Воздух играет крайне важную роль в жизни не только человека, но и всей планеты. Атмосферные явления изучались учеными с начала веков и продолжают активно исследоваться сегодня. Стоит сказать, что, на самом деле, — это не просто сплошное непрозрачное вещество, он разделяется на массы и фронты, которые, перемещаясь над различными частями , играют ключевую роль в формировании воздушных вихрей. Рассмотрим, что такое циклон и антициклон, их главные различия.
Вконтакте
Циклон
Циклон представляет собой воздушный массив, который имеет форму вихря, гигантского по своему диаметру (от 100 до многих 1000 км). Для циклона характерно пониженное давление и перемещение воздушных потоков по часовой стрелке или против, в центре, по различным направлениям, зависящим от полушария, в котором действует вихрь.
Циклон от антициклона отличается процессом образования. Первый имеет естественную природу возникновения: планета Земля вращается, из-за чего воздух вокруг нее движется и образует вихри. Рассматривая физику возникновения этих явлений, можно выделить две главных теории в формировании воздушного потока:
- сила Кориолиса;
- теорема о неподвижной точке.
Благодаря этим теориям можно объяснить появление подобных вихрей в земно-воздушно пространстве и также в атмосферах других .
Виды
Существует два основных вида вихрей, отличающихся своими характеристиками.
Внетропические
Характерны для полярных или умеренных климатических поясов . Их диаметр обычно начинается с 1000 км при возникновении и несколькими тысячами в конце. Они, в свою очередь, подразделяются на:
- южные – они характерны для умеренных климатических поясов, точнее их южных частей. К ним можно отнести циклоны на Балканах, Средиземноморье и Черноморском побережье;
- северные;
- северо-восточные.
Из них только южные несут в себе колоссальное количество энергии, которая выливается обычно в сильные осадки, ветра, грозовые штормы и другие неприятные природные явления.
Тропические
Возникают только над тропическими поясами и отличаются малыми размерами . Их диаметр обычно исчисляется несколькими сотнями км (реже свыше 1000 км), но при этом для них свойственны сильные ветра. Из-за этого они часто становятся буревыми и отличаются «глазом бури» - это центральная часть вихря, которая в диаметре около 30 км, в которой сохраняется ясная погода без ветров и осадков.
Важно ! и ближайшая территория к нему представляют собой территорию, на которой никогда не возникают подобные природные явления.
Циклон – это низкое давление в атмосфере и все, что оно за собой влечет. Метеорологи могут своевременно предсказывать скорое наступление такого воздушного вихря. Какую погоду приносит циклон: с ливнями и разрушительными бурями, но теплая температура воздуха при этом сохраняется.
Тропический циклон
Антициклон
Что такое антициклон – это часть воздушных потоков, в которых наблюдается высокое давление и движение ветра в определённых направлениях. Выделяется такая область тем, что ветер направляется по часовой стрелке на территории верхнего полушария и против — на нижнем.
Антициклоны делятся на два типа:
- низкие - это преимущественно холодные потоки воздуха, в которых до 1,5 км тропосферы присутствуют изобары замкнутые, а выше и вовсе не наблюдается высокого давления;
- высокие - в таких воздушных массах воздух теплый и высокое давление присутствует по всей задействованной тропосфере. В таких вихрях может быть несколько главных центров.
Антициклон – это погода ясная, без облаков. Причем могут образовываться низко расположенные слоистые облака и туманы с морозами по ночам осенью-зимой, а летом — кучевые облака и отсутствие осадков, что часто приводит к возникновению лесных пожаров. Такие вихри не превышают нескольких тысяч километров в диаметре и двигаются с запада на восток со скоростью 30-40 км/ч, склоняясь к низким широтам.
Признаки присутствия антициклона следующие:
- ясное небо;
- малое количество облаков или их отсутствие;
- нет ветра и дождя со снегом;
- солнечная стабильная погода.
Образование подобных воздушных потоков над участками, почва которых покрыта льдом, отражается на их силе и характеристиках. Так, над Антарктидой он будет чрезвычайно сильным, а над Гренландией уже гораздо слабее. То же самое касается и тропического климата.
Антициклон
Сравнение
Сама приставка анти- указывает на то, что антициклон – это атмосферное явление, противоположное циклону по своим характеристикам. Если циклон — это низкое атмосферное давление, то антициклон — высокое. Это самое существенное различие, коренным образом меняющее погоду на территории под этими вихрями. Их отличие состоит в разных движениях воздушных потоков. Чем они еще отличаются.
Характеристика циклона и антициклона предоставлена ниже.
| Характеристика | Циклон | Антициклон |
| Давление | Низкое в центре вихря | Повышенное в том же месте |
| Размеры | Диаметр может быть в 300-5000 км. | До 4000 км в самом широком месте. |
| Скорость движения (км/ч) | В среднем 30-60. | В среднем 20-40 или же вовсе малоподвижные. |
| Характерные места | Возникают по всей территории земного шара, кроме экватора. | Возникают преимущественно над сушей, покрытой ледяным слоем (Антарктида или Арктика). |
| Причины возникновения | Естественное движение Земли вокруг своей оси.
Появление дефицита воздушной массы. |
Появление циклона.
При переизбытке воздушной массы. |
| Вращение воздуха | Воздух направляется от окраины к центру.
Что касается его направления, то в Северном полушарии он двигается против часовой стрелки, а в Южном, наоборот, по часовой стрелке. |
Как и в целом, движение воздуха в данном вихре обратно: воздух направляется от центра к окраинам вихря, а направление его также зависит от полушария:
Северное — по часовой стрелке; Южное – против часовой стрелки. |
| Направление движения воздуха | Восходящее | Нисходящее |
| Погода | Данное природное явление характеризуется высокой вероятностью осадков и порывами сильного ветра.
