ці результати співставляються, порівнюються в часі та просторі. Для повної уяви про клімат недостатньо спостережень одночасних або на протязі коротких відтинків часу. Атмосферні процеси настільки швидко змінюються в просторі і часі, що для вивчення сучасного клімату в усіх його особливостях їх треба спостерігати на протязі тривалого, багаторічного періоду. Оскільки в метеорології розглядаються фізичні явища, їх пояснення може бути дано тільки на основі законів фізики. Найбільш прийнятний для цього шлях - фізико-математичний аналіз. На основі загальних законів фізики складаються математичні рівняння, що описують атмосферні процеси. Підставляючи у ці рівняння початкові дані, отримані із спостережень, можна знаходити кількісні закономірності атмосферних процесів і прогнозувати їх подальший рух. В одних розділах метеорології цей метод вживається достатньо широко, в інших - ще недостатньо. Сутність картографічного методу заключається в використанні макетного моделювання, основним інструментом якого є карта, для дослідження та конструювання різного роду територіальних фізичних систем, а також явищ та процесів, що в них відбуваються. Особливо продуктивне використання картографічного методу при вивченні закономірностей просторового розміщення природних об'єктів, а також при аналізі процесів, що в них відбуваються. Карта дає можливість зрозуміти масштабність процесу та розподіл метеорологічних величин у просторі. Карта з фактичними результатами спостережень, що зроблені в один і той же час, називається синоптичною (синоптикус по грец. - оглядаю), тобто карта з оглядом погоди. Карта з результатами статистичної обробки багаторічних спостережень називається кліматологічною. Наприклад, карти середнього розподілу опадів, температур, характеристик снігового покриву, повторюваності гроз тощо. Картографічний метод є практично спеціальним методом географічної науки, в якій карта виступає носієм і зберігачем геопросторової інформації, одержаної в результаті проведених досліджень. Поряд із цим, вона може слугувати початковою основою для багатьох наступних досліджень.Використовуються також картоподібні зображення: картосхеми, картограми, карти ліній зв'язку, картодіаграми тощо. Для підкреслення подібності окремих об'єктів або ділянок території можна скористуватись допомогою ізоліній, що відображають умовний рельєф того чи іншого явища: ізоатм - ліній, що сполучають точки з однаковою величиною випаровування; ізобар - ліній що сполучають точки з однаковою величиною атмосферного тиску; ізогіпс - ліній, що сполучають точки однакових висот. Такі карти ще називають картами статистичної поверхні.

Склад сухого повітря біля земної поверхні. Атмосфера складається з суміші газів, що називається повітрям, у якому знаходяться в завислому стані рідкі і тверді частинки. Загальна маса останніх незначна в порівнянні з усією масою атмосфери. Атмосферне повітря в земної поверхні, як правило, є вологим. Це значить, що до його складу, разом з іншими газами, входить водяна пара, тобто вода в газоподібному стані (H2О). Утримання водяної пари в повітрі змінюється в значних межах, на відміну від інших складових частин повітря: у земної поверхні воно коливається між сотими частками відсотка і декількома відсотками. Це пояснюється тим, що при існуючих в атмосфері умовах водяна пара може переходити в рідкий і твердий стан і, навпаки, може надходити в атмосферу наново унаслідок випару з земної поверхні. Повітря без водяної пари називають сухим повітрям. У земної поверхні сухе повітря на 99% перебуває з азоту (78% по об'єму, або 76% по масі) і кисню (21% по об'єму, або 23% по масі). Обидва ці гази входять до складу повітря в земної поверхні у вигляді двохатомних молекул (N2 і О2). 1%, що залишився, припадає майже цілком на аргон (Аг). Усього 0,03% залишається на вуглекислий газ (СО2). Численні інші гази входять до складу повітря в тисячних, мільйонних і ще менших частках відсотка. Це криптон (Кг), ксенон (Хе), неон (Nе), гелій (Не), водень (H2), озон (Оз), йод (I), радон (Rn), метан (СH4), аміак (NH4), перекис водню (H2О2), закис азоту (N2О) і ін. Всі перераховані вище гази завжди зберігають газоподібний стан при температурах, що спостерігаються в атмосфері, і тиску не тільки в земної поверхні, але й у високих шарах. Відсотковий склад сухого повітря в земної поверхні дуже постійний і практично однаковий усюди. Істотно змінюватися може тільки утримання вуглекислого газу. У результаті процесів дихання і горіння його об'ємне утримання в повітрі закритих, що погано вентилюються, помешкань, а також промислових центрів може зростати в декілька разів - до 0,1-0,2%. У зв'язку з цим, звичайно, зменшується, але дуже незначно, відсотковий вміст азоту і кисню. Цілком незначно змінюється відсотковий вміст азоту і кисню під впливом місцевих і тимчасових змін утримання в повітрі аміаку, йоду, радону й інших газів, що потрапляють в атмосферу з поверхні ґрунту або води.

Водяна пара в повітрі. Відсотковий вміст водяної пари у вологому повітрі в земної поверхні складає в середньому від 0,2% у полярних широтах до 2,5% в екватора, а в окремих випадках коливається майже від нуля до 4%. У зв'язку з цим стає перемінним і відсоткове співвідношення інших газів у вологому повітрі. Чим більше в повітрі водяної пари, тим менша частина її об'єму доводиться на постійні гази при тих же тиску і температурі. Водяна пара безупинно надходить в атмосферу шляхом випари з водних поверхонь і вологого ґрунту, а також у результаті транспірації рослинами, при цьому в різних місцях і в різний час він надходить у різних кількостях. Від земної поверхні водяна пара поширюється нагору, а повітряними плинами переноситься з одних місць Землі в інші. У атмосфері може виникати стан насичення. У такому стані водяна пара міститься в повітрі в кількості, гранично можливій при даній температурі. Водяну пара при цьому називають як ту, що насичує, а повітря, що містить його, насиченим. Стан насичення звичайно досягається при зниженні температури повітря. Коли цей стан досягнутий, те при подальшому зниженні температури частина водяної пари стає надлишковою і конденсується, переходить у рідкий або твердий стан.  У повітрі виникають водяні краплі і крижані кристали хмар і туманів. Хмари можуть знову випаровуватися; в інших випадках краплі і кристали хмар, збільшуючись, можуть випадати на земну поверхню у виді опадів. Внаслідок усього цього утримання водяної пари в кожній ділянці атмосфери безупинно змінюється. З водяною парою в повітрі і з її переходами з газоподібного стану в рідке і тверде зв'язані найважливіші процеси погоди й особливості клімату. Наявність водяної пари в атмосфері істотно позначається на теплових умовах атмосфери і земної поверхні. Водяна пара сильно поглинає довгохвильову інфрачервону радіацію, що випромінює земна поверхня. У свою чергу і сама вона випромінює інфрачервону радіацію, велика частина якої йде до земної поверхні. Це зменшує нічне охолодження земної поверхні і тим самим також нижніх шарів повітря.  На випар води з земної поверхні затрачаються великі кількості тепла, а при конденсації водяної пари в атмосфері це тепло передається в повітря. Хмари, що виникають у результаті конденсації, відбивають і поглинають сонячну радіацію на її шляху до земної поверхні. Опади, що випадають із хмар, є найважливішим елементом погоди і клімату.  Нарешті, наявність водяної пари в атмосфері має важливе значення для фізіологічних процесів, які відбуваються як у живій природі взагалі, так і у окремо взятій живій істоті чи рослині.

