Питання 1. Охарактеризуйте фазові перетворення води в атмосфері. Що таке сухо адіабатичний процеси, волого адіабатичний градієнт, рівень конденсації, конденсація і сублімація та їх умови?
Ответ:
В атмосфере Земли в каждый момент времени содержится около 0,001 % всех запасов воды планеты. Причем 95 % этого количества находится в виде пара и лишь 5 %— в виде продуктов конденсации. Всего с поверхности Земли за год испаряется около 5,2*1013 т воды. Основная масса ее испаряется с поверхности Мирового океана (4,5*1013 т). За год атмосферная влага обновляется примерно 40 раз за счет непрерывного кругооборота: испарение, конденсация и выпадение на поверхность в виде осадков.
Годовой ход абсолютной влажности совпадает с годовым ходом температуры. В северном полушарии, например, максимум приходится на июль, минимум — на январь.
Годовые вариации относительной влажности, напротив, имеют максимальные значения зимой, минимальные — летом.
На побережьях морей с муссонной циркуляцией наблюдаются отличные от приведенных суточные и годовые колебания. Максимальные значения характеристик влажности наблюдаются летом и зимой (во время летнего и зимнего солнцестояний), а минимальные — весной и осенью (во время весеннего и осеннего равноденствий).
Вода — самое распространенное и единственное вещество планеты, которое может находиться в естественных условиях сразу в нескольких фазовых соединениях: газообразном, жидком и твердом. Фазовое равновесие воды осуществляется при температуре около 0 °С и упругости пара е=6,1 гПа (рис. 1).
Точка 0, при значениях которой наступает метастабильное равновесие между льдом, жидкостью и паром, называется тройной точкой, а линии АО — линией таяния, СО — кривой испарения, ВО — сумблимации и В'О — насыщения над переохлажденной водой. Исследования показывают, что в гомофазной среде (содержащей только атмосферные газы и водяной пар) переход из газообразного в жидкое состояние (конденсация) молекул воды осуществляется лишь при четырехкратном перенасыщении воздуха водяным паром. Следовательно, в реальной (гетерофазной) атмосфере конденсация водяного пара возможна при соблюдении двух условий: достижении состояния насыщения и наличия частиц, способных выполнять роль подложек для укрупняющихся комплексов молекул водяного пара. Эти частицы носят название ядер конденсации (сублимации).
Рис. 1. Упругость насыщения водяного пара над водой СО, льдом ВО и переохлажденной водой В'О
По своей природе ядра конденсации подразделяются на четыре группы: наземные (частицы вулканической пыли, почвы, пыльца растений и пр.), промышленного происхождения (продукты горения, пары кислот, щелочей, солей и т. д.), частицы морской соли и неизвестные частицы (космические, продукты фотосинтеза и атмосферных химических реакций и пр.).
По размеру ядра конденсации подразделяются на ядра Айткена (10~4 см), метеорологические (от 10-4 до 10-3 см) и гигантские (> 10-3 см). Наиболее активными ядрами являются более крупные частицы, в первую очередь частицы морской соли, капли растворов кислот, щелочей и солей, а также твердые гигроскопические частицы. В 1 см3 воздуха содержится огромное число частиц, способных выполнять роль ядер конденсации. Над промышленными городами средняя концентрация ядер составляет около 150 000 в 1 см3. Сельский воздух содержит таких частиц около 10 000, морской и горный — до 1000 единиц в 1 см3. Вот почему туманы в городах возникают чаще и бывают интенсивнее, чем в сельской местности.
С высотой концентрация ядер конденсации быстро падает и на высотах 10 км, например, составляет не более одного на 1 см3 (т. е. соответствует числу капель в облаках на этих высотах).
Питання 2. Охарактеризуйте світлові явища в атмосфері; прозорість повітря, освітленість, дальність видимості, оптичні явища в хмарах і туманах, рефракція світлових променів.