На небе образуются густые облака, а погода в целом будет пасмурной и влажной, но не холодной. Летом часто идут дожди, а зимой – снег или дождь, но без морозов. |
Несет с собой сухую погоду, для которой не характерны ветра или облака. Обычно летом сухая малооблачная погода, без осадков, а зимой – холодно и морозно. |
Таким образом, приближение циклона говорит о том, что надвигается погода с разрушительными последствиями: сильные ливни, ветра и снежные бури. На небе будет множество облаков и туч, сильные порывы ветра. В целом погода будет отличаться нестабильностью. В отличии от таких вихрей, антициклоны принесут стабильность: установится спокойная погода, безветрие и безоблачность, будет тепло на протяжении длительного срока.
Погода на территории нашей страны неустойчива. Особенно это проявляется в европейской части России. Это происходит из-за того, что встречаются разные воздушные массы: теплые и холодные. Воздушные массы отличаются по свойствам: температуре, влажности, запыленности, давлению. Атмосферная циркуляция позволяет воздушным массам перемещаться из одной части в другую. Там, где соприкасаются разные по свойствам воздушные массы, формируются атмосферные фронты .
Атмосферные фронты наклонены к поверхности Земли, их ширина достигает от 500 до 900 км, а в длину они простираются на 2000-3000 км. Во фронтальных зонах возникает поверхность раздела двух типов воздуха: холодного и теплого. Такая поверхность называется фронтальной . Как правило, эта поверхность наклонена в сторону холодного воздуха - он как более тяжелый располагается под ней. А теплый воздух, более легкий, располагается над фронтальной поверхностью (см. рис. 1).
Рис. 1. Атмосферные фронты
Линия пересечения фронтальной поверхности с поверхностью Земли образует линию фронта , которую кратко также называют фронтом .
Атмосферный фронт - переходная зона между двумя разнородными воздушными массами.
Теплый воздух, как более легкий, поднимается вверх. Поднимаясь, он охлаждается, насыщается водяными парами. В нем образуются облака и выпадают осадки. Поэтому прохождение атмосферного фронта всегда сопровождается выпадением осадков.
В зависимости от направления перемещения, движущиеся атмосферные фронты подразделяются на теплые и холодные. Теплый фронт образуется при натекании теплого воздуха на холодный. Линия фронта при этом перемещается в сторону холодного воздуха. После прохождения теплого фронта наступает потепление. Теплый фронт образует сплошную полосу облаков длиной в сотни километров. Идут затяжные моросящие дожди, и наступает потепление. Подъем воздуха при наступлении теплого фронта происходит более медленно по сравнению с холодным фронтом. Предвестником приближающегося теплого фронта служат образующиеся высоко в небе перистые и перисто-слоистые облака (см. рис. 2).
Рис. 2. Теплый атмосферный фронт ()
Образуется при подтекании холодного воздуха под теплый, при этом линия фронта перемещается в сторону теплого воздуха, который вытесняется наверх. Как правило, движется холодный фронт очень быстро. Это вызывает сильные ветры, обильные, часто ливневые осадки с грозами, а зимой метели. После прохождения холодного фронта наступает похолодание (см. рис. 3).
Рис. 3. Холодный фронт ()
Атмосферные фронты бывают стационарными и движущимися. Если воздушные потоки не перемещаются ни в сторону холодного, ни в сторону теплого воздуха вдоль линии фронта, такие фронты называются стационарными . Если воздушные потоки имеют скорость перемещения, перпендикулярную линии фронта, и перемещаются либо в сторону холодного, либо в сторону теплого воздуха, такие атмосферные фронты называются движущимися . Атмосферные фронты возникают, движутся и разрушаются примерно за несколько дней. Роль фронтальной деятельности в формировании климата более ярко выражена в умеренных широтах, поэтому для большей части России характерна неустойчивая погода. Самые мощные фронты возникают при соприкосновении основных типов воздушных масс: арктических, умеренных, тропических (см. рис. 4).
Рис. 4. Образование атмосферных фронтов на территории России
Зоны, отражающие их многолетние положения, называют климатическими фронтами . На границе между арктическим и умеренным воздухом, над северными районами России, формируется арктический фронт. Воздушные массы умеренных широт и тропическиеразделяет полярный умеренный фронт, который расположен преимущественно южнее границ России. Главные климатические фронты не образуют сплошных полос линий, а разбиты на отрезки. Многолетние наблюдения показали, что арктический и полярный фронты смещаются зимой к югу, а летом к северу. На востоке страны арктический фронт зимой достигает побережья Охотского моря. К северо-востоку от него господствует очень холодный и сухой арктический воздух. В европейской России арктический фронт перемещается не столь далеко. Здесь сказывается отепляющее воздействие Северо-Атлантического течения. Ветви полярного климатического фронта протягиваются над южными территориями нашей страны только летом, зимой они пролегают над Средиземным морем и Ираном и изредка захватывают Черное море.
Во взаимодействии воздушных масс принимают участие циклоны и антициклоны - крупные движущиеся атмосферные вихри, переносящие атмосферные массы.
Область низкого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от краев к центру и отклоняющихся против часовой стрелки.
Область высокого атмосферного давления с определенной системой ветров, дующих от центра к краям и отклоняющихся по часовой стрелке.
Циклоны имеют внушительные размеры, простираются в тропосферу на высоту до 10 км, а в ширину до 3000 км. В циклонах давление увеличивается, а в антициклонах - понижается. В северном полушарии дующие к центру циклонов ветры отклоняются под воздействием силы осевого вращения земли вправо (воздух закручивается против часовой стрелки), а в центральной части воздух поднимается вверх. В антициклонах направленные к окраинам ветры отклоняются тоже вправо (воздух закручивается по часовой стрелке), а в центральной части воздух опускается из верхних слоев атмосферы вниз (см. рис. 5, рис. 6).
