Урок "Климат и погода московского мегаполиса"

Разделы: Биология, География, Экология


Тип урока: Урок-лекция.

Цели урока:

  • обобщение знания учащихся по данной теме;
  • формирование умения анализировать космические снимки с применением космических технологий и применять их результаты в реальной жизни;
  • развитие мышления (умение экстраполировать, сравнивать, обобщать);
  • развитие межпредметных связей в изучении математики, географии, физики и ИКТ;
  • формирование ответственного отношения к учебному труду;
  • формирование информационно-коммуникативных компетенций.

Оборудование к уроку:

  • современный компьютер используется для работы в ГЭП "Космические технологии, экология и безопасная энергетика в школе будущего" для получения снимков из космоса с помощью установленной спутниковой антенны и дальнейшего использования обработанных данных в учебном процессе и в проектной деятельности обучающихся;
  • учебное пособие;
  • тетрадь для записей;
  • картографический атлас по курсу "Экология Москвы и устойчивое развитие". 

Ход урока

Вопросы к уроку:

1. Каков климат в Москве?

2. Каково состояние атмосферы в городе?

3. Что влияет на погоду больше всего?

Объяснение нового материала:

Осенью 2007 года в кабинете №59 нашей гимназии №1520 имени Капцовых города Москвы установили спутниковую антенну, солнечную батарею, декодер и компьютерную программу, позволяющую получать из космоса снимки земной поверхности. Появилась возможность решать в системе он-лайн различные экспериментально-практические задачи (определять уровень облачности, направление ветра, прогнозировать погоду и рассматривать другие интересные проблемы, связанные с экологическими проблемами в Москве и в целом в стране!).

img3.jpg (21748 bytes)

Климат Москвы

Московская агломерация расположена в поясе умеренно континентального климата со следующими среднегодовыми показателями: температура - 3-3.5° (за прошедшее столетие отмечена тенденция к повышению температуры воздуха), осадки - 500-650 мм, годовая амплитуда температур - 28°, число дней со среднесуточной температурой выше 0° - 210-214, продолжительность безморозного периода - 120-135 дней (с 1927 по 1977 год она увеличилась на 75 суток, что свидетельствует о потеплении климата в Москве). Наибольшее количество осадков приходится на весенне-летний период. Зима длится 4,5 месяца (с середины ноября по март включительно), обычно пасмурная или облачная, с частыми снегопадами. Средняя температура января -10,5 - -11,0° (min -42°). Лето умеренно теплое и довольно влажное (cр. темп. июля 17,5-18,0°, max 36-38°).

На территории города естественный ход температуры, солнечного сияния, распределения осадков и других метеорологических факторов значительно меняется. Возникающий над большим городом "остров тепла" выражен в Москве достаточно отчётливо (температура в целом по городу на 1,5-2° выше, чем в окрестностях). Наиболее характерные причины изменения климата территории города - загрязнение воздуха и высвобождение тепловой энергии в производственных процессах. Повышенное выделение тепла городом приводит к образованию теплового купола, состоящего из более прогретого и насыщенного аэрозолями воздуха. Он особенно резко выражен в зимнее и летнее время (в переходные сезоны года, когда преобладает ветреная погода, температурные инверсии - повышение температуры воздуха с высотой вместо ее убывания - образуются реже).

Зимой влажный воздух в условиях антициклона и температурной инверсии, может образовывать ядовитый туман грязно-жёлтого цвета, в котором скапливаются вредные газы и пыль ("влажный смог"). Летом в условиях сухой антициклонической погоды нередко образуется "сухой смог" - синеватая дымка над городом (дополнительный нагрев от асфальта, каменных зданий, способствует разрушению приземной инверсии над городом, усилению турбулентности (вихревых потоков), переносу выбросов на высоту 200-400 м). Формирование смога происходит в результате ультрафиолетового облучения выхлопных газов, из которых образуется очень ядовитый оксид азота (II) и атомарный кислород, являющийся сильным окислителем.

Загрязнение атмосферных осадков

В результате прогрессирующего загрязнения атмосферного воздуха, деградации лесопаркового защитного пояса состав дождей и снега в городе всё более отличается от фонового. Повышается кислотность дождей (зафиксировано значение рН ниже 4,2), также меняется их химический состав. Пробы снега могут содержать до 30-40 г/л хлоридов натрия и калия. Атмосферные осадки содержат высокие концентрации тяжёлых металлов.

Метеорологические условия и загрязнение атмосферы

Показатели уровня загрязнения атмосферного воздуха определяются двумя факторами - метеорологическими особенностями года и величиной антропогенных выбросов промышленных предприятий и автотранспорта.

Метеорологические условия, такие как скорость ветра, состояние воздушной массы, перемешивание воздуха с высотой определяют, насколько выброшенные загрязняющие вещества будут рассеиваться или накапливаться в атмосферном воздухе. В условиях постоянной величины выбросов уровень загрязнения воздуха (среднесуточные и максимальные концентрации) может меняться в разы только за счет влияния метеоусловий.