Ответ:
Развитие облаков и выпадающие из них осадки в значительной мере изменяют характер погоды. Изменяются атмосферное давление, температура, ветровой режим, освещенность, электропроводность и другие характеристики. Кроме того, при определенных условиях в атмосфере могут наблюдаться различные оптические, электрические, акустические и др. явления, так или иначе связанные с облаками и осадками. Наиболее распространенными из них являются:
радуга — световая (радужная) дуга (дуги) радиусом 42°, 52°, окрашенная в спектральные цвета (по внешнему краю в красный, по внутреннему в фиолетовый), наблюдаемая на фоне неба и облаков в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке (точке линии, соединяющей центр солнечного или лунного диска с глазом наблюдателя). Радуга объясняется преломлением солнечных лучей при входе и выходе из капель и полным внутренним их отражением внутри капель. Яркость и интенсивность радуги зависят от преобладающего диа метра дождевых капель. Крупнокапельный дождь образует четкую и яркую радугу с ясным разделением цветов. Радуга на фоне тумана или облаков с мелкими каплями широкая^ блеклая или вовсе белая, размытая. Лунная радуга всегда белая, что объясняется свойствами человеческого глаза. Нередко наблюдается более слабая дополнительная дуга (дуги) радуги с обратным расположением цветов. При высоте Солнца 42° и более радуга не наблюдается вовсе. Чем ниже высота Солнца, тем выше и длиннее дуга радуги. Наблюдать радугу можно и в брызгах морских волн;
гало — могут возникать, как многообразные оптические явления, в ледяных облаках верхнего яруса, особенно в перисто-слоистых. Наиболее повторяющиеся их формы можно разделить на две группы. Слегка окрашенные в различные цвета (красный цвет располагается со стороны Солнца или Луны) — круги радиусом 22° и 46°, касательные дуги к ним, ложные солнца и гало; не имеющие окраски — горизонтальный круг, вертикальные столбы, проходящие через солнечный диск, кресты и др. Окрашенные гало объясняются преломлением света в шестигранных призматических кристаллах ледяных облаков, а неокрашенные (бесцветные) — отражением света от граней кристаллов. Разнообразие форм гало зависит главным образом от типов кристаллов, суммарного движения и пространственной ориентацией их осей (граней), а также от высоты Солнца;
венцы. В тонких капельно-жидких облаках, сквозь которые просвечивают Солнце или Луна, могут возникать радужные кольца — венцы. Венцы могут наблюдаться также в тумане вокруг искусственных источников света. Первый световой круг венца (ореол) непосредственно примыкает к свету, далее он сменяется концентрическими менее яркими цветными кольцами — венцами второго, третьего порядков. Размеры венцов колеблются от 1 до 10°. Венцы образуются за счет дифракции света при прохождении через мельчайшие капли и кристаллы облаков и туманов световых лучей;
глории — подобны венцам, но наблюдаются они в противоположной от Солнца или Луны стороне с центром в антисолярной точке. Это явление объясняется также дифракцией света, уже отраженного в капельках облаков так, что он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал.
Процессы испарения, конденсации и сублимации, коагуляции и дробления облачных элементов приводят к появлению в облаках и туманах огромного числа электрически заряженных частиц. Особенно сильные электрические заряды возникают в кучево-дожде-вых облаках, содержащих крупные капли и кристаллы. В силу преобладающих нисходящих и восходящих потоков в различных частях кучево-дождевых облаков происходит разделение зарядов, т. е. скопление электричества одного знака в разных областях грозовых облаков. Основания кучево-дождевых облаков, содержащих преимущественно крупные капли, несут суммарный положительный заряд. Центральная часть грозовых облаков имеет общий отрицательный заряд, а вершины их, состоящие из мельчайших ледяных кристаллов, заряжены также положительно. Напряженность электрического поля атмосферы в облаках и между облаками и землей (суммарный заряд Земли отрицательный) достигает огромных значений (порядка сотен киловольт на 1 м). Особо активные процессы разделения и концентрации противоположных зарядов приводят к возникновению между облаками, его отдельными частями или облаками и Землей искровых разрядов — молний, сопровождаемых звуковыми колебаниями — громом.
По виду молнии делятся на линейные, четочные, плоские и шаровые. Наиболее известна линейная молния, представляющая собой сильно разветвленную искру длиной 2—3 км при разряде между облаком и Землей и 15—20 км при разряде между облаками.
