Методические рекомендации к занятияю элективного курса для учащихся 9-го класса "Физика в окружающей природе" по теме "Облака"

Ведущий:

Я землей рождено, я водой вспоено,
Взращено средь небесной равнины,
Отдыхаю в горах, исчезаю в морях;
Я меняюсь, но нет мне кончины.
П. Шелли (англ. поэт)

В этих строках много не только поэзии. В них также отражена физика красивого и удивительного явления природы, называемого облаком.

I-я страница. Лирики о физике.

Красота и причудливость облаков, необычные сочетания форм и оттенков всегда привлекали внимание, восхищение людей, будили их воображение, рождали разнообразные картины.

Вспомним у В.В. Маяковского:

Плыли по небу тучки.
Тучек четыре штучки:
От первой до третьей – люди,
Четвертая был верблюдик.
К ним, любопытством объятая,
По дороге пристала пятая;
От неё в небосинем лоне
Разбежались за слоником слоник.

Облака не просто проплывают над землей, они на наших глазах непрерывно меняются, меняется их форма, окраска, густота:

Высоко в просторе неба,
Все, сияя белизною,
Вышло облачко на полдень
Над равниной водяною.
Из болот оно восстало,
Из холодного тумана –
И замлело, засияло
В синей стали океана…
Вышло облачко высоко,
Стало тонкое, сквозное,
Улыбнулось одиноко –
И угасло в ярком зное.

Это стихотворение И.А. Бунина очень лирично и вызывает легкую грусть.

Великолепные картины облачного неба можно видеть на полотнах многих художников-пейзажистов. Например, на знаменитой картине И.И. Левитана “Над вечным покоем” на переднем плане маленькая церковь, приютившаяся на открытом всем ветрам утесе. Позади широкая река. И над всем нависло холодное пасмурное небо, по которому бегут мрачные тучи и рваные облака.

Картина Ф.А. Васильева “Мокрый луг” рождает сложную смену чувств – светлых и радостных, грустных и тревожных. Художник поэтически обобщил образ русской природы. Только что прошел летний дождь, и сквозь синие тревожные тучи солнце осветило яркую зелень травы со сверкающими каплями дождя, заставило засиять болотную воду; тень от облака упала на землю.

С давних времен человек знал: облака и тучи дают дождь, который так нужен посевам, травам, деревьям. Поэтому он считал, что боги облаков и туч – добрые боги. Он благодарил их, возносил им хвалу.

Ведущий: Прежде чем говорить о физике облаков, давайте внимательно посмотрим на облачное небо.

II-я cтраница. Удивительное рядом

I. Виды облаков.

“Облако-туман в высоте”, так коротко и в то же время точно дает определение облака толковый словарь В.Даля. Как и туман, облако состоит из мелких и мельчайших капелек воды, из мелких кристалликов льда. Существует много видов облаков (дем. рис. 1). В зависимости от высоты, на которой образуются облака, различают облака нижнего, среднего и верхнего яруса. В зависимости от направления развития делятся на облака горизонтального и вертикального развития.

1. слабо развиты в вертикальном направлении;
2. горизонтальная протяженность в сотни и тысячи раз больше их толщины;
3. максимальная вертикальная скорость перемещения воздушных масс 10–20 см/с;
4. время существования измеряется сутками;
5. образуются в тропиках.

2. Облака вертикального развития.

1. вытянуты в вертикальном направлении;
2. вертикальная скорость перемещения воздушных масс порядка 10 м/с;
3. время существования короткое (часы, минуты);
4. образуются в тропосфере.

На высоте около 30 км можно обнаружить перламутровые облака. Они очень тонкие, в сумерки вблизи Солнца окрашиваются в красный, золотистый и зеленоватый цвета.

На высотах около 80 км обнаруживаются серебристые облака, которые по внешнему виду тонкие и светятся серебристым цветом ночью, вскоре после захода Солнца или незадолго до восхода. Это рассеянный облаками солнечный свет.