Фактическое число периодов с повышенным загрязнением, длительность и уровень загрязнения определяется во многом неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ - это различные метеорологические условия или их сочетания, под влиянием которых происходит накопление примесей в местах их выбросов). В 2009 году такие условия складывались в течение 63 дней, что больше, чем в 2008 году на 20%. Наиболее значимые периоды с НМУ отмечались в первой половине января, феврале, июне и июле, сентябре.

Установлены метеорологические условия, способствующие накоплению вредных примесей над Москвой и развитию теплового купола. Это малоподвижные антициклоны и возвышения на поверхности земли, способствующие снижению скорости ветра (менее 5 м/с); "размытое" поле повышенного давления. Антициклоном называют область высокого атмосферного давления, с максимальным давлением в центре и уменьшением давления к периферии области. Обычно антициклоны достигают 3000 километров в поперечнике, и характеризуются опусканием теплого воздуха, а также понижением относительной влажности воздуха. В летний период антициклон приносит жаркую, малооблачную погоду с редкими и непродолжительными дождями.

В зимний период стабильный характер антициклонов способствует морозной погоде и возникновению туманов. Рассеянию примесей способствуют циклоны, ложбины, в которых ветра достигают скорости более 5 м/с, быстродействующие антициклоны. Циклон - это область пониженного давления в атмосфере с минимумом в центре. Циклоны представляют собой огромные вихри диаметром до нескольких тысяч км, образующиеся в умеренных и полярных широтах обоих полушарий преимущественно на полярных и арктических (антарктических) атмосферных фронтах. При циклонах преобладает пасмурная погода с сильными ветрами.

Москве в этом отношении повезло - зимние антициклоны над столицей становятся все менее устойчивыми.

Из-за задымлённости и загазованности воздуха в город поступает меньше солнечной радиации. Аэрозоли рассеивают в атмосфере излучение, что в конечном итоге приводит к повышению количества осадков, чаще наблюдаются туманы, вследствие появления в воздухе частиц пыли, соединений серы и азота.

Большое значение для городов имеет роза ветров (их преимущественное направление в течение года). Так, в столице основные производственные зоны располагаются в восточной половине города, поэтому преобладающие западные ветры выносят выбросы предприятий за пределы города.

В решении вопроса о создании комфортной среды в городе важное место занимают исследования температурно-ветрового режима районов строительства. Город несколько изменяет ход распределения температур по территории. Установлена определённая связь между температурой воздуха, направлением и скоростью ветра. Эти данные имеют значение для расчёта ветроохлаждения зданий и планировки внутриквартальных пространств. Увеличение в условиях застройки скорости ветра на 1-2 м/с приводит к образованию зон дискомфорта в зимнее время.

Влияние города на климат ещё недостаточно хорошо исследовано. Однако очевидно, что изменение климата на территории города и в его окрестностях усиливает и экзогенное воздействие на геологическую среду (повышенная влажность, увеличение количества осадков, повышение среднегодовой температуры, "кислотные дожди"), вызывает интенсификацию процессов размыва, выщелачивания, способствует возникновению природно-техногенных процессов, определяет погоду столицы.

Изучение и анализ облачности по космическим снимкам, полученным с помощью спутниковой системы.

В природе существуют различные облака. Они влияют на состояние атмосферы.

Некоторые облака действительно кажутся серебристыми - светлые, легкие, прозрачные. Ученые наблюдают их уже более ста лет. Неизвестное раньше явление в земной атмосфере - серебристые облака - было открыто в июне 1885 года. Высота серебристых облаков - от 75 до 90 километров Сейчас хорошо известно, что серебристые облака плавают в земной атмосфере на высотах, в области так называемой мезопаузы. Этот атмосферный слой характерен крайне низкими температурами, доходящими до минус 140°С. Такой холод объясняется тем, что земное излучение сюда почти не доходит, а для излучений Солнца на этих высотах нет поглотителей (ниже таким поглотителем служит озон, а выше - атомарный кислород). Более всего здесь понижается температура летом, и притом в средних широтах, таковы особенности циркуляции и теплообмена в верхней атмосфере. Вот почему серебристые облака надо наблюдать именно летом и в средних широтах. (То же самое и в Южном полушарии). На вид серебристые облака похожи на обычные перистые: такие же волнистые "гребешки", длинные полосы, иногда завихрения, похожие на птичьи перья. Но в отличие от перистых облаков, которые видны днем, серебристые видны лишь во время навигационных сумерек (угол погружения Солнца под горизонт - 6-12°) на фоне сегмента зари. В это время видны наиболее яркие звезды (не только первой, но и второй-третьей звездной величины). Длительность этих сумерек различна в различные месяцы лета и зависит также от широты места. Выходя за пределы сегмента зари, который хорошо виден низко на севере, серебристые облака пропадают, становятся невидимыми, потому что их уже не освещает Солнце. Перистые и другие облака, плавающие в тропосфере, в сумерках выглядят темными силуэтами.