Тиск водяної пари і відносна вологість Утримання водяної пари в повітрі називають вологістю повітря. Основні характеристики вологості - це парціальний тиск водяної пари (тиск водяної пари) і відносна вологість. Водяна пара, як усякий газ, має пружність (тиск). Тиск водяної пари е пропорційно його щільності (масі в одиниця об'єму) і його абсолютній температурі. Він виражається в тих же одиницях, що і тиск повітря і всіх його складових частин, тобто в гектопаскалях (мілібарах). В даний час у науковій літературі обов'язковим є вжиток Міжнародної системи одиниць (СІ - система інтернаціональна), у котрій основною одиницею тиску служить паскаль (1 Па = 1 Н/м2; 1 гПа=102 Па).  Тиск водяної пари в стані насичення називають тиском насиченої водяної пари. Це максимальний тиск водяної пари, можливий при даній температурі. Наприклад, при температурі 0°С тиск насиченої пари дорівнює 6,1 гПа. Якщо повітря містить водяної пари менше, ніж потрібно для насичення його при даній температурі, можна визначити, наскільки повітря близьке до стану насичення. Для цього обчислюють відносну вологість. Так називають відношення фактичного тиску е водяної пари, що знаходиться в повітрі, до тиску насиченої пари Е при температурі повітря. Наприклад, при температурі 20 °С тиск насиченої пари дорівнює 23,4 гПа. Якщо при цьому фактичний тиск водяної пари в повітрі буде 11,7 гПа, то відносна вологість повітря дорівнює (11,7:23,4) х100=50%. Тиск водяної пари в земної поверхні змінюється від сотих часток гектопаскаля (при дуже низьких температурах взимку в Антарктиді і Якутії) до 35 гПа і більш (у екватора). Чим тепліше повітря, тим більше водяної пари він може містити в стані насичення і, відповідно, тим більше може бути в ньому тиск водяної пари. Відносна вологість повітря може приймати всі значення, від нуля, у випадку сухого повітря (е=0), до 100% для стану насичення (е = Е).

Зміна складу повітря з висотою. Відсотковий уміст складових частин сухого повітря в нижніх ста кілометрах із висотою майже не змінюється. Повітря, що знаходиться в постійному русі, добре перемішується по вертикалі, і атмосферні гази не розшаровуються по щільності, як це було б в умовах спокійної атмосфери (де частка більш легких газів повинна була б зростати з висотою).  Приблизно до висоти 100-200 км переважним газом атмосфери все-таки залишається азот. Однак вище 100 км таке розшарування газів по щільності починається і поступово збільшується з висотою. Вище починає переважати кисень, причому кисень в атомарному стані: під дією ультрафіолетової радіації Сонця його двохатомні молекули розпадаються на заряджені атоми.  Вище 1000 км атмосфера складається, головним чином, із гелію і водню, причому гелій - також в атомарному стані, тобто у вигляді заряджених атомів, - переважає. Починаючи з 2400 км, в атмосфері зустрічається, в основному, водень, що полишає атмосферу Землі і дисипує в космічний простір по причині настільки малої питомої ваги, що земне тяжіння не здатне його втримати в атмосфері. Відсотковий вміст водяної пари в повітрі змінюється з висотою. Водяна пара постійно надходить в атмосферу знизу, а розповсюджуючись нагору, конденсується, згущається. Тому тиск і густина водяної пари убувають із висотою швидше, ніж тиск і густина інших газів повітря. Загальна густина повітря стає вдвічі менше, ніж у земної поверхні, на висоті 5-6 км, а густина водяної пари в середньому убуває удвічі вже на висоті 1,5-2 км. На висоті 5-6 км тиск водяної пари і, отже, його утримання в повітрі в 10 разів менше, ніж у земної поверхні, а на висоті 10-12 км в сто разів менше. Таким чином, вище 10-15 км утримання водяної пари в повітрі мізерно мале і хмари, від яких можна чекати опадів, тут не утворюються.

Розподіл озону в атмосфері. Зміна з висотою утримання озону в повітрі особливо цікаво. У земної поверхні озон міститься в незначних кількостях. З висотою утримання його зростає, причому не тільки у відсотковому відношенні, але і по абсолютних значеннях. Максимальне утримання озону спостерігається на висотах 25-30 км; вище воно убуває і на висотах біля 70 км сходить нанівець. Процес утворення озону з кисню відбувається в шарах від 70 до 15 км при поглинанні киснем ультрафіолетової сонячної радіації. Частина двохатомних молекул кисню розкладається на атоми, а атоми приєднуються до збережених молекул, створюючи трьохатомні молекули озону. Одночасно відбувається зворотний процес перетворення озону в кисень. У шари нижче 15 км озон заноситься із шарів , що лежать вище, при перемішуванні повітря. Зростання утримання озону з висотою практично не позначається на частці азоту і кисню, тому що в порівнянні з ними озону й у верхніх шарах дуже мало. Якби можна було зосередити весь атмосферний озон під нормальним тиском, він утворив би шар тільки біля 3 мм товщиною (приведена товщина озону). Але й у такій незначній кількості озон важливий тому, що, сильно поглинаючи сонячну радіацію, він підвищує температуру тих шарів атмосфери, у яких він знаходиться. Ультрафіолетову радіацію Сонця з довжинами хвиль від 0,15 до 0,29 мкм (один мікрометр - мільйонна частка метра) він поглинає повністю. Ця радіація робить фізіологічно шкідливу дію, і озон, поглинаючи її, охороняє від неї живі організми на земній поверхні.

Рідкі і тверді домішки в атмосферному повітрі. Крім перерахованих вище атмосферних газів, у повітря місцями можуть проникати інші гази, особливо з'єднання, що виникають при згорянні палива (окисли сірки, вуглецю, фосфору й ін.). Найбільша кількість таких домішок надходить у повітря великих міст і промислових районів. До складу атмосфери входять також тверді і рідкі частки, завислі в атмосферному повітрі: водяні краплі і кристали, що виникають в атмосфері при конденсації водяної пари, пил ґрунтового й органічного походження, тверді частки диму, сажа, попіл і краплі кислот, що потрапляють у повітря при лісових пожежах, спалюванні палива і вулканічних виверженнях, частки морської солі, що потрапляють у повітря при розбризкуванні морської води під час хвилювання (звичайно в силу своєї гігроскопічності це не тверді частки, а дрібні краплі насиченого розчину солі у воді), мікроорганізми (бактерії), пилок, спори, нарешті, космічний пил, що потрапляє в атмосферу (біля 1 млн. т у рік) із міжпланетного простору, а також виникає при згорянні метеорів в атмосфері. Особливе місце серед атмосферних домішок займають продукти штучного радіоактивного розпаду, що заражають повітря при іспитових вибухах атомних і термоядерних бомб. Невелику частину перерахованих домішок складає великі частки пилу, радіусом більш 5 мкм. Майже 95% часток має радіуси менше 5 мкм. Внаслідок такої малості вони можуть тривалий час утримуватися в атмосфері в завислому стані. Видаляться з атмосфери вони головним чином при випаданні опадів, приєднуючись до крапель і сніжинок. Є ряд методів і приладів для визначення їхнього утримання в повітрі. Всі ці домішки, або аерозолі, у найбільшій кількості містяться в самих нижніх шарах атмосфери: адже основне їхнє джерело - земна поверхня. Особливо забруднений ними повітря великих міст. Не говорячи про шкідливі газові домішки (SО2, СО і ін.), на кожний кубічний сантиметр повітря тут доводяться десятки тисяч аерозольних часток, а за рік на кожний квадратний кілометр випадають з атмосфери сотні тонн аерозолів. У сільських місцевостях кількість часток аерозольних домішок у приземному повітрі обчислюється тільки тисячами в кубічному сантиметрі, а над океанами - тільки сотнями. З висотою число завислих часток швидко убуває; на висотах 5-10 км їх усього десятки на кубічний сантиметр. У загальному в атмосферному стовпі над кожним квадратним сантиметром земної поверхні міститься 108-109 аерозольних часток. Загальна їхня маса в атмосфері не менше 108 т. Це величезна маса, але вона мала в порівнянні з усією масою атмосфери, що, як ми побачимо далі, визначається в 5 х1015 т. Бактерії в центральних частинах океанів зустрічаються в кількості декількох одиниць на кубічний метр повітря; у великих містах їх уже тисяча і десятки тисяч у тому ж об'ємі. Від кількості і роду аерозольних домішок залежать явища поглинання і розсіювання радіації в атмосфері, тобто її велика або менша прозорість для радіації. Наявність завислих часток створює в атмосфері також ряд оптичних явищ, властивих колоїдним розчинам. Найбільші великі аерозольні частки, що мають гігроскопічні властивості, грають в атмосфері роль ядер конденсації, тобто центрів, до яких приєднуються молекули водяної пари, створюючи водяні краплі. Аерозольні домішки можуть легко переноситися повітряними течіями на великі відстані. Піщаний пил, що потрапляє в повітря над пустелями Африки і Передньої Азії, неодноразово випадав у великих кількостях на території Південної і Середньої Європи. Дим лісових пожеж у Канаді переносився сильними повітряними течіями на висотах 8-13 км через Атлантику до берегів Європи, ще зберігаючи достатню концентрацію. Дим і попіл великих вулканічних вивержень неодноразово поширювалися у високих шарах атмосфери на величезні відстані, закутуючи всю земну кулю. Помутніння повітря й аномально червоний колір зорі спостерігалися протягом багатьох місяців після виверження. Після падіння Тунгуського метеорита в 1908 р. також спостерігалося помутніння повітря на великих відстанях. Радіоактивні продукти, що потрапляють в атмосферу при термоядерних вибухах, поширюються у високих шарах атмосфери над величезними просторами земної кулі.