Облака переносятся ветрами на большие расстояния, поэтому происходит влагообмен между различными областями планеты. Облачный покров Земли велик. Облака покрывают примерно половину всего небосвода, в них содержится около 10¹² кг воды.

II. Атмосфера Земли.

Атмосфера Земли напоминает слоеный пирог: слои, где температура понижается, чередуются со слоями, где она повышается. Каково же строение атмосферы?

• тропосфера (от греческого “” – поворот) простирается до 11 км над уровнем моря. В ней образуются ветер, облака, осадки, т.к. для образования облаков надо, чтобы воздух был влажным, и чтобы происходило понижение температуры. Поэтому тропосферу называют фабрикой погоды. Процессы, происходящие в ней, часто становятся причиной страшных стихийных бедствий: засух, наводнений, ураганов и др. явлений. Температура воздуха по мере подъема от поверхности Земли убывает и на границе, достигает над тропиками около -75⁰, а над полюсами около -60⁰.
• стратосфера (от греческого “стратум” – настил, слой) располагается между 11-м и 55-м км над уровнем моря. Здесь царство стужи, температура воздуха при подъеме сначала остается постоянной, а потом возрастает, небо стратосферы темно-фиолетового цвета.
• мезосфера (от греческого “мезлос” – средний) – от 55 до 80 км от поверхности. В этом слое находится газ озон, который защищает все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей Солнца. В мезосфере температура воздуха снова уменьшается с высотой и падает до -100⁰ С и даже до -150⁰ С на уровне верхней границы мезосферы.
• термосфера (от греческого “термос” – теплый) – здесь невиданная жара: 1000⁰–2000⁰ С, плотность воздуха очень мала.
• экзосфера – внешняя оболочка атмосферы. Высота этого слоя 500–600 км. Его называют слоем рассеяния.

Нашим космонавтам удалось увидеть, как выглядит атмосфера Земли со стороны. Вот как поэтично описал увиденное сквозь иллюминатор корабля “Восток-2” летчик-космонавт Герман Степанович Титов: “Горизонт Земли окружен ореолом нежно-голубого цвета, который постепенно темнеет, становясь бирюзовым, синим, фиолетовым и наконец, переходит в черный “цвет…”

Атмосфера состоит из смеси газов: азот – 78 %, кислород – 21 %, другие газы – 0,03 %. Роль атмосферы в жизни Земли огромна. Живым организмам она необходима для дыхания, для защиты от космического излучения, от падения метеоритов, от обжигающих лучей Солнца днем, а ночью – от охлаждения. Без атмосферы Земля превратилась бы в безжизненную пустыню. Чтобы на Земле продолжалась жизнь нужно беречь атмосферу от загрязнений, необходимо беречь природу.

Экспериментаторы: (демонстрируют опыты) Из-за притяжения к Земле верхние слои воздуха давят на нижние, наибольшее давление испытывает поверхность Земли. Существованием атмосферного давления объясняется множество явлений.

1. “Фонтан в разреженном воздухе” (Горев Л.А., опыт № 92)
2. “Вода не выливается из перевернутого стакана” (Горев Л.А., опыт № 79)
3. “Удерживание бутылки атмосферным давлением” (Горев Л.А., опыт № 102)
4. “Переливание жидкости из одного сосуда в другой с помощью резиновой трубки” (этот прием используют водители для переливания бензина)
5. Другие занимательные опыты.

III-я страница. Физика облаков.

Рис. 2

Процесс образования облаков начинается с того, что некоторая масса воздуха поднимается достаточно быстро вверх, расширяется адиабатно, т.к. теплообмен этого воздуха с окружающей средой не успевает произойти и охлаждается т.к. совершает работу только за счет своей внутренней энергии. Достигнув некоторой высоты, которая называется “нижняя граница” формирующегося воздуха, водяной пар в поднимающемся воздухе начинает конденсироваться. Процесс конденсации будет происходить и выше по мере поднятия воздуха и вертикальное развитие облака прекратиться тогда, когда воздух перестанет подниматься; при этом формируется верхняя граница облака (рис. 3)

Рис. 3

1. Конвекция. В жаркий солнечный день лучи сильно нагревают поверхность Земли и она передает тепло околоземному воздуху (рис. 4). Такие облака имеют конвекционную природу, например, кучевые облака.

