Учение об атмосфере. Основные метеорологические элементы: эколого-климатическое значение и методы измерения

УЧЕНИЕ ОБ АТМОСФЕРЕ 
ОСНОВНЫЕ 
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ 
ЭЛЕМЕНТЫ: ЭКОЛОГОКЛИМАТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ 
И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Л.И. АЛЕКСЕЕВА
М.С. МЯГКОВ 
Е.К. СЕМЁНОВ 
Н.Н. СОКОЛИХИНА

Допущено Учебно-методическим объединением
по классическому университетскому образованию РФ
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки «Экология и природопользование»

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 551.5(075.8)
ББК 26.23я73
 
А47

Алексеева Л.И.
А47 
 
Учение об атмосфере. Основные метеорологические элемен ты: эколого-климатическое значение и методы измерения : учебное пособие / 
Л.И. Алексеева, М.С. Мягков, Е.К. Семёнов, Н.Н. Соколихина. — 
Москва : ИНФРА-М, 2021. — 280 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5c863163b4d2a8.92898948.

ISBN 978-5-16-014199-2 (print)
ISBN 978-5-16-106689-8 (online)
В учебном пособии дается характеристика основных метеорологических 
элемен тов как ведущих экологических факторов окружающей среды. Задания 
для самостоятельной работы, содержащиеся в конце каждой главы, способствуют формированию у студентов системы знаний и навыков обработки и анализа метеорологической информации, необходимых для решения актуальных 
задач экологии, в том числе задачи сохранения чистоты атмосферного воздуха.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 
стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование». Может быть полезно 
для студентов, обучающихся по направлениям 05.03.02 «География» и 05.03.04 
«Гидрометеорология».
УДК 551.5(075.8)
ББК 26.23я73

А в т о р ы :
Алексеева Л.И., кандидат географических наук, доцент, старший научный сотрудник Московского государственного университета имени 
М.В. Ломоносова;
Мягков М.С., кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры 
архитектурной физики Московского архитектурного института (государственной академии);
Семёнов Е.К., доктор географических наук, профессор, профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова;
Соколихина Н.Н., кандидат географических наук, доцент, доцент Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Р е ц е н з е н т ы:
Угрюмов А.И., доктор географических наук, профессор кафедры метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета;
Васильев А.А., доктор географических наук, главный научный сотрудник Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации;
Кислов А.В., доктор географических наук, заведующий кафедрой метеорологии и климатологии географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

ISBN 978-5-16-014199-2 (print)
ISBN 978-5-16-106689-8 (online)
© Алексеева Л.И., Мягков М.С., 
Семёнов Е.К., Соколихина Н.Н., 2019

Предисловие

Климат всегда был и остается одним из важнейших факторов 
географической среды: он оказывает большое влияние на все экзогенные геологические процессы, на существование органического 
мира как на суше, так и в водной среде. В последнее время проблема 
изменения состава атмосферы и климата и, наоборот, их воздействие на хозяйственную деятельность и самого человека встали 
в ряд важнейших экологических проблем. Начиная со второй половины XX в. техническая мощь, энерговооруженность человеческого 
общества и его вмешательство в природные циклы достигли таких 
масштабов, что человечество, по утверждению В.И. Вернадского, 
стало мощной геологической силой, которая способна преобразовать природу в более короткие сроки, чем крупномасштабные 
геологические процессы.
Поскольку атмосфера обладает множеством связей с остальными сферами Земли, вопрос о чистоте атмосферного воздуха 
занимает особое, очень важное место в системе охраны природы. 
При этом атмосфера выполняет разные функции. С одной стороны, она является механическим носителем примесей, способствуя их переносу, накоплению и перераспределению. С другой 
стороны, атмосфера — это тот резервуар, в котором происходят физические и химические превращения примесей. Следует помнить 
и о том, что атмосфера выступает не только в качестве источника 
загрязнения для других сфер, но и в качестве стока загрязняющих 
веществ, играя важную роль в их круговороте.
Выброс в атмосферу огромного количества антропогенных веществ различной природы приводит к деформации природных 
циклов, что уже породило такие глобальные экологические 
проблемы, как усиление парникового эффекта и связанное с этим 
потепление климата, закисление природной среды, истощение озонового слоя, дальний перенос примесей в атмосфере и некоторые 
другие. Таким образом, курс «Учение об атмосфере» является необходимым звеном в системе экологического образования. Целью 
курса является знакомство студентов с основами науки об атмосфере, с характером происходящих в ней физических и химических 
процессов и их взаимосвязей, с закономерностями климатообразования, а также с основными проблемами современной метеорологии и климатологии. Особое внимание уделяется тем метеорологическим процессам и явлениям, которые оказывают домини