Рис. 5. Циклон
Рис. 6. Антициклон
Фронты, на которых зарождаются циклоны и антициклоны, почти никогда не бывают прямолинейными, для них характерны волнообразные изгибы (см. рис. 7).
Рис. 7. Атмосферные фронты (синоптическая карта)
В образовавшихся заливах теплого и холодного воздуха образуются вращающиеся волчки атмосферных вихрей (см. рис. 8).
Рис. 8. Образование атмосферного вихря
Постепенно они обособляются от фронта и начинают перемещаться и переносить воздух самостоятельно со скоростью 30-40 км/ч.
Атмосферные вихри живут до разрушения 5-10 дней. А интенсивность их образования зависит от свойств подстилающей поверхности (температуры, влажности). Ежедневно в тропосфере формируется несколько циклонов и антициклонов. В течение года их образуются сотни. Ежедневно наша страна находится под воздействием какого-либо атмосферного вихря. Поскольку в циклонах воздух поднимается вверх, с их приходом всегда связана пасмурная погода с осадками и ветрами, прохладная летом и теплая зимой. В течение всего времени пребывания антициклона господствует безоблачная сухая погода, жаркая летом и морозная зимой. Этому способствует медленное опускание воздуха вниз из более высоких слоев тропосферы. Опускающийся воздух нагревается и становится менее насыщенным влагой. В антициклонах ветры слабые, а во внутренних их частях наблюдается полное безветрие - штиль (см. рис. 9).
Рис. 9. Движение воздуха в антициклоне
В России циклоны и антициклоны приурочены к основным климатическим фронтам: полярному и арктическому. А также формируются на границе между морскими и континентальными воздушными массами умеренных широт. На западе России циклоны и антициклоны возникают и перемещаются в направлении общего переноса воздуха с запада на восток. На Дальнем Востоке в соответствии с направлением муссонов. При движении с западным переносом на востоке циклоны отклоняются к северу, а антициклоны - к югу (см. рис. 10). Поэтому пути прохождения циклонов в России чаще всего проходят по северным районам России, а антициклонов - по южным. В связи с этим атмосферное давление на севере России ниже, много дней подряд может быть ненастная погода, на юге больше солнечных дней, сухое лето и малоснежная зима.
Рис. 10. Отклонение циклонов и антициклонов при движении с запада
Районы прохождения интенсивных зимних циклонов: Баренцево, Карское, Охотское моря и северо-запад Русской равнины. Летом циклоны наиболее часты на дальнем Востоке и на западе Русской равнины. Антициклональные погоды преобладают весь год на юге Русской равнины, на юге Западной Сибири, а зимой над всей Восточной Сибирью, где устанавливается азиатский максимум давления.
Движение и взаимодействие воздушных масс, атмосферные фронты, циклоны и антициклоны изменяют погоду, влияют на нее. Данные об изменениях погоды наносятся на специальные синоптические карты для дальнейшего анализа погодных условий на территории нашей страны.
Движение атмосферных вихрей приводит к изменению погоды. Её состояние на каждый день фиксируется на специальных картах - синоптических (см. рис. 11).
Рис. 11. Синоптическая карта
Наблюдения за погодой осуществляются обширной сетью метеорологических станций. Затем результаты наблюдений передаются в центры гидрометеорологических данных. Здесь они обрабатываются, и информация о погоде наносится на синоптические карты. На картах показывают атмосферное давление, фронты, температуру воздуха, направление и скорость ветра, облачность и осадки. Распределение атмосферного давления свидетельствует о положении циклонов и антициклонов. Изучив закономерности протекания атмосферных процессов можно прогнозировать погоду. Точный прогноз погоды - исключительно сложное дело, поскольку трудно учесть весь комплекс взаимодействующих факторов в их постоянном развитии. Поэтому даже краткосрочные прогнозы гидрометцентра не всегда оправдываются.
Источник).).
Домашнее задание
- Почему в зоне атмосферного фронта выпадают осадки?
- В чем главное отличие циклона от антициклона?
П. МАНТАШЬЯН.
Продолжаем публиковать журнальный вариант статьи П. Н. Манташьяна «Вихри: от молекулы до Галактики» (см. «Наука и жизнь № ). речь пойдёт о смерчах и торнадо - природных образованиях огромной разрушительной силы, механизм возникновения которых до сих пор не вполне понятен.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Рисунок из книги американского физика Бенжамина Франклина, поясняющий механизм возникновения смерчей.
Марсоход Spirit обнаружил, что в разреженной атмосфере Марса возникают смерчи, и заснял их. Снимок с сайта НАСА.
Гигантские смерчи и торнадо, возникающие на равнинах юга США и Китая, - явление грозное и очень опасное.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Смерч может достигать километра в высоту, упираясь вершиной в грозовое облако.
Смерч на море поднимает и втягивает в себя десятки тонн воды вместе с морской живностью и может разломать и потопить небольшое судно. В эпоху парусных кораблей смерч пытались разрушить, стреляя по нему из пушек.
На снимке хорошо видно, что смерч вращается, закручивая спиралью воздух, пыль и дождевую воду.
Город Канзас-сити, превращённый в руины мощным торнадо.
Силы, действующие на тайфун в потоке пассатного ветра.
Закон Ампера.
Силы Кориолиса на проигрывателе.
Эффект Магнуса на столе и в воздухе.