Серпанок, хмари, тумани. Краплі і кристали, на відміну від порошин, виникають у самій атмосфері при конденсації водяної пари і можуть зникати, не випадаючи, унаслідок випару. Якщо вони дуже розріджені й дрібні, то виявляються по деякому помутнінню повітря синюватого або сіруватого кольору - серпанку. Більш щільні їхні скупчення - хмари і тумани. Краплі хмар звичайно дуже дрібні - діаметром від одиниць до десятків мікрометрів (тобто від тисячних до сотих часток міліметра). У кожному кубічному сантиметрі хмарного повітря міститься декілька десятків або сотень крапель. Це значить, що на один кубічний метр хмарного повітря доводиться усього декілька грамів або навіть часток грама рідкої води. Кристали в хмарах також у більшості дуже дрібні. Тому хмари можуть довгостроково утримуватися в атмосфері в завислому стані внаслідок опору повітря і його висхідних рухів. Але в хмарах може відбуватися й укрупнення хмарних елементів; досягнувши визначених розмірів, вони починають випадати з хмар у виді опадів - крапель дощу, кристалів снігу й ін. Хмари спостерігаються на різних висотах у межах нижніх 10-15 км, причому з висотою водність хмар (тобто утримання в них рідкої води на одиницю об'єму) у середньому убуває. Зрідка спостерігаються особливі, дуже легкі хмари на висотах біля 22-27 км (перламутрові) і біля 82-85 км (сріблясті, або мезосферні). Нерідко хмароподібні скупчення крапель і кристалів починаються від самої земної поверхні; у цих випадках вони називаються туманами.

Іони в атмосфері. Частина молекул атмосферних газів і часток атмосферного аерозолю - крапель, порошин, кристалів - несе електричні заряди. Ці заряджені частинки називаються іонами. Молекули повітря заряджаються унаслідок втрати електрона або приєднання вільного електрона. До зарядженої молекули приєднуються інші молекули, у яких відбувається шляхом індукції поділ зарядів. Так виникає електрично заряджений комплекс молекул, називаний легким іоном. Заряджені молекули можуть також приєднуватися до ядер конденсації або порошинам, завислим у повітрі, унаслідок чого виникають дуже великі важкі іони з масами, в тисячу разом більшими, ніж у легких іонів. Утримання легких іонів у земної поверхні - декілька сотень на один кубічний сантиметр, важких - від декількох сотень до десятків тисяч на один кубічний метр. Краплі і кристали хмар і опадів, виникаючи на іонах як на ядрах конденсації, приєднуючи їх надалі, а також одержуючи електричні заряди іншими способами, також можуть стати носіями електричних зарядів. У більшості випадків вони і є такими. Заряди крапель і кристалів набагато більше, ніж заряди іонів: вони можуть досягати багатьох мільйонів елементарних зарядів (зарядів електрона). З висотою утримання іонів збільшується, особливо в шарах вище 80-100 км. Іони є тут в основному зарядженими атомами кисню, гелію і водню. Крім того, значна частина іонів у високих шарах являє собою вільні електрони. Утримання іонів тут вимірюється сотнями і мільйонами на один кубічний сантиметр повітря. Так само як і незаряджені частки, іони в атмосфері постійно переміщаються. Саме завдяки цьому атмосфера має електропровідність, у нижніх шарах малу, у високих - значну.

Електричне поле атмосфери
У атмосфері завжди існують рухливі електричні заряди, зв'язані з іонами, а також з елементами хмар і опадів. Заряди ці обох знаків, причому переважають позитивні, так що сумарний заряд атмосфери - позитивний. При цьому з висотою він зростає. Сама земна поверхня також має електричний заряд, причому у сумі негативний (порядку - 6х105 кулонів). У результаті атмосфера володіє електростатичним полем, у кожній точці якого є те або інше значення потенціалу. Це значить, що електричний заряд, поміщений у будь-якій точці атмосфери, буде випробувати силу, що діє на нього в напрямку, нормальному до поверхні рівного потенціалу, що проходить через цю точку. Цю силу на одиницю позитивного електричного заряду називають напруженістю атмосферного електричного поля. Вона спрямована у відсутності хмар зверху вниз і вимірюється зміною потенціалу поля на одиницю відстані, тобто у вольтах на метр (В/м). У приземному шарі атмосфери напруженість поля в середньому для всієї земної кулі біля 100 В/м. У промислових районах із сильно забрудненим повітрям вона значно більше. З висотою напруженість поля зменшується: на висоті 10 км вона усього біля 5 В/м. Вище 20 км напруженість поля дуже мала; провідність повітря в цих шарах достатня для вирівнювання різниць потенціалу. Напруженість електричного поля атмосфери випробує зміни в добовому і річному ході, а також дуже великі збурення, зв'язані з розвитком хмар, особливо купчасто-дощових (грозових). У загальному перенос електрики (струм провідності) повинний відбуватися від позитивно зарядженої атмосфери до негативно зарядженої земної поверхні. Незважаючи на це, негативний заряд земної поверхні з часом не убуває. Причина перебуває, мабуть, у грозах. У грозових хмарах відбувається сильна електризація хмарних елементів і поділ позитивних і негативних зарядів по окремих частинах хмари. Внаслідок цього в хмарах, а також між хмарами і землею виникають величезні різниці потенціалів, при яких напруженість поля доходить до десятків тисяч вольт на метр. При цьому в атмосфері виникають не тільки позитивні, але і негативні заряди, що індукують позитивний заряд на земній поверхні. Напруженість поля між хмарою і землею може навіть змінити свій напрямок, тобто одержати напрямок нагору. У зв'язку з зазначеними величезними різницями потенціалів в атмосфері виникають іскрові електричні розряди, блискавки, як у хмарах, так і між хмарами і землею. При напруженості поля, спрямованої нагору, блискавки можуть переносити до земної поверхні дуже великі негативні заряди, що і компенсують втрату негативного заряду земною поверхнею в спокійну погоду.

Рівняння стану газів. Основними характеристиками (параметрами) фізичного стана газу є його тиск, температура і густина. Ці три характеристики не незалежні одна від іншій. Гази стискаються, тому густина їх змінюється в широких межах у залежності від тиску і температури. Зв'язок між тиском, температурою і щільністю для ідеальних газів дається рівнянням стану газів, відомим із фізики. Воно пишеться
pv = RT, (1)
де р - тиск, v - питомий об'єм газу, Т - температура по абсолютній шкалі, R - питома газова постійна, що залежить від природи газу. Рівняння стана газів є достатнім наближенням стосовно до сухого повітря, і до водяної пари, і до вологого повітря. У кожному випадку буде своє значення питомої газової сталої R. Для вологого повітря R змінюється в залежності від тиску водяної пари, що міститься в повітрі.