рующее влияние на распространение и накопление загрязняющих 
веществ в воздушном бассейне, на рассеивающую способность атмосферы и на процессы ее самоочищения.
Настоящее учебное пособие призвано дать студентам представление о метеорологических элементах как о ведущих экологических 
факторах окружающей среды, по это му наряду с основными определениями для каждого элемента рассматривается его эколого-климатическое значение.
Важнейшей задачей курса «Учение об атмосфере» является развитие у студентов навыков эффективного использования метеорологической информации для решения прикладных задач экологии. 
Метеорологические и микроклиматические измерения являются 
неотъемлемой частью многих экологических исследований. Квалифицированный эколог должен знать, как организовать эти наблюдения, и при необходимости провести их. Поэтому в пособии 
большое внимание уделено устройству приборов и методам измерения метеорологических элемен тов, применяемым на метеорологической сети. С этой целью в конце каждой главы приводятся 
задания для практических работ, которые выполняются под руководством преподавателя. Проведение таких работ является не обязательным, но желательным для лучшего усвоения и закрепления 
изложенного материала.
Часть глав пособия посвящена некоторым практическим задачам, 
которые решаются с помощью материалов, являющихся обобщением 
данных наблюдений, — синоптических карт и аэрологических диаграмм. Эти сведения позволят студентам не только ориентироваться 
в многообразии информации, содержащейся на приземных и высотных картах погоды и на аэрологических диа граммах, но и использовать эту информацию для оценки рассеивающей способности 
атмосферы и выявления источников загрязнения.
Предлагаемое пособие может быть использовано самостоятельно и как необходимое дополнение к учебнику С.П. Хромова, 
М.А. Петросянца «Метеорология и климатология» — основному 
источнику по курсу «Учение об атмосфере», читаемому всем студентам, обучающимся по направлениям 05.03.02 «География» 
и 05.03.06 «Экология и природопользование». В результате изучения 
материала пособия студент будет:
знать
 
• основные метеорологические элемен ты, включая их физический 
смысл, способы измерения и эколого-климатическое значение;
 
• закономерности географического распределения климатов 
на земном шаре;

 
• современные проблемы метеорологии, имеющие общеэкологическое значение;
уметь
 
• организовывать и проводить метеорологические и микроклиматические наблюдения, необходимые при экологических исследованиях;
 
• пользоваться справочной климатической литературой;
владеть
 
• методами анализа первичной метеорологической информации 
с использованием ежедневных синоптических карт и аэрологических диаграмм;
 
• способами оценки биоклиматической комфортности.

Глава 1. 
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ 
КАК ОСНОВА ИЗУЧЕНИЯ ПОГОДЫ И КЛИМАТА

Наблюдения — основной метод, применяемый в метеорологии, поскольку последняя изучает атмосферные явления в их 
естественной обстановке. Само название «метеорология» (от греч. 
ταμετεωρα — «предметы в воздухе») было дано этой науке великим 
древнегреческим мыслителем Аристотелем. К этим предметам 
ученый причислял дожди и кометы, град и метеоры, радуги и полярные сияния. Со временем название «метеорология» осталось 
только за наукой, изучающей атмосферу.
Метеорологические наблюдения велись еще задолго до создания метеорологических приборов. В древности в Китае, Египте, 
Японии, странах Ближнего Востока, Индии, Греции люди наблюдали различные атмосферные явления, записывали или запоминали их и учитывали в своей хозяйственной деятельности. Причем 
это были не только качественные наблюдения — еще 2000 лет назад 
на Ближнем Востоке и в Китае измеряли количество выпавших 
осадков. В Корее такие измерения проводились 500 лет назад, 
а в Индии в III в. до н.э. даже существовали правила измерения 
осадков.
Первые метеорологические приборы — термометр и барометр — 
были созданы в конце XVI — начале XVII в. Предполагается, что 
над созданием термометра работало несколько ученых, но пальму 
первенства отдают великому итальянскому ученому-экспериментатору Галилео Галилею. Он же предложил идею барометра, который в 1644 г. создал его ученик Эванджелиста Торричелли — выдающийся итальянский физик, математик и изобретатель. Шкалы 
к термометру разрабатывались почти 200 лет. В 1710 г. появилась 
шкала Фаренгейта, в которой температура смеси снега и нашатыря 
была принята за 0°F, а нормальная температура человеческого 
тела — за 100°F. Температуре плавления льда по этой шкале соответствует 32°F, а кипения воды — 212°F. В 1742 г. во многих странах 
она была вытеснена шкалой Цельсия, или стоградусной шкалой 
(между точками замерзания и кипения воды она содержит 100 делений, в отличие от 180 по шкале Фаренгейта). Еще через 100 лет, 
в 1842 г., была предложена абсолютная температурная шкала, известная как шкала Кельвина. Ее нулевая точка, или абсолютный 