2. Ветер. Дующий вдоль поверхности Земли ветер, обтекая природные возвышения, поднимает вверх воздушные массы. Такие облака имеют орографическое происхождение. Например, слоистые и слоисто-дождевые облака.

Рис. 4

3. Теплые и холодные фронта. Теплый фронт возникает, если теплый воздух перемещается в горизонтальном направлении, вытесняя холодный. Холодный фронт возникает, если холодный воздух движется быстрее отступающего теплого. Вблизи фронтов теплого и холодного воздухов возникают восходящие потоки воздуха. Так образуются облака горизонтального развития всех ярусов (рис. 5)

Рис. 5

4. Циклоническая деятельность, связана с взаимодействием теплых и холодных фронтов. Циклоны и антициклоны – это мощные атмосферные вихри диаметром до нескольких тысяч километров и высотой до 10-20 км. Ветры вблизи поверхности Земли “закручиваются” к центру циклона, т.к. там давление воздуха меньше.

В северном полушарии “закручивание” происходит против часовой стрелки, а в южном – по часовой стрелке. Стекающиеся к центру циклона воздушные массы устремляются вверх. Образуются слоистые и слоисто-дождевые облака, выпадают осадки (длительные дожди). В верхней тропосфере возникают горизонтальные ветры.

Приближение центральной области циклона можно обнаружить по понижению атмосферного давления.

Для антициклонов характерна обратная картина воздушных процессов: в центре давление выше, чем на периферии, вверху тропосферы ветры “закручиваются” к центру антициклона, а вблизи поверхности Земли – от центра, возникают нисходящие потоки воздуха, опускающийся воздух нагревается, относительная влажность уменьшается, облачность исчезает. Устанавливается хорошая погода. Барометр показывает повышение давления.

IV-я страница. Хочу всё знать!

Вопрос 1: Почему возникают мощные кучевые облака?

Ответ: Температура поднимающегося влажного воздуха будет подниматься с высотой медленнее, чем температура неподвижного воздуха, окружающего облако с боков, т.к. при конденсации пара выделяется тепло. Из-за того, что окружающая облако среда менее нагрета, чем поднимающийся и охлаждающийся воздух, и происходит существенное развитие облака в вертикальном направлении. Так возникают мощные кучевые облака.

Рис. 6

Вопрос 2: Почему для кучевых облаков характерны “барашки”?

Ответ: температура поднимающегося воздуха на некоторой высоте сравнивается с температурой окружающего облако воздуха и даже станет немного ниже её. Вертикальное развитие облака прекратится; холодные массы окружающего облако воздуха начнут растекаться в стороны и опускаются вниз вокруг кучевого облака, формируя “барашки” (рис. 6).

Вопрос 3: Почему облако не падает на Землю, ведь облака, состоящие из капелек воды и кристалликов льда, тяжелее воздуха?

Ответ: На этот вопрос ответить не просто, т.к. следует учесть многие факторы.

1. Тепловое движение молекул воздуха. Мелким капелькам, радиус которых составляет доли микрометра, не дают падать беспорядочные удары со стороны молекул воздуха. Эти удары отбрасывают капельку в различных направлениях, и она совершает тепловое движение.
2. Сопротивление воздуха. Капли, радиус которых больше микрометра, начинают падать под действием силы тяжести, т.к. удары молекул воздуха их не отбрасывают в стороны, при падении таких капель вниз скорость возрастает, но одновременно растет и сила сопротивления воздуха, которая пропорциональна скорости капли (F_c ~ v). Когда сила тяжести и сила сопротивления сравняются (F_T = F_C ), то капля будет падать равномерно. Равномерно падающая капля может быть остановлена входящим потоком воздуха, если его скорость больше скорости капли, или в процессе падения капля может испариться.
3. Испарение капель. Падающие равномерно капли испаряются, получившийся в результате испарения пар поднимается вверх и там снова конденсируется.
4. Турбулентные движения в воздушной среде. Такое движение вызывают относительно большие капли (радиусом более 100 мкм)
5. Конденсация пара. Наряду с испарением происходит конденсация пара на поверхности капли, т.е. радиус капли изменяется в процессе падения.
6. Слияние капель и другие факторы.