Сливающийся воедино молниевый разряд на самом деле состоит из 1—5 (иногда — нескольких десятков) чередующихся импульсов общей длительностью около 0,2 с. Молниевый разряд начинается лидером, который создает канал молнии, средний диаметр которого составляет 15—20 см. Сила тока в канале достигает сотен килоампер, а мгновенная мощность — миллионов киловатт. Температура газовых стенок канала молнии достигает 20 000°К. Мгновенный нагрев газа в молниевом канале приводит к резкому расширению воздуха, в результате чего возникают звуковые колебания — гром. Звуковой эффект усиливается образованием гремучего газа в канале молнии, так как за счет высоких температур вода разлагается на кислород и водород.
Молниевый разряд в судно может вызвать пожар, вывести из строя антенны или радиоприемные и передающие устройства, вызвать перемагничивание магнитных приборов и т. д. Для защиты от молний на судах применяют различной конструкции молниеотводы.
Дальность видимости. Различают геометрическую, оптическую и метеорологическую дальность видимости. Геометрическая дальность видимости АС (рис. 4) определяется кривизной Земли и светового луча и зависит от высоты наблюдателя и наблюдаемого объекта. Оптическая дальность видимости — это расстояние, на котором реальный объект при данных условиях погоды, освещения и наблюдения находится на границе восприятия зрением. Она зависит от прозрачности атмосферы, остроты зрения наблюдателя, свойств наблюдаемого объекта и фона, на котором наблюдается объект.
Рис. 2. Дальность видимости горизонта
Все указанные факторы весьма изменчивы, поэтому оптическую дальность видимости затруднительно применять в практических целях в качестве метеорологического элемента.
Метеорологическая дальность видимости — это минимальное расстояние, на котором днем теряется видимость абсолютно черного объекта, наблюдаемого на фоне неба у горизонта и имеющего угловые размеры более 20 мин.
Питання 3. Як організована Всесвітня служба погоди, які її функції і значення?
Ответ:
Метеорологическая сеть строится таким образом, чтобы для любой точки территории страны можно было с достаточной точностью получить данные о текущих условиях погоды и климате местности. В равнинных условиях для получения достаточно полной характеристики температурного режима необходимо иметь сеть станций, расположенных на расстоянии 50 км друг от друга, в горных местностях - меньше 30-40 км.
Результаты наблюдений метеорологических станций и постов в целях их сравнимости должны обладать достаточной степенью точности и однородностью. Это достигается путем использования однотипных, проверенных, одинаково на всех пунктах установленных приборов, проведением наблюдений по единой методике и в строго определенные сроки. Координацию работы метеорологических служб разных стран осуществляет Всемирная Метеорологическая Организация, ВМО.
Для успешного прогнозирования погоды синоптикам необходимо оперативно получать текущую информацию о погоде со всего мира. С этой целью в 1968 году была создана Всемирная Служба Погоды. На сегодняшний день почти 9000 метеорологических станций мира участвуют в международном обмене данными. Ежедневно каждые три часа в строго определенные сроки: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 час по всемирному времени наблюдатели выходят на метеорологическую площадку и с помощью различных приборов фиксируют скорость ветра, облачность, температуру воздуха и атмосферное давление. Они отмечают общий характер погоды, например, наличие дождя или тумана в данной местности. В крупных аэропортах наблюдения производятся ежечасно, а в некоторых - даже каждые полчаса! После этого данные зашифровываются специальным синоптическим кодом и передаются в региональные или областные Гидрометцентры. Оттуда данные поступают в межрегиональные центры и, в конце концов, оказываются в трех мировых центрах данных (Москва, Вашингтон, Мельбурн). Оттуда все эти сведения передаются метеослужбам всех стран мира для анализа, изучения, включения в модельные расчеты, построения синоптических карт и разработки прогнозов погоды.
Сведения о погоде в тех местах, где нет метеостанций, помогают собирать самолеты и корабли. Они снабжены аппаратурой, позволяющей фиксировать различные погодные условия по маршруту их следования. Также в труднодоступных районах, где невозможно постоянно держать наблюдателей за погодой, размещаются автоматические метеостанции. Показатели метеорологических приборов ежечасно считываются компьютером.