Атмосферний тиск. Всякий газ робить тиск на його стінки, що обмежують, перпендикулярно (нормально) до цієї стінки. Числове значення (модуль) цієї сили тиску, віднесеної до одиниці площі, і називають тиском. Тиск газу обумовлено рухами його молекул, тим "бомбардуванням", що вони піддають стінки. При зростанні температури і зберіганні об'єму газу швидкості молекулярних рухів збільшуються і, отже, тиск зростає. Повітря в закритому (негерметично) помешканні досить вільно вирівнює свій тиск із зовнішнім повітрям через пори і щілини в стінах, через вікна і т.д. Тому на метеорологічних станціях немає потреби поміщати барометри під відкритим небом - їх встановлюють усередині помешкання. Основним приладом для виміру атмосферного тиску служить ртутний барометр. У цьому приладі, відомому з курсу фізики, атмосферний тиск врівноважується тиском стовпа ртуті; по змінах висоти ртутного стовпа можна судити про зміни атмосферного тиску. Інший принцип виміру атмосферного тиску, широко застосовуваний в анероїдах, барографах, метеорографах, радіозондах, заснований на деформаціях пружної, порожньої усередині металевої коробки при змінах зовнішнього тиску на неї. Прилади цього типу потрібно тарувати (градуювати) за показниками ртутного барометра. В даний час тиск, як уже сказано вище, виражають у гектопаскалях (гПа). Середній атмосферний тиск на рівні моря близько до 1013 гПа.

Температура повітря. Температура повітря є однією з головних метеорологічних величин. Всі явища та процеси, що відбуваються в органічному та неорганічному світі, безпосередньо пов'язані з термічними умовами навколишнього середовища. Крім того, температура повітря визначає характер і режим погоди. Всі ми інтуїтивно відчуваємо, що таке температура. Рукою можна грубо відрізнити холодне від гарячого, однак ми знаємо, що при цьому неважко припуститись і помилки. Всім відомий дослід, коли одну руку опускають в холодну, а іншу - в гарячу воду. Якщо через деякий час опустити одночасно обидві руки в посудину з теплою водою, то рука, що була до цього у гарячій воді, відчує холод, а рука, що була до цього у холодній воді - відчує жар. Цей дослід показує, що наші надійні відчуття можуть бути помилковими. Тому бажано мати такий спосіб вимірювання температури, який не залежав би від наших відчуттів і від нашого настрою. Якщо хворі відчувають жар, то це характеризує їх самопочуття. Коли лікарі зрозуміли це, вони спробували при обстеженні пацієнтів якось вимірювати їх температуру. При цьому використовувались скляні трубки, заповнені до якогось рівня водою, ртуттю, вином або ж підфарбованою рідиною. При цьому лікарі вважали, що чим вище піднімається рідина у трубці, тим вище температура. Оскільки на термометрах не було однакових шкал, лікар порівнював температуру хворого із своєю власною, яка мала постійну позначку у нижній частині шкали. Історики науки розповідають, що Галілео Галілей (1564-1642 рр.) виготовлені ним термометри теж наповнював вином. Один з таких приладів він якось надіслав своєму другу - вченому в Англію. Додав і записку, в якій повідомляв про призначення термометра. Але чи то в дорозі записка загубилася, чи то адресат не зрозумів її змісту … Бо через деякий час Галілей одержав таку відповідь: "Вино було справді чудове. Будь ласка, надішліть мені ще один такий прилад". Німецький фізик Даніель Габріель Фаренгейт (D. G. Fahrenheit, 1686 - 1736), який працював у Великій Британії та Нідерландах, у якості двох фіксованих точок вибрав рівні, один з яких відповідав температурі тіла його дружини (якби ми використовували зараз його термометр, він показав би 100° F), а другий, 0° F, відповідав найнижчому рівню, до якого опускався ртутний стовпчик в одну із зим у Північній Ірландії. Можливо, що Фаренгейт хотів уникнути від’ємних температур, вважаючи, що Північна Ірландія у середині зими являється найбільш холодним місцем на земній кулі. Свій перший спиртовий термометр він виготовив у 1709 році, а ртутний - у 1714 році. Відстань між цими двома точками він розділив на 100 рівних частин, кожну з яких він назвав градусом (сучасна назва - 1° F). Так у 1714 р. з'явилась шкала, названа його ім'ям.
За допомогою такого термометра, що показував 212° F і 32° F при кипінні та замерзанні води, йому вдалося встановити, що різні рідини киплять при різних, але “фіксованих ступенях (лат. - градус) теплоти”. Андерс Цельсій (A. Celsius 1701 - 1744) запропонував використовувати два стани речовини для визначення двох точок на шкалі термометра. В якості нульової відмітки він узяв рівень ртуті, що відповідає температурі такого льоду, що тане. Через позначку 100 він помітив рівень, що відповідає температурі води, яка кипить. Поділивши цей інтервал на 100 рівних частин, Цельсій отримав стоградусну шкалу, яка й досі називається його ім’ям. Щоб перейти від шкали Цельсія до шкали Фаренгейта і навпаки, слід врахувати, що ділення на шкалі Фаренгейта йдуть частіше, ніж по шкалі Цельсія (5/9 ° С = 1° F) і що 0° С відповідає 32° F. Тоді 5/9 (t° F - 32)=t° С. Шкала Цельсія не менш довільна, ніж шкала Фаренгейта, однак у науковій роботі нею користуються частіше. Повітря, як і всяке тіло, завжди має температуру, відмінну від абсолютного нуля. Температура повітря в кожній точці атмосфери безупинно змінюється; у різних місцях Землі в той самий час вона також різна. У земної поверхні температура повітря варіює в досить широких межах: крайні її значення, що спостерігалися дотепер, трохи нижче значення 60 °С (у тропічних пустелях, наприклад, 58 °С в Аль-Азізі (Лівія) 15.09. 1922 р.) і біля -90°С (на материку Антарктиди, -88,3 °С на ст. "Восток" 24.08.1960 р.). З висотою температура повітря змінюється в різних шарах і в різних випадках по-різному. У середньому вона спочатку знижується до висоти 10-15 км, потім зростає до 50-60 км, потім знову падає і т.д.

Температура повітря, а також землі і води в системі СІ виражається в градусах міжнародної температурної шкали, або шкали Цельсія (°С), загальноприйнятої у фізичних вимірах. Нуль цієї шкали припадає на температуру, при якій тане лід, а 100 °С - на температуру кипіння води (те й інше при тиску 1013 гПа). Поряд із шкалою Цельсія широко поширена (особливо в теорії) абсолютна шкала температури (шкала Кельвіна). Нуль цієї шкали відповідає повному припиненню теплового руху молекул, тобто найнижчій можливій температурі. По шкалі Цельсія це буде -273,15 °С (на практиці за абсолютний нуль нерідко приймається -273 °С). Одиниця абсолютної шкали, називана Кельвіном (К), дорівнює одиниці шкали Цельсія: 1 К = 1°С. По абсолютній шкалі температура може бути тільки додатною, тобто вище абсолютного нуля. У формулах температура по абсолютній шкалі позначається через Т, а температура по Цельсію - через t. Для переходу від температури по Цельсію до температури по абсолютній шкалі служить формула
Т = t+273,15.