Вихревое движение воздуха наблюдается не только у тайфунов. Существуют вихри размерами, превышающими тайфун, - это циклоны и антициклоны, самые большие воздушные вихри на планете. Их размеры значительно превосходят размеры тайфунов и могут достигать более тысячи километров в диаметре. В некотором смысле это вихри-антиподы: у них практически всё наоборот. Циклоны Северного и Южного полушарий вращаются в ту же сторону, что и тайфуны этих полушарий, а антициклоны - в противоположную. Циклон приносит с собой ненастную погоду, сопровождаемую осадками, антициклон же, наоборот, приносит ясную, солнечную погоду. Схема образования циклона достаточно проста - всё начинается с взаимодействия холодного и тёплого атмосферных фронтов. При этом часть тёплого атмосферного фронта проникает внутрь холодного в виде своеобразного атмосферного «языка», в результате чего тёплый воздух, более лёгкий, начинает подниматься, и при этом происходят два процесса. Во-первых, молекулы паров воды под воздействием магнитного поля Земли начинают вращаться и вовлекают во вращательное движение весь поднимающийся воздух, образуя гигантский воздушный водоворот (см. «Наука и жизнь» № ). Во-вторых, наверху тёплый воздух охлаждается, и пары воды в нём конденсируются в облака, которые выпадают осадками в виде дождя, града или снега. Такой циклон может испортить погоду на срок от нескольких дней до двух-трёх недель. Его «жизнедеятельность» поддерживается за счёт поступления новых порций влажного тёплого воздуха и взаимодействия его с холодным воздушным фронтом.
Антициклоны связаны с опусканием воздушных масс, которые при этом адиабатически, то есть без теплообмена с окружающей средой, нагреваются, их относительная влажность падает, что и приводит к испарению имеющихся облаков. При этом за счёт взаимодействия молекул воды с магнитным полем Земли происходит антициклоническое вращение воздуха: в Северном полушарии - по часовой стрелке, в Южном - против. Антициклоны приносят с собой устойчивую погоду на период от нескольких дней до двух-трёх недель.
Видимо, механизмы образования циклонов, антициклонов и тайфунов идентичны, а удельная энергоёмкость (энергия единицы массы) тайфунов намного больше, чем циклонов и антициклонов, только за счёт более высокой температуры воздушных масс, нагретых солнечным излучением.
СМЕРЧИ
Из всех вихрей, образующихся в природе, наиболее загадочны смерчи, по сути дела, часть грозового облака. Сначала, на первой стадии возникновения смерча, вращение видно только в нижней части грозового облака. Затем часть этого облака отвисает книзу в виде гигантской воронки, которая всё более удлиняется и наконец достигает поверхности земли или воды. Возникает как бы гигантский хобот, свешивающийся из облака, который состоит из внутренней полости и стенок. Высота смерча составляет от сотен метров до километра и, как правило, равна расстоянию от нижней части облака до поверхности земли. Характерная особенность внутренней полости - пониженное давление находящегося в ней воздуха. Такая особенность смерча приводит к тому, что полость смерча служит своеобразным насосом, который может втянуть в себя огромное количество воды из моря или озера, причём вместе с животными и растениями, перенести их на значительные расстояния и низвергнуть вниз вместе с дождём. Смерч способен переносить и довольно большие грузы - автомобили, телеги, малотоннажные суда, небольшие здания, причём иногда даже с находящимися в них людьми. Смерч обладает гигантской разрушительной силой. При соприкосновении со строениями, мостами, линиями электропередач и другими объектами инфраструктуры он причиняет им огромные разрушения.
Смерчи имеют максимальную удельную энергоёмкость, которая пропорциональна квадрату скорости воздушных потоков вихря. По метеорологической классификации при скорости ветра в замкнутом вихре, не превышающей 17 м/с, он называется тропической депрессией, если же скорость ветра не превышает 33 м/с, то это тропический шторм, и если скорость ветра составляет от 34 м/с и выше, то это уже тайфун. В мощных тайфунах скорость ветра может превышать 60 м/с. В смерче же, по данным разных авторов, скорость воздуха может достигать от 100 до 200 м/с (некоторые авторы указывают на сверхзвуковую скорость воздуха в смерче - свыше 340 м/с). Прямые измерения скорости воздушных потоков в смерчах при настоящем уровне развития техники практически невозможны. Все приборы, предназначенные для фиксации параметров смерча, безжалостно им ломаются при первом же соприкосновении. О скорости потоков в смерчах судят по косвенным признакам, главным образом по тем разрушениям, которые они производят, или по весу грузов, которые они переносят. Кроме того, отличительная черта классического смерча - наличие развитого грозового облака, своеобразного электрического аккумулятора, повышающего удельную энергоёмкость смерча. Чтобы разобраться в механизме возникновения и развития смерча, рассмотрим сначала устройство грозового облака.
ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО
В типичном грозовом облаке вершина заряжена положительно, а основание несёт отрицательный заряд. То есть в воздухе поддерживаемый восходящими потоками парит гигантский электрический конденсатор многокилометровых размеров. Наличие такого конденсатора приводит к тому, что на поверхности земли или воды, над которыми находится облако, появляется его электрический след - наведённый электрический заряд, имеющий знак, противоположный знаку заряда основания облака, то есть земная поверхность будет заряжена положительно.
Кстати, опыт по созданию наведённого электрического заряда можно провести дома. Насыпьте на поверхность стола мелкие бумажки, расчешите пластмассовой расчёской сухие волосы и приблизьте расчёску к насыпанным бумажкам. Все они, оторвавшись от стола, устремятся к расчёске и прилипнут к ней. Результат этого несложного опыта объясняется очень просто. Расчёска получила электрический заряд в результате трения о волосы, а на бумажке он наводит заряд противоположного знака, который притягивает бумажки к расчёске в полном соответствии с законом Кулона.