Вопрос 4: Почему из слоисто-дождевых облаков выпадает мелкокапельный дождь, а из кучево-дождевых – ливневый дождь?

Ответ: Благодаря большой толщине (до 15 км) кучево-дождевых облаков, в них возникают крупные капли. Процесс их образования: ледяные кристаллики из верхней части облака падают вниз, превращаясь сначала в снежные хлопья, затем в крупные капли, радиус которых, за счет слияния с другими каплями и за счет конденсации, растет по мере падения, до 0,5 см у поверхности Земли. Возникает сильный ливень.

Относительно небольшая толщина слоисто-дождевых облаков (до 1 км) не дает каплям существенно увеличиваться во время падения, нет мощных восходящих потоков, поэтому мелкие капли способны достичь поверхности Земли.

Вопрос 5: Почему выпадает град?

Ответ: Град выпадает из кучево-дождевых облаков, обычно при сильной грозе летом. Когда температура воздуха у поверхности Земли выше 20⁰, возникают мощные восходящие потоки воздуха. На высоте 8–10 км при низкой температуре (-40⁰) образуются кристаллики льда. Падая вниз и сталкиваясь с ледяными каплями, они обрастают льдом. В нижней части облака они подтаивают и под действием мощных восходящих потоков мелкие градины забрасываются в верхнюю часть облака, и процесс повторяется до тех пор, пока градины не станут тяжелыми. Сильный град калечит деревья, кустарники, уничтожает посевы и даже строения, убивает животных и людей.

Вопрос 6: Почему возникают облака (серебристые) на столь больших высотах (80 км)?

Ответ: На высоте около 80 км температура достигает от -130⁰ до -150⁰. Ученые обнаружили некоторое увеличение плотности водяного пара и повышение влажности в летнее время в средних широтах (60-е годы ХХ века). В летнее время в средних широтах возникают мощные восходящие потоки воздуха. Они перемещают водяной пар в верхнюю область мезосферы, где тот превращается в кристаллики льда серебристых облаков, которые постепенно накапливаются там за счет нового притока пара снизу.

Вопрос 7: На фотографии (рис. 7) изображены облака, в которых, похоже, “сидят” дымящие трубы. Что это такое?

Ответ: Показанные “дымы” образованы водяным паром, выходящим из дымовых труб, сами трубы, конечно, ниже уровня облаков. При высоком атмосферном давлении создаются условия для возникновения температурной инверсии, когда в отличие от нормальной ситуации температура воздуха растет с высотой. Когда более теплый воздух опускается, он попадает в струю более холодного нижележащего воздуха. В холодных воздушных массах практически нет ветра, и пар из трубы поднимается вертикально вверх в зимнем воздухе, т.к. этот пар значительно теплее, чем вышележащие воздушные массы. Он может пробиться сквозь слой температурной инверсии к более теплому воздуху вверху. Слой температурной инверсии находится на том же уровне, что и облако. Когда холодные и теплые массы встречаются, водяной пар конденсируется и образуется защитный слой слоистых облаков, через который и пробивается пар из трубы.

Рис. 7

Используемая литература:

1. Абдурахманов С.Д. Исследовательские работы по физике в 7–8 кл. сельских школ.
2. Перельман Я.И. Знаете ли Вы физику? – М.: Наука, 1992.
3. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1982.
4. Статьи из газет “Физика” издательского дома “Первое сентября”:
   Беркова А.В. (перевод с англ.) Почему же почему? – № 15/06,
   Богданов К.И. Не все так просто. – № 3/06,
   Бурова С.А. Необычные природные явления. – № 30/03.