Густина повітря. Густина повітря безпосередньо не вимірюється, а обчислюється за допомогою рівняння стану газів. Вологе повітря дещо менш щільне, ніж сухе повітря при тих же значеннях тиску і температури. Це пояснюється тим, що водяна пара менш щільна, чим сухе повітря. Якщо взяти якийсь об'єм сухого повітря і замінити частину молекул постійних газів більш легкими молекулами водяної пари в тій же кількості і з тими ж швидкостями руху так, що температура і тиск від цього не зміняться, то густина отриманого вологого повітря буде дещо менше, ніж густина сухого повітря. Різниця не дуже велика. Густина сухого повітря при температурі 0 °С і тиску 1000 гПа дорівнює 1,276 кг/м3. Якщо ж повітря вологе, притім насичене, тобто тиск водяної пари 6,1 гПа (більше воно при температурі О °С бути не може), то густина його при тиску 1000 гПа буде 1,273 кг/м3, тобто тільки на 0,003 кг/м3 менше, ніж густина сухого повітря. При більш високих температурах і, отже, при більшому вологоутриманні різниця збільшується, хоча і залишається невелика. Густина повітря в кожному місці безупинно змінюється в часі. Крім того, вона змінюється з висотою, тому що з висотою змінюються також атмосферний тиск і температура повітря. Тиск із висотою завжди зменшується, а разом із ним убуває і густина. Температура з висотою в основному знижується, принаймні в нижніх 10-15 км атмосфери. Але спад температури тягне за собою підвищення щільності. У результаті спільного впливу зміни тиску і температури густина із висотою, як правило, знижується, але не так сильно, як тиск. У середньому для Європи вона дорівнює в земної поверхні 1,25 кг/м3, на висоті 5 км - 0,74 кг/м3, 10 км - 0,41 кг/м3, 20 км - 0,09 кг/м3. На висотах біля 300 км густина повітря має порядок розміру 10-11 кг/м3, тобто в сто мільярдів разом менше, ніж у земної поверхні. На висоті 500 км густина повітря вже 10-12 кг/м3, на 750 км - 10-13 кг/м3 або ще менше. Ці значення щільності незначні в порівнянні з приземними. Але усе ж до висот біля 20 тис. км густина повітря залишається значно більшою, ніж густина речовини в міжпланетному просторі. Якби густина повітря не змінювалася з висотою, а залишалася на всіх рівнях такою ж, як у земної поверхні, то висота атмосфери виявилася б рівною приблизно 8000 м. Ця висота (8000 м) називається висотою однорідної атмосфери. У дійсності густина повітря з висотою убуває, і тому справжня висота атмосфери рівняється багатьом тисячам кілометрів. Важливою задачею є приведення тиску до рівня моря. Знаючи тиск на деякій станції, розташованій на висоті z над рівнем моря, і температуру t на цій станції, обчислюють спочатку уявлювану середню температуру між температурами на розглянутій станції і на рівні моря. Для рівня станції береться фактична температура, а для рівня моря - та ж температура, але збільшена в тій мірі, у який у середньому змінюється температура повітря з висотою. Середній вертикальний градіент температури в тропосфері приймається рівним 0,6 °С на 100 м. Отже, якщо станція має висоту 200 м і температура на ній 16 °С, то для рівня моря приймається температура 17,2 °С, а середня температура стовпа між станцією і рівнем моря 16,6 °С. Після цього по тиску на станції і по отриманій середній температурі визначається тиск на рівні моря. Для цього складають особливі таблиці для кожної станції. Приведення тиску до рівня моря є дуже важливою операцією. На приземні синоптичні карти завжди наноситься тиск, приведений до рівня моря. Цим виключається вплив розходжень у висотах станцій на значення тиску і стає можливим з'ясувати горизонтальний розподіл тиску.

Середній розподіл атмосферного тиску з висотою. Розподіл атмосферного тиску по висоті залежить від того, який тиск внизу і як розподіляється температура повітря з висотою. У багаторічному середньому для Європи тиск на рівні моря дорівнює 1014 гПа, на висоті 5 км- 538 гПа, 10 км-262 гПа, 15 км- 120 гПа і 20 км - 56 гПа. На рівні 5 км тиск майже вдвічі нижче, чим на рівні моря, на рівні 10 км - майже в чотири рази, на рівні 15 км - майже в 8 разів і на рівні 20 км-в 18 разів. Ці значення підтверджують висновок, який можна зробити: у першому наближенні тиск убуває приблизно в геометричній прогресії, коли висота зростає в арифметичній прогресії. При більш точному дослідженні ця залежність описується кривою, що носить назву експоненти. Тому залежність тиску від висоти ще називають експоненціальною. Тиск змінюється не тільки з висотою. На тому самому рівні він не скрізь однаковий. Це залежить від багатьох причин, які будуть розглянуті пізніше.

Загальна маса атмосфери. Знання атмосферного тиску дозволяє розрахувати загальну масу атмосфери. Середній атмосферний тиск на рівні моря близько до 1013 гПа. Знаючи площу земної поверхні і перевищення материків над рівнем моря, можна обчислити силу ваги, що діє на земну поверхню. Зневажаючи зміною сили ваги з висотою, можна вважати цю силу чисельно рівній масі атмосфери, помноженої на прискорення вільного падіння.
Загальна маса атмосфери, визначена таким чином, складає трохи більше 5х1018 кг, або 5х1015 т. Це приблизно в мільйон разів менше, ніж маса самої земної кулі. При цьому, як уже говорилося, половина всієї маси атмосфери знаходиться в нижніх 5 км, три чверті - у нижніх 10 км і 95% - у нижніх 20 км.

Адіабатичні зміни стану в атмосфері. Дуже важливу роль в атмосферних процесах грає та обставина, що температура повітря може змінюватися і часто дійсно змінюється адіабатично, тобто без теплообміну з навколишнім середовищем (із навколишньою атмосферою, земною поверхнею і світовим простором). Строго адіабатичних процесів в атмосфері не буває: ніяка маса повітря не може бути цілком ізольована від теплового впливу навколишнього середовища. Однак якщо атмосферний процес протікає досить швидко і теплообмін за цей час малий, то зміну стану можна з достатнім наближенням вважати адіабатичним.
Якщо деяка маса повітря в атмосфері адіабатично розширюється, то тиск у ній падає, а разом із ним падає і температура. Навпроти, при адіабатичному стисканні маси повітря тиск і температура в ній зростають. Ці зміни температури, не зв'язані з теплообміном, відбуваються внаслідок перетворення внутрішньої енергії газу (енергії положення і руху молекул) у роботу або роботи у внутрішню енергію. При розширенні маси повітря робиться робота проти зовнішніх сил тиску, так називана робота розширення, на якій затрачається внутрішня енергія повітря. Але внутрішня енергія газу пропорційна його абсолютній температурі, тому температура повітря при розширенні падає. Навпроти, при стисканні маси повітря робиться робота стискання. Внутрішня енергія розглянутої маси повітря внаслідок цього зростає, тобто швидкість молекулярних рухів збільшується. Отже, зростає і температура повітря.

Сухоадіабатичні зміни температури. Закон, по якому відбуваються адіабатичні зміни стану в ідеальному газі, із достатньою точністю може бути застосований до сухого повітря, а також до ненасиченого вологого повітря. Цей сухоадіабатичний закон виражається рівнянням сухоадіабатичного процесу, або так називаним рівнянням Пуассона.

Сухоадіабатичні зміни температури при вертикальних рухах. У атмосфері розширення повітря і зв'язане з ним падіння тиску і температури відбуваються найбільшою мірою при висхідному русі повітря. Такий підйом повітря може відбуватися різними способами: у вигляді висхідних струмів конвекції; над поверхнею фронту - при русі великих шарів повітряної маси нагору по положистому клину іншої, більш холодної повітряної маси; при підйомі повітря по гірському схилу. Аналогічним способом стискання повітря, що супроводжується підвищенням тиску і температури, відбувається при опусканні, при низхідному русі повітря. Звідси важливий висновок: повітря, що піднімається, адіабатично вихолоджується, а те, що опускається -адіабатично нагрівається.
Неважко підрахувати, на скільки метрів повинне піднятися або опуститися повітря, щоб температура в ньому понизилася або підвищилася на один градус.
Відомо, що при адіабатичному підйомі сухого або ненасиченого повітря температура на кожні 100 м підйому падає майже на один градус, а при адіабатичному опусканні на 100 м температура зростає на це ж значення. Цей розмір називається сухоадіабатичним градіентом.

Вологоадіабатичні зміни температури. З адіабатичним підйомом вологого ненасиченого повітря зв'язане така важлива зміна, як наближення його до стану насичення. Температура повітря при його підйомі знижується, тому на якійсь висоті досягається насичення. Ця висота називається рівнем конденсації. При подальшому підйомі вологе насичене повітря прохолоджується інакше, ніж ненасичене. У ньому відбувається конденсація і виділяється в значних кількостях теплота паротворення, або теплота конденсації (2,501х106 Дж/кг). Виділення цієї теплоти сповільнює зниження температури повітря при підйомі. Тому в насиченому повітрі, що піднімається, температура падає вже не сухоадіабатично, а по вологоадіабатичному закону. Вона падає тим повільніше, чим більше вологоутримання повітря в стані насичення (що у свою чергу залежить від температури і тиску). На кожні 100 м підйому насичене повітря при тиску 1000 гПа і температурі 0°С прохолоджується на 0,66°С, при температурі 20 °С - на 0,44 °С і при температурі -20 °С - на 0,88°С. При більш низькому тиску спад температури відповідно менше. Спад температури в насиченому повітрі при підйомі його на одиницю висоти (100м) називають вологоадіабатичним градіентом. При дуже низьких температурах, що спостерігаються при підйомі у високі шари атмосфери, водяної пари в ньому залишається мало і виділення теплоти конденсації тому також мало. Спад температури при підйомі в такому повітрі наближається до падіння в сухому повітрі. Інакше кажучи, вологоадіабатичний градіент при низьких температурах наближається до сухоадіабатичного. При опусканні насиченого повітря процес може відбуватися по-різному в залежності від того, чи містить повітря продукти конденсації (краплі і кристали) або вони вже цілком випали з повітря у вигляді опадів. Якщо в повітрі немає продуктів конденсації, то повітря, як тільки температура в ньому почне при опусканні зростати, відразу стане ненасиченим. Тому повітря, опускаючись, буде нагріватися сухоадіабатично, тобто на 1 °С/100 м. Якщо ж у повітрі є краплі і кристали, то вони при опусканні і нагріванні повітря будуть поступово випаровуватися. При цьому частина тепла повітряної маси перейде в теплоту паротворення, і тому підвищення температури при опусканні сповільниться. У результаті повітря буде залишитися насиченим доти, поки всі продукти конденсації не перейдуть у газоподібний стан. А температура в ньому буде в цей час підвищуватися вологоадіабатично: не на 1 °С/100 м, а на менше значення - саме на таке, на яке понизилася б температура у висхідному насиченому повітрі при тих же значеннях температури і тиску.

Псевдоадіабатичний процес. Уявимо собі, що вологе ненасичене повітря спершу піднімається. Його температура при цьому падає спочатку сухоадіабатично, потім, після того як було досягнуто рівня конденсації, вологоадіабатично. Припустимо також, що вся вода, що виділяється при конденсації, відразу ж випадає з повітря у виді опадів. Допустимо потім, що, досягнувши деякої висоти, повітря починає опускатися. Тому що продуктів конденсації в ньому немає, воно буде при цьому нагріватися сухоадіабатично. Легко розрахувати, що на колишній рівень повітря прийде з температурою більш високою, ніж та, що була в ньому спочатку. У розглянутій масі повітря відбувся необоротний процес. Хоча вона повернулася на колишній рівень, під колишній тиск, вона не повернулася у вихідний стан: її кінцева температура виявилася вище, чим початкова. Такий процес називається псевдоадіабатичним.

Потенційна температура. Нехай на якійсь висоті в атмосфері є повітря з тиском р і температурою Т. Якби це повітря сухоадіабатично опустилося на рівень, де існує тиск ро, те температура його теж змінилася б. Назвемо цю температуру, що повітря одержало б при тиску 1000 гПа, його потенційною температурою. Фактичну температуру повітря, на відміну від потенційної, будемо називати просто температурою. Очевидно, що потенційна температура дорівнює температурі повітря при тиску 1000 гПа. Потенційну температуру можна з достатнім наближенням визначити, якщо відомо, на якій висоті повітря знаходиться. Нехай, наприклад, ця висота дорівнює 3000 м. Припустимо, що на рівні моря тиск дорівнює 1000 гПа (у середньому воно близько до цього значення). Тоді потенційна температура, тобто температура, із яким воно прийшло б на рівень моря, дорівнює його початковій температурі плюс 30 °С, тому що на кожні 100 м спуску температура повітря повинна зростати на один градус. За допомогою потенційної температури можна порівнювати тепловий стан мас повітря, що знаходяться на різних висотах над рівнем моря, тобто при різних тисках. Вираховуючи потенційну температуру цих мас, ми як би опускаємо їх на один рівень. 2. При зміні стану повітря по сухоадіабатичному закону потенційна температура повітря не змінюється.
Нехай, наприклад, повітря з температурою 10°С знаходиться на висоті 3000 м. Його потенційна температура, відповідно до сказаного вище, буде біля 40 °С. Припустимо тепер, що повітря спочатку адіабатично піднялося з рівня 3000 м на рівень 3200 м. При цьому його температура понизиться на 2 °С і стане 8°С. Але якщо тепер адіабатично опустити повітря на рівень моря, те воно нагріється вже на 32 °С і, отже, прийде на рівень моря з тієї ж температурою 40°С, що і є його потенційною температурою.
Тільки коли починається конденсація і виділяється теплота конденсації, потенційна температура зростає.

Вертикальний розподіл температури. Вище було зазначено, як змінюється температура у визначеній масі повітря, що адіабатично піднімається або опускається. Ні в якому разі не варто змішувати ці індивідуальні зміни з вертикальним розподілом температури в атмосфері. Температура в атмосферному стовпі може розподілятися по висоті різним способом. Цей розподіл не підпорядкований ніякій простій закономірності, і крива, що зображує цей розподіл у більш-менш товстому шарі атмосфери, у загальному випадку є складною кривою. Уявлення про розподіл температури з висотою дає вертикальний градіент температури, тобто зміна температури в атмосфері на одиницю висоти, звичайно на 100 м. Вертикальний градіент температури може змінюватися в досить широких межах. У нижніх 10 км у помірних широтах і в нижніх 15 км у тропіках він у середньому дорівнює 0,6°С/100 м. У нижніх сотнях метрів над нагрітою підстилаючою поверхнею він може перевищувати 1 °С/100 м, а в тонкому приземному шарі над перегрітою землею може бути в багато разів більше. Бувають і такі випадки, коли температура повітря з висотою не падає, а зростає. Такий розподіл температури називають інверсією температури. Інверсії особливо часті по ночах у приземному шарі, але зустрічаються на різних висотах і у вільній атмосфері. Якщо температура в повітряному шарі не змінюється з висотою, тобто вертикальний градіент її дорівнює нулю, то такий стан шару називають изотермією. Вище 10-15 км і до висоти біля 50 км вертикальний розподіл температури навіть у середньому є ізотермічним або інверсійним. Якщо температура повітря з висотою змінюється, то змінюється також і потенційна температура. Тільки у випадку, коли температура падає з висотою на 1°С/100 м, потенційна температура залишається з висотою незмінною. Це легко бачити із самих простих розумінь. При зазначеному градіенті температури з якого б рівня не була опущена повітряна частка на рівень моря, вона, адіабатично нагрівшись, одержить на рівні моря ту саму температуру. Це і виходить, що потенційна температура на всіх рівнях однакова. У випадку, коли вертикальний градіент температури менше 1 °С/100 м, що саме є звичайним, потенційна температура з висотою зростає. І тільки в тих випадках, коли вертикальний градіент температури більше 1 °С/100 м, потенційна температура з висотою убуває.
У ізотермічному шарі потенційна температура зростає з висотою на 1 °С на 100 м. Ще швидше зростає вона в шарі інверсії, тобто при зростанні температури з висотою.