Возле основания развитого грозового облака существует мощный восходящий поток воздуха, насыщенного влагой. Кроме дипольных молекул воды, которые в магнитном поле Земли начинают вращаться, передавая импульс нейтральным молекулам воздуха, вовлекая их во вращение, в восходящем потоке имеются положительные ионы и свободные электроны. Они могут образовываться в результате воздействия на молекулы солнечного излучения, естественного радиоактивного фона местности и, в случае грозового облака, за счёт энергии электрического поля между основанием грозового облака и землёй (вспомним о наведённом электрическом заряде!). Кстати, за счёт наведённого положительного заряда на поверхности земли число положительных ионов в потоке восходящего воздуха значительно превышает число ионов отрицательных. Все эти заряженные частицы под действием восходящего потока воздуха устремляются к основанию грозового облака. Однако вертикальные скорости положительных и отрицательных частиц в электрическом поле различны. Напряжённость поля можно оценить по разности потенциалов между основанием облака и поверхностью земли - по измерениям исследователей, она составляет несколько десятков миллионов вольт, что при высоте основания грозового облака в один - два километра даёт напряжённость электрического поля в десятки тысяч вольт на метр. Это поле будет ускорять положительные ионы и тормозить отрицательные ионы и электроны. Поэтому в единицу времени через поперечное сечение восходящего потока положительных зарядов пройдёт больше, чем отрицательных. Иными словами, между земной поверхностью и основанием облака возникнет электрический ток, хотя правильней было бы говорить об огромном количестве элементарных токов, соединяющих земную поверхность с основанием облака. Все эти токи параллельны и текут в одном направлении.
Понятно, что они по закону Ампера будут взаимодействовать между собой, а именно притягиваться. Из курса физики известно, что сила взаимного притяжения единицы длины двух проводников с электрическими токами, текущими в одном направлении, прямо пропорциональна произведению сил этих токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
Притяжение двух электрических проводников обусловлено силами Лоренца. Электроны, движущиеся внутри каждого проводника, находятся под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током в соседнем проводнике. На них действует сила Лоренца, направленная по прямой, соединяющей центры проводников. Но для возникновения силы взаимного притяжения наличие проводников совершенно необязательно - достаточно самих токов. Например, две покоящиеся частицы, имеющие одинаковый электрический заряд, отталкиваются одна от другой согласно закону Кулона, но эти же частицы, движущиеся в одном направлении, притягиваются, причём до тех пор, пока силы притяжения и отталкивания не уравновесят друг друга. Нетрудно видеть, что расстояние между частицами в положении равновесия зависит только от их скорости.
Из-за взаимного притяжения электрических токов заряженные частицы устремляются к центру грозового облака, по дороге взаимодействуя с электрически нейтральными молекулами и также перемещая их к центру грозового облака. Площадь поперечного сечения восходящего потока уменьшится в насколько раз, а поскольку поток вращается, то по закону сохранения момента количества движения его угловая скорость возрастёт. С восходящим потоком произойдёт то же самое, что с фигуристкой, которая, вращаясь на льду с расставленными руками, прижимает их к телу, отчего скорость её вращения резко увеличивается (хрестоматийный пример из учебников физики, который мы можем наблюдать по телевизору!). Такое резкое увеличение скорости вращения воздуха в смерче с одновременным уменьшением его диаметра приведёт соответственно к увеличению линейной скорости ветра, которая, как упоминалось выше, может даже превысить скорость звука.
Именно наличие грозового облака, электрическое поле которого разделяет заряженные частицы по знаку, приводит к тому, что скорости воздушных потоков в смерче превосходят скорости воздушных потоков в тайфуне. Образно говоря, грозовое облако служит своего рода «электрической линзой», в фокусе которой концентрируется энергия восходящего потока влажного воздуха, что и приводит к возникновению смерча.
МАЛЫЕ ВИХРИ
Существуют также и вихри, механизм образования которых никак не связан с вращением диполь-ной молекулы воды в магнитном поле. Наиболее распространённые среди них - пыльные вихри. Они образуются в пустынных, степных и горных местностях. По своим размерам они уступают классическим смерчам, их высота составляет порядка 100-150 метров, а диаметр - несколько метров. Для образования пыльных вихрей необходимым условием является пустынная, хорошо нагретая равнина. Образовавшись, такой вихрь существует довольно недолго, 10-20 минут, всё это время перемещаясь под действием ветра. Несмотря на то что воздух пустынь практически не содержит влаги, вращательное движение его обеспечивается взаимодействием элементарных зарядов с магнитным полем Земли. Над равниной, сильно прогретой солнцем, возникает мощный восходящий поток воздуха, часть молекул которого под воздействием солнечного излучения и особенно его ультрафиолетовой части, ионизируется. Фотоны солнечного излучения выбивают из внешних электронных оболочек атомов воздуха электроны, образуя при этом пары положительных ионов и свободных электронов. Вследствие того что электроны и положительные ионы имеют существенно разные массы при равных по величине зарядах, их вклад в создание момента количества движения вихря различен и направление вращения пыльного вихря определяется направлением вращения положительных ионов. Такой вращающийся столб сухого воздуха при своём движении поднимает с поверхности пустыни пыль, песок и мелкие камешки, которые сами по себе не играют никакой роли в механизме формирования пыльного вихря, но служат своеобразным индикатором вращения воздуха.
В литературе описаны ещё и воздушные вихри, довольно редкое природное явление. Они возникают в жаркое время дня на берегах рек или озёр. Время жизни таких вихрей невелико, они появляются неожиданно и так же внезапно исчезают. По-видимому, вклад в их создание вносят как молекулы воды, так и ионы, образующиеся в тёплом и влажном воздухе за счёт солнечного излучения.