Температура, влажность и атмосферное давление на больших высотах измеряются с помощью приборов, именуемых радиозондами. Их поднимают на нужную высоту аэростаты (воздушные шары). Скорость и направление подъема зонда позволяют определить силу и направление ветра. По мере того, как зонд поднимается все выше, идут замеры температуры, влажности и давления воздуха.
Немаловажную роль в метеослужбе играют данные, получаемые с искусственных спутников Земли. Метеорологические спутники поставляют ученых важную информацию об общих тенденциях развития погоды, а также о характере облачного покрова. На спутниках установлены приборы, именуемые радиометрами, которые улавливают интенсивность отраженного света или тепла. Эти данные преобразуются в изображения (фотографии). Спутники играют важную роль в наблюдении за процессами образования погоды, особенно над большими океанами.
Для наблюдений за дождем, снегом и градом используются метеорадары. Они позволяют определить место и интенсивность выпадения осадков. Радары испускают радиоволны, которые, ударяясь о дождевые капли, отражаются от них и возвращаются на приемную антенну. После этого полученные данные преобразуются в изображение.
Питання 4. Які причини коливання рівня моря? У чому сутність приливних коливань, як вони відбуваються, що таке приливоутворююча сила?
Ответ:
Свободная поверхность океанов и морей называется уровенной поверхностью. Она определяет поверхность, перпендикулярную в каждой точке моря направлению равнодействующей всех сил, действующих на нее. Под влиянием ряда природных сил поверхность Мирового океана испытывает колебание, отклоняясь от среднего многолетнего значения.
Непериодические колебания уровне подразделяются на две группы:
1. Анемобарические, вызываемые действием метеорологических факторов — ветра и атмосферного давления.
Под воздействием ветра происходят сгонно-нагонные колебания уровня. В результате перемещения барических систем возникают длинные волны, движущиесся в поле ветра. Такие волны вызывают штормовые нагоны. Инерционные колебания водных масс, возникающие как реакция на ослабление или прекращение сил, нарушавших равновесие масс в водоеме, называются сейши.
2. Сейсмические (цунами), сформированные резким понижением или повышением дна во время землетрясений, возникающие в результате сброса в воду больших масс грунта или льда, порожденные взрывами в результате подводных извержений вулканов или искусственных взрывов большой мощности.
Сгонно-нагонные колебания уровня. Такие колебания возникают под действием касательного напряжения ветра на поверхность моря вблизи берегов или внутри заливов.
Согласно теории прибрежной циркуляции и непосредственным наблюдениям сгонно-нагонные колебания уровня вызываются составляющей суммарного потока, которая направлена перпендикулярно береговой полосе и определяется из соотношения
где Ф — суммарный поток ветрового течения;
— угол между направлением ветра и береговой полосой.
Большое значение на величину сгона и нагона оказыва-
ют глубина прибрежной зоны и направление ветра по отношению к линии побережья.
На рис. 4 приведены различные случаи сгона и нагона у приглубого берега (H > D). Изменение наклона уровня происходит до тех пор, пока нормальная составляющая к берегу ветрового потока не уравновесится равной по величине и обратной по направлению составляющей градиентного потока Фг.
Рис. 4. Сгон и нагон у приглубого берега
Максимальный нагон и сгон вод наблюдаются в этом случае при ветре и, дующем вдоль береговой черты. Сгонно-нагонные колебания отсутствуют при ветре, дующем перпендикулярно берегу.
В мелководных прибрежных районах 
суммарный поток ветрового течения практически идет по ветру. Поэтому у отмелого берега максимальные сгонно-нагонные колебания будут наблюдаться при ветре, дующем по нормали к берегу. При направлении ветра вдоль береговой полосы сгонно-нагонные колебания отсутствуют.
Для отдельных районов морей составляются эмпирические формулы расчета сгонно-нагонных колебаний. Так, для Черного и Азовского морей используется формула
где 
— величина изменения уровня в заданной точке побережья, см(через 6ч);
— разность уровней открытого моря и в данном пункте побережья в срок составления прогноза, см;
и —скорость ветра за этот же срок, м/с;
а и b — эмпирические коэффициенты для данного пункта.