Вітер і турбулентність. У залежності від розподілу атмосферного тиску повітря постійно переміщається в горизонтальному напрямку. Це горизонтальне переміщення називається вітром. Швидкість і напрямок вітру увесь час змінюються. Середні швидкості вітру в земної поверхні близькі до 5-10 м/с. Але іноді, у сильних атмосферних вихорах, швидкості вітру в земної поверхні можуть досягати і перевищувати 50 м/с. У високих шарах атмосфери, у так називаних струменевих течіях, регулярно спостерігаються швидкості вітру до 100 м/с і більше. До горизонтального переносу повітря приєднуються і вертикальні складові. Вони звичайно малі в порівнянні з горизонтальним переносом, порядку сантиметрів або десятих часток сантиметра в секунду. Тільки в особливих умовах, при так називаній конвекції, у невеликих ділянках атмосфери вертикальні складові швидкості руху повітря можуть досягати декількох метрів у секунду. Вітер завжди має турбулентність. Це значить, що окремі кількості повітря в потоці вітру переміщаються не по рівнобіжних шляхах. У повітрі виникають численні вихори, що безладно рухаються, і струмені різних розмірів. Окремі кількості повітря, що захоплюються цими вихорами і струменями, так називані елементи турбулентності, рухаються в усіх напрямках, у тому числі і перпендикулярно до загального або середнього напрямку вітру і навіть проти нього. Ці елементи турбулентності - не молекули, а великі об'єми повітря, лінійні розміри яких вимірюються сантиметрами, метрами, десятками метрів. Таким чином, на загальний перенос повітря у визначеному напрямку і з визначеною швидкістю накладається система хаотичних, безладних рухів окремих елементів турбулентності по складних траєкторіях, що переплітаються. Турбулентний характер руху повітря можна добре бачити, спостерігаючи за падінням сніжинок при вітрі. Сніжинки падають не вертикально вниз і не під тим самим кутом до вертикалі. Вони безладно танцюють у повітрі, те злітаючи нагору, те опускаючись, описуючи складні петлі. Це пояснюється саме тим, що сніжинки беруть участь у русі елементів турбулентності, тим самим роблячи цей рух видимим. Турбулентний характер вітру виявляється і при спостереженнях над поширенням диму в атмосфері. Турбулентність виникає внаслідок розходження швидкостей вітру в суміжних шарах повітря. Особливо велика вона в нижніх шарах атмосфери, де швидкість вітру швидко зростає з висотою. Але в розвитку турбулентності бере участь і так називана архімедова, або гідростатична, сила. Окремі кількості повітря піднімаються нагору, якщо їхня температура вище, а стало бути, густина менше, ніж температура і густина навколишнього повітря. Навпроти, кількості повітря більш холодні і щільні, чим навколишнє повітря, опускаються вниз. Таке перемішування повітря за рахунок розходжень щільності відбувається тим інтенсивніше, чим швидше падає температура з висотою, тобто чим більше вертикальний градіент температури. Тому можна умовно говорити про динамічну турбулентність, що виникає незалежно від температурних умов, і про термічну турбулентність (або конвекції), обумовленої температурними умовами. Однак у дійсності турбулентність завжди має комплексну природу, і вірніше говорити про більшу або меншу роль термічного чинника в її виникненні і розвитку. Турбулентність із переваженням термічних причин за певних умов більш-менш різко змінює свій «масштаб»: перетворюється в упорядковану конвекцію. Замість дрібних турбулентних вихорів, що рухаються хаотично, у ній починають переважати потужні висхідні рухи повітря типу токів або струмів, із швидкостями порядку декількох метрів у секунду, іноді понад 20 м/с. Такі потужні висхідні струми повітря називають терміками. Ними широко користуються планеристи, годинами знаходячись у повітрі, а про великих птахів нічого вже й говорити. Для них це рідна стихія, в якій вони можуть пересуватись на сотні і тисячі кілометрів. Поряд із ними спостерігаються і низхідні рухи, менш інтенсивні, але захоплюючі великі площі. З такою упорядкованою конвекцією зв'язане утворення потужних хмар вертикального розвитку - купчастих і купчасто-дощових (зливових). Для виникнення конвекції такого роду необхідно, щоб вертикальний градіент температури був близький до 1 °С/100 м або дещо більше того, принаймні до того рівня, починаючи з якого виникають хмари.

Тропосфера. Атмосфера складається з декількох концентричних шарів, що відрізняються один від іншого по температурних і інших умовах. Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, у якій зосереджено 4/5 усієї маси атмосферного повітря, зветься тропосферою. Для неї характерно спад температури з висотою в середньому на 0,65 °C/100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже уся водяна пара атмосфери і виникають майже всі хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так називаних струменевих течіях у верхній частині тропосфери. Висота, до якої простирається тропосфера, над кожним місцем Землі змінюється день у день. Крім того, навіть у середньому вона різна під різними широтами й у різні сезони року. У середньо річному тропосфера простирається над полюсами до висоти біля 9 км, над помірними широтами до 10-12 км і над екватором до 15-17 км. Середня річна температура повітря в земної поверхні біля 26°С на екваторі і біля -23 °С на Північному полюсі. На верхній межі тропосфери над екватором середня температура біля -70 °С, над Північним полюсом зимою біля -65 °С, а влітку біля -45 °С. Тиск повітря на верхній межі тропосфери відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна маса атмосферного повітря знаходиться саме в тропосфері. Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і клімату біля земної поверхні. Самий нижній тонкий шар тропосфери, товщиною 50-100 м, що безпосередньо примикає до земної поверхні, носить назву приземного шару.

Стратосфера і мезосфера. Над тропосферою до висоти 50-55 км лежить стратосфера, характерна тим, що температура в ній у середньому зростає з висотою. Перехідний шар між тропосферою і стратосферою (товщиною 1-2 км) зветься носить назву тропопаузи. Вище були приведені дані про температуру на верхній межі тропосфери. Ці температури характерні і для нижньої стратосфери. Таким чином, температура повітря в нижній стратосфері над екватором завжди дуже низька; притім улітку багато нижче, чим над полюсом. Нижня стратосфера більш-менш ізотермічна. Але починаючи з висоти біля 25 км температура в стратосфері швидко зростає з висотою, досягаючи на висоті біля 50 км максимальних, притім позитивних значень (від 1 до 5°С). Внаслідок зростання температури з висотою турбулентність у стратосфері мала. Водяної пари в стратосфері мізерно мало. Однак на висотах 22-27 км спостерігаються іноді у високих широтах дуже тонкі, так називані перламутрові хмари. Вдень вони не значні, а вночі здаються світними, тому що висвітлюються сонцем, що знаходиться під обрієм. Ці хмари складаються із переохолоджених водяних крапель. Стратосфера характеризується ще тим, що переважно в ній міститься атмосферний озон. З цього погляду вона може бути названа озоносферою. Зростання температури з висотою у стратосфері пояснюється саме поглинанням сонячної радіації озоном. 2. Над стратосферою лежить шар мезосфери, приблизно до 85-95 км. Тут температура з висотою падає до декількох десятків градусів нижче нуля (рис. 2). Внаслідок швидкого спаду температури з висотою в мезосфері сильно розвинута турбулентність. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (82-85 км), спостерігаються ще особливого роду хмари, що також висвітлюються сонцем у нічні години, так звані сріблясті хмари. Вони вперше спостерігались в червні 1885 року і потім були описані приват-доцентом В.К. Цераським. Скоріше за все, мабуть, вони складаються з крижаних кристалів, а ядрами конденсації (сублімації) для яких служать частки метеоритної речовини. На верхній межі мезосфери тиск повітря разів у 200 менше, ніж у земної поверхні. Таким чином, у тропосфері, стратосфері і мезосфері разом до висоти 80 км, знаходиться більше чим 99,5% усієї маси атмосфери. На шари, що лежать вище, припадає незначна кількість повітря.

Термосфера. Верхня частина атмосфери, над мезосферою, характеризується дуже високими температурами і тому зветься термосферою. У ній розрізняються, однак, дві частини: іоносфера, що простирається від мезосфери до висот порядку тисячі кілометрів, і лежача над нею зовнішня частина - екзосфера, що переходить у земну корону. Повітря в термосфері надзвичайно розріджене. Але і при такій малій щільності кожний кубічний сантиметр повітря на висоті 300 км ще містить біля одного мільярда (109) молекул або атомів, а на висоті 600 км - більше 10 мільйонів (107). Це на декілька порядків більше, ніж вміст газів у міжпланетному просторі.