Гораздо опаснее водяные вихри, механизм образования которых аналогичен. Сохранилось описание: «В июле 1949 года в штате Вашингтон в тёплый солнечный день при безоблачном небе на поверхности озера возник высокий столб из водяных брызг. Он существовал всего несколько минут, но обладал значительной подъёмной силой. Надвинувшись на берег реки, он поднял довольно тяжёлый моторный бот длиной около четырёх метров, перенёс его на несколько десятков метров и, ударив о землю, разбил на куски. Водяные вихри наиболее распространены там, где поверхность воды сильно нагревается солнцем, - в тропических и субтропических зонах».
Закручивание потоков воздуха может происходить при больших пожарах. В литературе описаны такие случаи, приведём один из них. «Ещё в 1840 году в США расчищали лес под поля. На большой поляне было свалено громадное количество хвороста, веток и деревьев. Их подожгли. Через некоторое время пламя отдельных костров стянулось вместе, образовав огненную колонну, внизу широкую, вверху заострившуюся, высотой 50 - 60 метров. Ещё выше огонь сменялся дымом, уходившим высоко в небо. Огненно-дымовой вихрь вращался с поразительной скоростью. Величественное и ужасающее зрелище сопровождалось громким шумом, напоминавшим раскаты грома. Сила вихря была настолько велика, что он поднимал в воздух и отбрасывал в сторону большие деревья».
Рассмотрим процесс образования огненного смерча. При горении древесины выделяется тепло, которое частично переходит в кинетическую энергию восходящего потока нагретого воздуха. Однако при горении происходит ещё один процесс - ионизация воздуха и продуктов сгорания
топлива. И хотя в целом нагретый воздух и продукты сгорания топлива электрически нейтральны, в пламени образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Движение ионизованного воздуха в магнитном поле Земли неизбежно приведёт к образованию огненного смерча.
Хочется отметить, что вихревое движение воздуха возникает не только при больших пожарах. В своей книге «Смерчи» Д. В. Наливкин задаёт вопросы: «Мы уже не раз говорили о загадках, связанных с маломерными вихрями, пытались понять, почему все вихри вертятся? Возникают и другие вопросы. Почему, когда горит солома, нагретый воздух поднимается не по прямой линии, а по спирали и начинает кружиться. Так же ведёт себя в пустыне горячий воздух. Почему он не идёт просто вверх без всякой пыли? То же происходит с водяной пылью и брызгами, когда горячий воздух проносится над поверхностью воды».
Существуют вихри, возникающие в процессе извержения вулканов, их, например, наблюдали над Везувием. В литературе они получили название пепловых вихрей - в вихревом движении участвуют облака пепла, извергаемые вулканом. Механизм образования таких вихрей в общих чертах аналогичен механизму образования огненных смерчей.
Посмотрим теперь, какие силы действуют на тайфуны в неспокойной атмосфере нашей Земли.
СИЛА КОРИОЛИСА
На тело, движущееся во вращающейся системе отсчёта, например, на поверхности вращающегося диска или шара, действует инерционная сила, называемая силой Кориолиса. Эта сила определяется векторным произведением (нумерация формул начинается в первой части статьи)
F K =2M[VΩ ], (20)
где М - масса тела; V - вектор скорости тела; Ω - вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, в случае земного шара - угловой скорости вращения Земли, а [VΩ ] - их векторное произведение, которое в скалярном виде выглядит так:
F л = 2M | V | | Ω | sin α, где α - угол между векторами.
Скорость тела, двигающегося на поверхности земного шара, можно разложить на две составляющие. Одна из них лежит в плоскости, касательной к шару в точке нахождения тела, иными словами - горизонтальная составляющая скорости: вторая, вертикальная составляющая перпендикулярна этой плоскости. Сила Кориолиса, действующая на тело, пропорциональна синусу географической широты его местонахождения. На тело, движущееся по меридиану в любом направлении в Северном полушарии, действует сила Кориолиса, направленная вправо по движению. Именно эта сила заставляет подмывать правые берега рек Северного полушария, вне зависимости от того, на север или на юг они текут. В Южном полушарии эта же сила направлена влево по движению и реки, текущие в меридиональном направлении, подмывают левые берега. В географии это явление называется законом Бэра. Когда русло реки не совпадает с меридиональным направлением, сила Кориолиса будет меньше на величину косинуса угла между направлением течения реки и меридианом.
Практически во всех исследованиях, посвящённых вопросам образования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, а также их дальнейшему перемещению, указывается на то, что именно сила Кориолиса служит первопричиной их возникновения и именно она задаёт траекторию их передвижения по поверхности Земли. Однако если бы сила Кориолиса участвовала в создании смерчей, тайфунов и циклонов, то в Северном полушарии они имели бы правое вращение - по часовой стрелке, а в Южном - левое, то есть против. Но тайфуны, смерчи и циклоны Северного полушария вращаются влево, против часовой стрелки, а Южного полушария - вправо, по часовой стрелке. Это абсолютно не соответствует направлению воздействия силы Кориолиса, более того - прямо ей противоположно. Как уже говорилось, величина силы Кориолиса пропорциональна синусу географической широты и, значит, максимальна на полюсах и отсутствует на экваторе. Следовательно, если бы она вносила вклад в создание вихрей разных масштабов, то наиболее часто они появлялись бы в полярных широтах, что полностью противоречит имеющимся данным.
Таким образом, приведённый анализ убедительно доказывает, что сила Кориолиса не имеет никакого отношения к процессу формирования тайфунов, смерчей, циклонов и всевозможных вихрей, механизмы образования которых рассмотрены в предыдущих главах.