Исследования облаков.

Длительные исследования серебристых облаков - инструментальные наблюдения методами фотометрии, поляриметрии, спектроскопии, а также и теоретические расчеты привели ученых к заключению, что эти облака, подобно перистым, состоят из мельчайших кристалликов льда. Весьма вероятно, что ядрами конденсации для намерзания льда служат частицы метеорной пыли, проникающие в нашу атмосферу из космического пространства или образующиеся в результате разрушения в атмосфере метеоритов.

В поседение годы серебристые облака изучают не только с Земли, но и из космоса. Их наблюдали многие советские космонавты с борта орбитальной станции "Салют". Было установлено, что слабая дымка серебристых облаков образуется не только над средними широтами, но и в экваториальном поясе. Наблюдения серебристых облаков, дающие науке ценные сведения о ветре на больших высотах, вполне посильны и любителям астрономии. Для этого не надо никаких сложных приборов и приспособлений. Требуется хорошее зрение, глазомер, а из приборов - обычный любительский фотоаппарат и бинокль. Также с успехом применяются и космические технологии.

Синоптические наблюдения.

Задача в том, чтобы фиксировать, есть серебристые облака в северном секторе неба или их нет. Наблюдения надо вести весь период видимости серебристых облаков, а именно: с конца мая до середины августа, в часы навигационных сумерек. Для этого при ясной погоде осматривают северный горизонт через каждые полчаса (если серебристые облака появились, то через каждые 15 минут). В соответствующей графе журнала наблюдений против отметки времени, если серебристых облаков нет, пишут слово "нет" либо слово "да", если они видны. В случае, когда наблюдатель не вполне уверен в том, что он видит серебристые облака (мешает свет Луны, проходящие тропосферные облака и т.д.), он ставит вопросительный знак: "есть?", "нет?". При абсолютной уверенности можно поставить восклицательный знак: "есть!", "нет!". В особой графе наблюдатель отмечает, свободен ли сумеречный сегмент неба от облаков нижнего яруса, а если закрыт, то на какую долю (30%, 70% и т.д.). Журнал наблюдений необходимо вести тщательно, аккуратно. Все записи делают карандашом, причем нельзя его стирать или замазывать. Если при записи допущена ошибка, надо аккуратно зачеркнуть неверное слово или число и сверху написать то, что нужно, чтобы можно было понять, какое исправление сделано. Все записи, которые внесены после сеанса наблюдений, делают шариковой ручкой (это могут быть какие-либо дополнения или уточнения, например, запись о том, что параллельно велось фотографирование облаков, что наблюдения прерваны из-за дождя, что в такое-то время взошла Луна и т.п.).

Определение структуры облаков.

(Таблица 1 "Характеристика облаков" стр. 15, Методика использования малогабаритного приемника спутниковой информации; В.Гершензон, М.Шахраманьян, Г.Дадаева, А.Епихин, А.Силкин)

Различают четыре основных класса серебристых облаков: флер, полосы, волны, вихри. Флер - это тонкая дымка, более или менее однородная. Часто флер сочетается с другими формами - заполняет промежутки между полосами и гребнями. Но нередко бывает виден только флер. Чтобы его сразу разглядеть, нужен некоторый опыт наблюдений. Полосы, параллельные горизонту, - это, пожалуй, основная форма серебристых облаков. Реже появляются полосы, наклоненные к горизонту или перекрещивающиеся.

Волновые образования имеют вид гребней волн. Их принято делить на три подкласса: гребешки (короткие, идущие на небольших расстояниях параллельно друг другу), гребни (более длинные и часто иначе ориентированные, чем маленькие гребешки), волнообразные изгибы, накладывающиеся на другие образования так, что вся система облаков словно колышется на большой волне. Вихри - облака этого класса, пожалуй, самые эффектные, но встречаются они реже других. Вихревые образования порой напоминают причудливые перья диковинных птиц, иногда похожи на "воронки" с темной серединой.

Отмечать появление перечисленных здесь морфологических форм серебристых облаков следует в особой графе в журнале. Наблюдения эти можно вести параллельно с синоптическими или фотографическими. Классифицировать формы можно и по фотографиям.

Выводы:

В результате проводимых исследований удалось:

- научиться визуально сопоставлять увиденное с Земли и полученное на космических снимках,

- находить соответствие реальных погодных проявлений и возможных изменений их по прогнозам с метеоснимков;

- прогнозировать погоду и направление движения ветра по Европейской территории России.

Таким образом, цели урока достигнуты.

Дети научились анализировать космические снимки и применять их результаты в реальной жизни.

Домашнее задание - параграф №17.