нуль (единственная реперная точка этой шкалы), представляет 
собой самую низкую температуру, которая возможна, поскольку 
при этой температуре молекулы полностью перестают двигаться. 
По шкале Цельсия это соответствует температуре –273,15°C, хотя 
на практике используется ее целое значение: –273°C. Единица абсолютной шкалы называется кельвином и по величине совпадает 
с градусом Цельсия.
Роль барометра как метеорологического прибора была осознана 
очень быстро. Заметим, что до ртутного барометра (сконструированного Торричелли) в начале 40-х гг. XVII в. бургомистром Магдебурга Отто фон Герике был изобретен водяной барометр. Именно 
опыты Герике доказали, что воздух имеет вес — недаром в переводе 
с древнегреческого название барометра означает «измеритель тяжести» (от греч. βαρος — «тяжесть», μετρεω — «измеряю»). Этот вес 
оказался огромен — на 1 см 2 любого находящегося на земле предмета воздух давит с силой 1 кг. Поскольку воздух действует на нас 
со всех сторон с одинаковой силой, мы это давление не ощущаем, 
однако резкое падение давления грозит поистине катастрофическими последствиями — например, при разгерметизации самолета 
или космического кораб ля на больших высотах человека может 
просто разорвать под действием его собственного внутреннего давления. Тот факт, что воздух не является невесомым (как это полагал 
Аристотель, давший начало науке об атмосфере), привел к формированию нового понимания атмосферы как самостоятельной газовой оболочки Земли.
Герике установил, что давление меняется со временем, а вместе 
с ним изменяется и погода: когда высота водяного столба уменьшается, начинаются дожди и сильные ветры, когда растет — устанавливается ясная солнечная погода. Таким образом, в XVII в. впервые 
появился количественный и, главное, точно измеряемый признак 
погодных изменений, т.е. был сделан первый шаг к прогнозированию погоды. В это же время были изобретены и сконструированы первые образцы и других важных метеорологических приборов: гигрометр, дождемер, флюгер и анемометр. Тогда же Академией экспериментирования в Тоскане была организована первая 
в мире сеть наблюдений, состоявшая из девяти станций и проработавшая с 1654 по 1667 г. Однако в то время никто не знал, как 
сделать метеорологическую информацию, поступающую из разных 
информационных источников, сравнимой, по это му дальнейшего 
развития эти наблюдения не получили. В 1723 г. секретарь Лондонского королевского общества Джеймс Джурин разработал 
инструкцию по наблюдению за погодой, в которой приводились 

форма стандартной таблицы замеров, перечень необходимых приборов и описание методик измерения температуры, давления воздуха, силы и направления ветра, которую он разослал более чем 
сотне ученых Европы. Вторая сеть метеостанций в Европе просуществовала до 1735 г.
В России сеть станций наблюдения за погодой появилась в период Великой Северной экспедиции, задуманной еще Петром I. 
В период с 1733 по 1744 г. в Сибири были организованы 24 метеостанции на территории от Екатеринбурга до Якутска. Инструкция 
для наблюдателей была составлена в 1732 г. Даниилом Бернулли — 
членом Петербургской Академии наук, одним из основоположников гидродинамики, принципы которой широко применяются 
в современных методах прогноза погоды. Благодаря наблюдениям, проводившимся на сибирской сети станций, были получены 
ценные научные материалы, однако сохранилась лишь незначительная их часть, и эти материалы — единственное свидетельство 
о климате Сибири в XVIII столетии.
В 1781 г. в Академии наук и изящной словесности курфюрста 
Пфальцского в Мангейме было основано первое в истории метеорологическое общество. Деятельность общества с самого начала 
ориентировалась на широкое международное сотрудничество: 
по его программе действовало 39 станций от Кембриджа в США 
до Урала (всего в России были организованы три метеорологические станции: в Москве, Санкт-Петербурге и на Пышминском заводе вблизи Екатеринбурга). Общество составило для наблюдений 
специальную инструкцию под названием «Указания наблюдателям». Была установлена единая форма записи, а для обозначения 
различных явлений погоды были введены специальные символы. 
Но главное заключалось в том, что в этой программе были указаны четыре единых срока наблюдений: 07, 11, 14 и 21 ч. Вся эта 
система получила вполне заслуженное название «гармонические 
наблюдения». Мангеймское метеорологическое общество просуществовало недолго (всего 12 лет), но его деятельность имела громадное значение. Она проложила путь для развития современной 
метеорологии, немыслимого без хорошо организованной сети наблюдений, а сами наблюдения дали материал для целого ряда позднейших важных исследований. Так, в 1820 г. немецкому физику, 
метеорологу и астроному Генриху Вильгельму Брандесу пришла 
идея нанести эти данные на географические карты. Таким образом 
появились первые синоптические карты, позволившие обнаружить 
существование областей низкого и высокого давления — циклонов 
и антициклонов. Они оказались весьма подвижными и двигались, 