Считается, что именно сила Кориолиса определяет их траектории, тем более что в Северном полушарии тайфуны, как метеорологические образования, при своём движении отклоняются именно вправо, а в Южном - именно влево, что соответствует направлению действия силы Кориолиса в этих полушариях. Казалось бы, причина отклонения траекторий тайфунов найдена - это сила Кориолиса, но не будем торопиться с выводами. Как говорилось выше, при движении тайфуна по поверхности Земли на него, как на единый объект, будет действовать сила Кориолиса, равная:
F к = 2MVΩ sin θ cos α, (21)
где θ - географическая широта тайфуна; α - угол между вектором скорости тайфуна, как единого целого, и меридианом.
Для выяснения истинной причины отклонения траекторий тайфунов попробуем определить величину силы Кориолиса, действующей на тайфун, и сравнить её с другой, как мы сейчас убедимся, более реальной силой.
СИЛА МАГНУСА
На тайфун, перемещаемый пассатом, будет действовать сила, которую в данном контексте, насколько это известно автору, до сих пор не рассматривал ни один исследователь. Это сила взаимодействия тайфуна, как единого объекта, с воздушным потоком, который перемещает этот тайфун. Если посмотреть на рисунок с изображением траекторий тайфунов, станет видно, что они движутся с востока на запад под действием постоянно дующих тропических ветров, пассатов, которые образуются вследствие вращения земного шара. При этом пассат не только переносит тайфун с востока на запад. Самое главное - на тайфун, находящийся в пассате, действует сила, обусловленная взаимодействием воздушных потоков самого тайфуна с воздушным потоком пассата.
Эффект возникновения поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа, был открыт немецким учёным Г. Магнусом в 1852 году. Он проявляется в том, что если вращающийся круговой цилиндр обтекает безвихревой (ламинарный) поток, перпендикулярный его оси, то в той части цилиндра, где линейная скорость его поверхности противоположна скорости набегающего потока, возникает область повышенного давления. А на противоположной стороне, там, где направление линейной скорости поверхности совпадает со скоростью набегающего потока, - область пониженного давления. Разность давлений на противоположных сторонах цилиндра и приводит к возникновению силы Магнуса.
Изобретатели предпринимали попытки использовать силу Магнуса. Был спроектирован, запатентован и построен корабль, на котором вместо парусов установили вертикальные цилиндры, вращаемые двигателями. Эффективность таких вращающихся цилиндрических «парусов» в некоторых случаях даже превосходила эффективность парусов обычных. Эффект Магнуса используют также футболисты, которые знают, что если при ударе по мячу придать ему вращательное движение, то траектория его полёта станет криволинейной. Таким ударом, который называется «сухой лист», можно послать мяч в ворота противника практически с угла футбольного поля, находящегося на одной линии с воротами. Мяч при ударе закручивают и волейболисты, теннисисты, и игроки в пинг-понг. Во всех случаях движение закрученного мяча по сложной траектории создает немало проблем противнику.
Однако вернёмся к тайфуну, перемещаемому пассатом.
Пассаты, устойчивые воздушные течения (дуют постоянно больше десяти месяцев в году) в тропических широтах океанов, охватывают в Северном полушарии 11 процентов их площади, а в Южном - до 20 процентов. Основное направление пассатов - с востока на запад, однако на высоте 1-2 километра их дополняют ветры меридионального направления, дующие к экватору. В результате в Северном полушарии пассаты движутся на юго-запад, а в Южном
На северо-запад. Пассаты стали известны европейцам после первой экспедиции Колумба (1492-1493), когда её участники были поражены устойчивостью сильных северо-восточных ветров, уносивших каравеллы от берегов Испании через тропические районы Атлантики.
Гигантскую массу тайфуна можно рассматривать как цилиндр, вращающийся в воздушном потоке пассата. Как уже говорилось, в Южном полушарии они вращаются по часовой стрелке, а в Северном - против. Поэтому за счёт взаимодействия с мощным потоком пассатного ветра тайфуны и в Северном и в Южном полушарии отклоняются в сторону от экватора - на север и на юг соответственно. Этот характер их движения хорошо подтверждают наблюдения метеорологов.
(Окончание следует.)
ЗАКОН АМПЕРА
В 1920 году французский физик Анре Мари Ампер экспериментально обнаружил новое явление - взаимодействие двух проводников с током. Оказалось, что два параллельных проводника притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока в них. Проводники стремятся сблизиться, если токи текут в одном направлении (параллельны), и удалиться один от другого, если токи текут в противоположных направлениях (антипараллельны). Ампер сумел правильно объяснить это явление: происходит взаимодействие магнитных полей токов, которое определяется по «правилу буравчика». Если буравчик ввинчивать по направлению тока I, движение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля H.
Две заряженные частицы, летящие параллельно, тоже образуют электрический ток. Поэтому их траектории будут сходиться или расходиться в зависимости от знака заряда частиц и направления их движения.
Взаимодействие проводников приходится учитывать при конструировании сильноточных электрических катушек (соленоидов) - параллельные токи, текущие по их виткам, создают большие силы, сжимающие катушку. Известны случаи, когда громоотвод, сделанный из трубки, после удара молнии превращался в цилиндрик: его сжимают магнитные поля тока разряда молнии силой в сотни килоампер.
На основе закона Ампера установлен эталон единицы силы тока в СИ - ампер (А). Государственный стандарт «Единицы физических величин» даёт определение:
«Ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 . 10 -7 Н».