Іоносфера, як говорить сама назва, характеризується дуже сильним ступенем іонізації повітря. Утримання іонів тут у багато разів більше, ніж у шарах, що нижче лежать, незважаючи на сильну загальну розрідженість повітря. Ці іони являють собою в основному заряджені атоми кисню, заряджені молекули окису азоту і вільні електрони. Їхнє утримання на висотах 100-400 км - порядку 1015-106 на кубічний сантиметр. У іоносфері виділяється декілька шарів, або областей, із максимальною іонізацією, особливо на висотах 100-120 км (шар Е) і 200-400 км (шар F). Але й у проміжках між цими шарами ступінь іонізації атмосфери залишається дуже високою. Положення іоносферних шарів і концентрація іонів у них увесь час змінюються. Спорадичні скупчення електронів з особливо великою концентрацією називаються електронними хмарами. Від ступеня іонізації залежить електропровідність атмосфери. Тому в іоносфері електропровідність повітря в загальному в 1012 разів більше, ніж у земної поверхні. Радіохвилі випробують в іоносфері поглинання, переломлення і відбиток. Хвилі довжиною більш 20 м узагалі не можуть пройти крізь іоносферу: вони відбиваються вже шарами з невеликою концентрацією іонів у нижній частині іоносфери (на висотах 70-80 км). Середні і короткі хвилі відбиваються іоносферними шарами, що лежать вище. Саме внаслідок відбитка від іоносфери можливий далекий зв'язок на коротких хвилях. Багатократний відбиток від іоносфери і земної поверхні дозволяє коротким хвилям зигзагоподібно поширюватися на великі відстані, огинаючи поверхню земної кулі. Тому що положення і концентрація іоносферних шарів безупинно змінюються, змінюються й умови поглинання, відбитки і поширення радіохвиль. Тому для надійного радіозв'язку необхідне безупинне вивчення стану іоносфери. Спостереження над поширенням радіохвиль саме є засобом для такого дослідження. У іоносфері спостерігаються полярні сяйва і близьке до них по природі світіння нічного неба - постійна люмінесценція атмосферного повітря, а також різкі коливання магнітного поля - іоносферна магнітна буря. Колір полярного сяйва залежить від того, який газ піддається бомбардуванню корпускулярними частками. Так, наприклад, азот дає яскраво-червоний, синій і фіолетовий кольори, а кисень - зелений і рожевий. Іонізація в іоносфері зобов'язана своїм існуванням дії ультрафіолетової радіації Сонця. Її поглинання молекулами атмосферних газів приводить до виникнення заряджених атомів і вільних електронів, про що говорилося раніше. Коливання магнітного поля в іоносфері і полярні сяйва залежать від коливань сонячної активності. З змінами сонячної активності пов'язані зміни в потоці корпускулярної радіації, що йде від Сонця в земну атмосферу. Температура в іоносфері зростає з висотою до дуже великих значень. На висотах біля 800 км вона досягає 1000°С. Говорячи про високі температури іоносфери, мають на увазі те, що частки атмосферних газів рухаються там із дуже великими швидкостями. Однак густина повітря в іоносфері так мала, що тіло, що знаходиться в іоносфері, наприклад, штучний супутник, не буде нагріватися шляхом теплообміну з повітрям. Температурний режим супутника буде залежати від безпосереднього поглинання ним сонячної радіації і від віддачі його власного випромінювання в навколишній простір.

Атмосферні шари вище 800-1000 км виділяються під назвою екзосфери (зовнішньої атмосфери). Швидкості руху часток газів, особливо легких, тут дуже великі, а внаслідок надзвичайної розрідженості повітря на цих висотах частки можуть облітати Землю по еліптичних орбітах, не зштовхуючись між собою. Окремі частки можуть при цьому мати швидкості, достатні для того, щоб перебороти силу тяжіння. Для незаряджених часток критичною швидкістю буде 11 200 м/с. Такі особливо швидкі частки можуть, рухаючись по гіперболічних траєкторіях, вилітати з атмосфери у світовий простір, зникати, розсіюватися, диссипувати. Тому екзосферу називають ще сферою розсіювання. Розсіюванню піддаються переважно атоми водню, що є пануючим газом у найбільш високих шарах екзосфери. 4. Недавно передбачалося, що екзосфера, і з нею взагалі земна атмосфера, кінчається на висотах порядку 2000-3000 км. Але зі спостережень за допомогою ракет і супутників створилося уявлення, що водень, що зникає з екзосфери, утворює навколо Землі так звану земну корону, що простирається більш ніж до 20 000 км. Звичайно, густина газу в земній короні мізерно мала. На кожний кубічний сантиметр тут доводиться в середньому усього біля тисячі часток. Але в міжпланетному просторі концентрація часток (переважно протонів і електронів) принаймні в десять разів менше. За допомогою супутників і геофізичних ракет встановлено існування у верхній частині атмосфери й у навколоземному космічному просторі радіаційного пояса Землі, що починається на висоті декількох сотень кілометрів і простягається ще на десятки тисяч кілометрів від земної поверхні. Цей пояс складається з електрично заряджених часток - протонів і електронів, захоплених магнітним полем Землі і які рухаються з дуже великими швидкостями. Їхня енергія - порядку сотень тисяч електрон-вольт. Радіаційний пояс постійно втрачає частки в земній атмосфері і поповнюється потоками сонячної корпускулярної радіації.

Повітряні маси і фронти. У процесі загальної циркуляції атмосфери повітря тропосфери розчленовується на окремі повітряні маси, що більш-менш довгостроково зберігають свою індивідуальність, переміщуючись з одних областей Землі в інші. У горизонтальному напрямку повітряні маси вимірюються тисячами кілометрів. Повітряні маси по своїх температурах і по інших властивостях носять на собі відбиток тієї області Землі, де повітряна маса сформувалася. Переважання в даному районі і той або інший сезон визначених повітряних мас створює характерний кліматичний режим цього району. Основними типами повітряних мас є чотири типи з різним зональним положенням центрів. Це маси арктичного (у південній півкулі - антарктичного), помірного (полярного), тропічного й екваторіального повітря. Для кожного з цих типів характерний свій інтервал значень температури в земної поверхні і на висотах, свої значення вологості, дальності видимості й ін. Звичайно, властивості повітряних мас, насамперед температура, безупинно змінюються при їхньому переміщенні з одних районів в інші. Відбувається трансформація повітряних мас. Повітряні маси, що переміщаються з більш холодної земної поверхні на більш теплу (звичайно з високих широт у низькі), називають холодними масами. На своєму шляху холодна повітряна маса викликає похолодання в тих районах, у які вона приходить. Але на шляху вона сама прогрівається, притім переважно знизу, від земної поверхні. Тому в ній виникають великі вертикальні градіенти температури, розвивається конвекція з утворенням купчастих і купчасто-дощових хмар і випаданням зливових опадів. Повітряні маси, що переміщаються на більш холодну поверхню (у більш високі широти), називаються теплими масами. Вони приносять потеплення, але самі прохолоджуються знизу, від чого в їхніх нижніх шарах створюються малі вертикальні градіенти температури. Конвекція в них не розвивається, переважають шаруваті хмари і тумани. Розрізняються ще місцеві повітряні маси, що довгостроково знаходяться в однім районі. Властивості місцевих мас визначаються нагріванням або охолодженням знизу в залежності від сезону. Суміжні повітряні маси розділені між собою порівняно вузькими перехідними зонами, сильно нахиленими до земної поверхні. Ці зони звуться фронтами. Довжина таких зон - тисячі кілометрів, ширина - лише десятки кілометрів. Нагору фронти простежуються на декілька кілометрів, нерідко до самої стратосфери.
Фронти між повітряними масами зазначених вище основних географічних типів називають головними фронтами, на відміну від менше значних вторинних фронтів між масами того самого географічного типу. Головні фронти між арктичним і помірним повітрям звуться арктичними фронтами, між помірним і тропічним повітрям - полярними фронтами, між тропічним і екваторіальним повітрям - тропічними фронтами. З фронтами зв'язані особливі явища погоди. Висхідні рухи повітря в зонах фронтів приводять до утворення великих хмарних систем, із яких випадають опади на великих площах. Величезні атмосферні хвилі, що виникають у повітряних масах по обидві сторони від фронту, приводять до утворення атмосферних збурень вихрового характеру - циклонів і антициклонів, що визначають режим вітру й інші особливості погоди. Особливо важливі в цьому відношенні полярні фронти. Про все це буде докладніше говоритися в наступному. Фронти постійно виникають і зникають (розмиваються) унаслідок визначених особливостей атмосферної циркуляції. Разом із ними формуються, змінюють властивості і, нарешті, втрачають свою індивідуальність повітряні маси.