как правило, с запада на восток. И хотя термин «синоптика» появился позже, именно Брандеса считают основоположником синоптической метеорологии.
В 1802–1803 гг. независимо друг от друга Жан-Батист Ламарк 
и Люк Говард предложили свои системы классификации облаков 
(см. главу 7). Именно Говард впервые ввел латинские названия 
для обозначения облаков, которые используются и в настоящее 
время, являясь едиными для метеорологов всех стран мира.
После конференции главных морских держав в Брюсселе 
в 1853 г., на которой обсуждались принципы метеорологических 
наблюдений на море, в Великобритании была создана должность 
метеоролога-статистика при Комитете по торговле. Так было положено начало первому в истории государственному метеорологическому ведомству — метеослужбе Великобритании.
Мощным толчком к дальнейшему развитию синоптической 
метеорологии, причем на качественно новом уровне, послужила 
катастрофа, разразившаяся 14 ноября 1854 г. в Балаклавской 
бухте во время Крымской войны. В этот день совершенно неожиданно на берег обрушилась буря невиданной силы, которая 
погубила почти весь флот англичан и французов. Убытки составили более 2 млн фунтов стерлингов, и по тем временам это был 
такой ущерб, что на метеорологию впервые обратили внимание 
не только ученые, но и государственные деятели. Военный министр Франции узнал, что за день до того, как буря разразилась 
над Балаклавой, она прошла над Средиземным морем, а значит, 
была не такой уж внезапной. Он обратился к известному астроному Урбену Леверье с просьбой изучить все обстоятельства возникновения Балаклавской бури. Запросив метеорологов и астрономов всех стран Европы о погоде 12–16 ноября 1854 г., Леверье 
проследил путь бури и понял, что пора создавать постоянную сеть 
метеорологических станций. Только она позволит быстро осуществлять сбор информации и оперативно оповещать моряков 
и население о надвигающейся непогоде. 16 февраля 1858 г. он 
представил проект такой сети станций императору Наполеону III 
и вскоре получил одобрение. Уже 19 февраля Леверье составил 
карту погодной обстановки, сформированную по данным, полученным в реальном времени. Это была первая в истории оперативная карта погоды.
Этой же идеей был буквально одержим в Великобритании адмирал Роберт Фицрой. Именно он был капитаном «Бигля», на котором в 1831–1836 гг. совершил кругосветное плавание вместе 
с Чарлзом Дарвином, после чего тот и разработал свою теорию 

о происхождении видов. Став после 1854 г. руководителем метеорологической службы, Фицрой организовал сбор телеграмм о погоде 
(напомним, что телеграф был создан С. Морзе в 1843 г.) и начал 
составлять карты погоды английских побережий. Это именно 
он назвал свои карты синоптическими (от греч. συνοψις — «обозрение»). На картах условными значками зарисовывалась погода 
всех пунктов, из которых приходили телеграммы, а также проводились изобары — линии одинакового давления и изотермы — 
линии одинаковой температуры. Фицрой составлял карты погоды 
для предсказания бурь на море, и его называли спасителем моряков. В то же время карты отражали погоду лишь на небольшой 
территории, да и сама информация была далеко не полной, по это му 
прогнозы часто бывали неудачными. Со временем газеты устроили 
настоящую травлю Фицроя и его метода, и адмирал, не выдержав, 
покончил с собой. Однако в истории метеорологии он навсегда 
останется образцом беззаветной преданности своему делу, человеком, поставившим цель спасти как можно больше жизней выше 
своего личного благополучия.
После Франции и Великобритании во многих странах Европы 
и в США также появились государственные метеорологические 
службы и институты. Однако погода не признает государственных 
границ, и вот уже в 1873 г. в Вене прошел первый международный метеорологический конгресс, решения которого имели 
далекоиду щие последствия. В метеорологии появилась единая 
система мер (не придерживались ее только Англия и США); были 
установлены общие сроки наблюдений, выработан единый телеграфный код для передачи метеорологических сведений. Наконец, 
на конгрессе была основана Международная метеорологическая 
организация (ММО), заложившая основы международного сотрудничества метеорологических служб многих государств мира.
Россия всегда была на передовых позициях в области метеорологии, во многом благодаря трудам М.В. Ломоносова, считавшего 
основной задачей этой науки «предсказание погод». Первые инструментальные метеорологические наблюдения в нашей стране 
начались еще в 1725 г. В 1834 г. была издана резолюция императора Николая I об организации сети регулярных метеорологических и магнитных наблюдений, и к середине XIX в. в России 
была создана образцовая метеорологическая сеть, насчитывающая 
50 метеорологических станций. В 1849 г. была учреждена Главная 
физическая обсерватория — основной методический и научный 
центр Гидрометслужбы России на протяжении многих лет (сегодня — Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова).