Пограничный слой атмосферы

Пограничный слой атмосферы представляет собой нижнюю часть тропосферы, в которой непосредственное влияние поверхности Земли определяет термодинамическое состояние, турбулентные процессы и движение воздушных масс. Толщина пограничного слоя изменяется во времени и пространстве: днём она может достигать 1–2 км, а ночью сокращается до 100–300 м. Динамика этого слоя регулируется сложным взаимодействием радиационного баланса поверхности, турбулентности, конвекции и фрикционных сил.

Особенность пограничного слоя заключается в высокой изменчивости параметров атмосферы — температуры, влажности, скорости и направления ветра — на относительно малых временных и пространственных масштабах. Именно в этом слое формируется микроклимат, влияющий на жизнь растений, животных и человека, а также на рассеивание загрязняющих примесей.

Структура пограничного слоя

1. Приземный (поверхностный) слой

  • Расположен на высоте порядка 10–100 м над поверхностью.
  • Характеризуется тем, что вертикальные градиенты температуры, скорости ветра и влажности наибольшие.
  • Здесь движение воздуха подчиняется логарифмическому закону ветра:

$$ u(z) = \frac{u_*}{k} \ln \left(\frac{z}{z_0}\right), $$

где u(z) — скорость ветра на высоте z, u* — так называемая динамическая скорость, k ≈ 0, 4 — постоянная Кармана, z0 — параметр шероховатости подстилающей поверхности.

2. Слой смешения

  • Основная часть пограничного слоя, в которой турбулентность обеспечивает выравнивание характеристик воздуха по вертикали.
  • Днём слой смешения активно прогревается и развивается за счёт восходящих конвективных потоков.
  • Ночью этот слой резко сокращается, так как турбулентность подавляется охлаждением поверхности.

3. Верхняя граница пограничного слоя

  • Определяется по максимуму турбулентной активности.
  • Может резко изменяться в течение суток: днём граница достигает 1–2 км, ночью опускается до сотен метров.
  • Отделяет турбулентный слой от более спокойной свободной атмосферы.

Суточная эволюция

Днём: солнечная радиация прогревает поверхность, что вызывает интенсивную конвекцию. Возникают термические вихри, перемешивающие воздух и создающие равномерное распределение температуры и примесей. Слой достигает наибольшей толщины.

Ночью: поверхность Земли охлаждается за счёт излучения. Воздух у поверхности становится более холодным, возникает температурная инверсия. Турбулентность подавляется, а в нижних десятках метров формируется устойчивый стратифицированный слой, где движение воздуха ограничено.

Переходные периоды (утро и вечер): происходят резкие перестройки структуры пограничного слоя. Утром восходящие потоки разрушают ночную инверсию, вечером турбулентность затухает, и устанавливается устойчивое стратифицированное состояние.

Турбулентность и её роль

Турбулентность является ключевым фактором обмена энергией, импульсом и веществами в пограничном слое. Она возникает из-за:

  • трения воздуха о поверхность,
  • конвекции вследствие нагрева или охлаждения,
  • орографических факторов (горные хребты, неровности рельефа),
  • антропогенного влияния (городская застройка, индустриальные зоны).

Важным параметром служит число Ричардсона:

$$ Ri = \frac{g}{\theta} \frac{\partial \theta / \partial z}{\left( \partial u / \partial z \right)^2 + \left( \partial v / \partial z \right)^2}, $$

где g — ускорение свободного падения, θ — потенциальная температура, u, v — компоненты скорости ветра.

  • Если Ri < 0, 25, турбулентность устойчива.
  • Если Ri > 1, турбулентность подавляется, и слой становится ламинарным.

Влияние подстилающей поверхности

Характеристики пограничного слоя существенно зависят от типа поверхности:

  • Моря и океаны обеспечивают более равномерное распределение температуры и влажности, слабую суточную изменчивость.
  • Леса и городские территории обладают высокой шероховатостью, что усиливает турбулентность и повышает толщину слоя.
  • Пустыни и снежные поверхности способствуют образованию сильных инверсий из-за резкого охлаждения ночью.

Значительную роль играет альбедо поверхности и её теплоёмкость: чем выше отражательная способность, тем слабее прогрев и, соответственно, развитие турбулентности.

Пограничный слой и экология

Пограничный слой является областью, где скапливаются и рассеиваются загрязнения атмосферы. При сильной турбулентности примеси быстро поднимаются и рассеиваются в объёме слоя. В условиях ночной инверсии концентрация загрязнений возрастает у поверхности, что может приводить к формированию смогов.

Городские «тепловые острова» изменяют структуру слоя: усиливается конвекция, возрастает вертикальный перенос, а высота слоя в городах зачастую выше, чем в сельской местности.

Методы исследования

Для изучения структуры и динамики пограничного слоя используют:

  • радиозондирование для измерения вертикальных профилей температуры, влажности и ветра;
  • лазерные лидары для диагностики турбулентных потоков и аэрозольных частиц;
  • метеомачты высотой до сотен метров для регистрации приземных характеристик;
  • спутниковые наблюдения для оценки состояния в глобальном масштабе.

Современные численные модели атмосферы включают специальные блоки параметризации процессов в пограничном слое, так как именно здесь сосредоточены наибольшие пространственные и временные градиенты.

Оглавление