В проливах, заливах, бухтах величина сгонно-нагонных колебаний зависит от размеров, формы и характера рельефа дна. Большие разности уровней возникают у противоположных берегов перешейков, кос, полуостровов, когда ветер одного и того же направления создает у наветренного берега нагон, у подветренного — сгон.
Колебания уровня, вызываемые изменениями атмосферного давления. Такие колебания проявляются в виде статической реакции гидросферы на изменение давления атмосферы, а также появления динамического эффекта изменения атмосферного давления и уровня. В первом случае наблюдается обратная связь между изменениями давления 
и уровня 
Если давление увеличивается на 1 мб, то уровень понижается на 1,33 см, а при понижении давления на 1 мб уровень на такую же величину повышается.
Во втором случае изменение уровня происходит вследствие возникновения вынужденных барических волн непосредственно в области движения фронта или циклона.
Если после возникновения вынужденной барической волны она уходит из-под влияния циклона вследствие изменения его траектории относительно береговой полосы или изменения глубины моря Н, то в дальнейшем она распространяется как волна свободная со скоростью 
Аномально высокие подъемы уровня создаются совместным воздействием резких изменений давления в передней или тыловой частях циклонов, а также интенсивных ветров, которые совпадают по направлению с движением барической волны (штормовые нагоны). В суживающихся заливах с уменьшающимися глубинами штормовые нагоны приводят к катастрофическим наводнениям.
В ряде портов на побережье различных континентов наблюдается периодическое движение масс воды, направленное то в одну, то в другую сторону, получившее название тягун. При этом явлении суда, стоящие на якорях и у причалов, совершают ритмические движения синхронно с потоками воды, зачастую срываются с якорей, обрывают швартовы, разрушают борта о стенки причалов, а иногда и сами причалы.
Большинство ученых объясняют явление тягуна как следствие резонанса, вызывающего собственные колебания воды в гавани — сейши. Причиной, вызывающей резонансные явления в гавани, является долгопериодная зыбь с периодами, измеряемыми минутами. Появление длиннопериодной зыби связывают с перемещением над морем барических формаций, сопровождаемых атмосферными фронтами. Перепады давления во фронтальной зоне барических формаций при одновременном действии ветра вызывают появление спектра волн, в том числе и долгопериодной зыби.
Нужно иметь в виду, что длиннопериодная зыбь является резонатором собственных колебаний в гавани и, если периоды собственных колебаний бассейна не совпадают с периодами долгопериодной зыби, тягуна не будет.
Период собственных колебаний бассейна
где L — длина бассейна, км;
g —ускорение свободного падения, м/с2;
H ср — средняя глубина бассейна, м.
Следует также отметить, что при появлении тягуча в районе порта почти всегда существует обычная короткопериодная зыбь (5—20 с).
Питання 5. Як проводиться розрахунок елементів вітру і хвилювання по приземним картам? Привести прилади розрахунку на фрагменті карти.
Ответ:
Карты погоды, передаваемые по каналам связи посредством факсимильной аппаратуры, называются факсимильными. Из всех видов гидрометеорологической информации, поступающей на суда, факсимильные карты дают наиболее всеобъемлющий и объективный обзор состояния погоды.
В настоящее время региональные гидрометеорологические центры составляют и передают в эфир огромное количество разнообразных карт.
Ниже приведен список карт, наиболее информативных для нужд мореплавания.
1. Приземный анализ погоды. Карта составляется на основе приземных метеорологических наблюдений в основные сроки.
2. Приземный прогноз погоды. Показывает ожидаемую погоду в указанном районе через 12, 24, 36 и 48 ч.
3. Приземный прогноз малой заблаговременности. Приводится ожидаемое положение барических систем (циклонов, антициклонов, фронтов) в приземном слое на последующие 3—5 дней.
4. Карты абсолютной топографии АТ5оо- На ней изогипсами представлено барическое и ветровое поля на высоте около 5,5 км. Составляются как фактические, так и прогностические карты на срок от 12 до 72 ч.
Эти карты могут быть использованы при самостоятельном прогнозировании.
5. Анализ поля волнения. Эта карта дает характеристику поля волнения по району (направление распространения волн, их высоту и период). Карты строятся по данным наблюдений за волнением или по расчетам элементов волн по полю ветра.
6. Прогноз поля волнения. Показывает прогнозируемое поле волнения на 24 и 48 ч (направление волнения и высоту преобладающих волн).
7. Карты анализа и прогноза температуры воды. На этих картах дан анализ и прогноз поля температуры поверхности моря за определенный период осреднения (пятидневку, декаду).
8. Карта относительной топографии ОТ,0оо- На этой карте изогипсами представлено поле температуры воздуха на высоте около 5,5 км. Может быть использована в прогнозе синоптического положения.
9. Карта ледовых условий. Показана ледовая обстановка в данном районе (сплоченность, кромка льда, полыньи и другие характеристики) и положение айсбергов.
На рис. 5.1 приведена факсимильная карта погоды за 00 ч 24 апреля, составленная и переданная гидрометцентром Брэкнелла (Великобритания), а на рис. 5.2—прогностическая карта погоды на 72 ч (на 00 ч 28 апреля).
Рис. 5.1
Рис. 5.2
Учитывая необходимость информации о состоянии моря для мореплавания, многие региональные гидрометеорологические центры в настоящее время составляют и передают фактические и прогностические карты волнения. На этих картах приводятся сведения о высоте волн в метрах (на картах США — в футах) и направлении волнения.
Сведения о высоте преобладающих волн даются в виде линий равных высот. Области экстремальных значений высот волн выделяются замкнутыми изолиниями и обозначаются соответственно МАХ и MIN.
Пример построения прогностической карты волнения на 24 ч показан на рис. 5.3.
В последние годы в мореплавании все шире используются факсимильные карты нефелометрического анализа (карты погоды по данным спутников). При использовании телевизионных снимков для нужд мореплавания может быть получена важная и обширная информация о тропических циклонах, фронтальных циклонах и антициклонах, атмосферных фронтах, воздушных массах, облачности, ледовых условиях и волнении.
Рис. 5.3 Прогноз поля волнения на 24 ч
Анализ снимков выполняется в такой последовательности:
1. «Поднимается» береговая черта, определяются координаты характерных объектов суши.
2. Приводится привязка телевизионных снимков по географическим объектам.
3. Выделяются районы моря и океана с характерными облачными массивами и покрытые льдом.
4. Оцениваются характерные особенности в изображении облачного массива или ледового покрова.
5. Определяются характеристики облачного массива или льда.
6. Выделяются зоны штормового волнения.
Карты нефанализа особенно ценны в тех случаях, когда штатная гидрометеорологическая информация недостаточна или вовсе отсутствует.
6. Задача. На мостике высотой 26 м над уровнем моря отсчет барометра-анероида 748,5 мм. Температура +19 ° С. С паспорта прибора выбраны: исправление шкалы +0,2 мм; дополнительное исправление +0,1 мм; температурный коэффициент -0,05. Определить исправлен атмосферное давление на уровне моря (в гПа и мм).
Решение:
1. Показание барометра-анероида с учетом поправок:
Р1 = Рбар – DPшк – DPдоб - DP
P1 = 748,5 – 0,2 - 0,1 - (-0,05*19) = 749,15 мм
2. Приведение давления к уровню моря:
Р = P1 + DРz = 749,15 + 2,6 = 751,4 мм
Барическая ступень 10 мм на 1 мм рт. ст
DРz = 26 / 10 = 2,6 мм рт.ст
1 мм рт.ст = 133,322 Па = 1,33 гПа
Приведение давления к уровню моря:
Р = 751,4 мм рт ст = 999,4 гПа
Задача. Определить направление и скорость истинного ветра (графически), если настоящий курс судна 204 °, скорость 20,4 вуз, ветер 115° - 9,6 м / с.
Решение:
Строим линию N – S. Откладываемлинию курса ИК = 204о и направление кажущегося ветра 115о. Строим паралелограм. ОD есть направление и скорсть истинного ветра.Истинное направление ветра 68о, истинная скорость ветра Vи = 13,8 м/с