Подробности для любознательных
СИЛЫ МАГНУСА И КОРИОЛИСА
Сравним действие сил Магнуса и Кориолиса на тайфун, представив его в первом приближении в виде вращающегося воздушного цилиндра, обтекаемого пассатом. На такой цилиндр действует сила Магнуса, равная:
F м = DρHV n V m / 2, (22)
где D - диаметр тайфуна; ρ - плотность воздуха пассата; H- его высота; V n >- скорость воздуха в пассате; V т - линейная скорость воздуха в тайфуне. Путём несложных преобразований получим
Fм = R 2 HρωV n , - (23)
где R - радиус тайфуна; ω - угловая скорость вращения тайфуна.
Принимая в первом приближении, что плотность воздуха пассата равна плотности воздуха в тайфуне, получим
М т = R 2 Hρ, - (24)
где M т - масса тайфуна.
Тогда (19) можно записать в виде
F м = M т ωV п - (25)
или F м = M т V п V т /R. (26)
Разделив выражение для силы Магнуса на выражение (17) для силы Кориолиса, получим
F м /F к = M т V п V т /2RМV п Ω sinθ cosα (27)
или F м /F к = V т /2RΩ sinθ cosα (28)
Принимая во внимание, что согласно международной классификации тайфуном считается тропический циклон, скорость ветра в котором превышает 34 м/с, примем в расчётах эту наименьшую цифру. Поскольку географическая широта, максимально благоприятная для образования тайфунов, составляет 16 о, примем θ = 16 о и, поскольку сразу же после образования тайфуны движутся практически по широтным траекториям, примем α = 80 о. Радиус тайфуна средних размеров примем 150 километров. Подставив все данные в формулу, получим
F м /F к = 205. (29)
Иными словами, сила Магнуса превышает силу Кориолиса в двести раз! Таким образом, ясно, что сила Кориолиса не имеет отношения не только к процессу создания тайфуна, но и к изменению его траектории.
На тайфун, находяшийся в пассате, будут действовать две силы - вышеупомянутая сила Магнуса и сила аэродинамического давления пассата на тайфун, которую можно найти из простого уравнения
F д = KRHρV 2 п, - (30)
где К - коэффициент аэродинамического сопротивления тайфуна.
Нетрудно видеть, что движение тайфуна будет обусловлено действием результирующей силы, являющейся суммой сил Магнуса и аэродинамического давления, которая будет действовать под углом р к направлению движения воздуха в пассате. Тангенс этого угла найдётся из уравнения
tgβ = F m /F д. (31)
Подставив в (31) выражения (26) и (30), после несложных преобразований получим
tgβ = V т /КV п, (32)
Понятно, что результирующая сила F р, действующая на тайфун, будет касательной к его траектории, и если известны направление и скорость пассатного ветра, то можно будет с достаточной точностью вычислить эту силу для конкретного тайфуна, определив, таким образом, его дальнейшую траекторию, что позволит минимизировать ущерб, наносимый им. Траектория тайфуна может быть спрогнозирована пошаговым методом, при этом вероятное направление результирующей силы должно вычисляться в каждой точке его траектории.
В векторном виде выражение (25) выглядит так:
F м = M[ωV п ] . (33)
Нетрудно видеть, что формула, описывающая силу Магнуса, структурно идентична с формулой силы Лоренца:
F л = q .
Сопоставляя и анализируя эти формулы, замечаем, что структурное сходство формул достаточно глубоко. Так, левые части обоих векторных произведений (Мω и qV ) характеризуют параметры объектов (тайфуна и элементарной частицы), а правые части (V п и B ) - среды (скорость пассата и индукцию магнитного поля).
Физпрактикум
СИЛЫ КОРИОЛИСА НА ПРОИГРЫВАТЕЛЕ
Во вращающейся системе координат, например на поверхности земного шара, законы Ньютона не выполняются - такая система координат неинерциальна. В ней появляется добавочная сила инерции, которая зависит от линейной скорости тела и угловой скорости системы. Она перпендикулярна траектории движения тела (и его скорости) и называется силой Кориолиса, по имени французского механика Густава Гаспара Кориолиса (1792-1843), который эту добавочную силу объяснил и рассчитал. Сила направлена так, что для совмещения с вектором скорости её нужно повернуть на прямой угол в сторону вращения системы.
Увидеть, как «работает» сила Кориолиса, можно при помощи электрического проигрывателя для пластинок, поставив два несложных опыта. Для их проведения вырежьте из плотной бумаги или картона кружок и положите его на диск. Он будет служить вращающейся системой координат. Сразу сделаем замечание: диск проигрывателя вращается по часовой стрелке, а Земля - против. Поэтому силы на нашей модели будут направлены в сторону, противоположную наблюдаемым на Земле в нашем полушарии.
1. Сложите рядом с проигрывателем две стопки книг, чуть выше его диска. На книги положите линейку или прямую планку так, чтобы один её край приходился на диаметр диска. Если при неподвижном диске провести вдоль планки линию мягким карандашом, от его центра к краю, то она, естественно, будет прямой. Если же теперь запустить проигрыватель и провести карандаш вдоль планки, он начертит криволинейную траекторию, уходящую влево, - в полном согласии с законом, рассчитанным Г. Кориолисом.
2. Постройте из стопок книг горку и приклейте к ней скотчем жёлоб из плотной бумаги, ориентированный по диаметру диска. Если скатить небольшой шарик по жёлобу на неподвижный диск, он покатится по диаметру. А на вращающемся диске он станет уходить влево (если, конечно, трение при его качении будет невелико).
Физпрактикум
ЭФФЕКТ МАГНУСА НА СТОЛЕ И В ВОЗДУХЕ
1. Склейте из плотной бумаги небольшой цилиндр. Недалеко от края стола поставьте стопку книг и соедините её с краем стола дощечкой. Когда бумажный цилиндрик скатится с получившейся горки, мы вправе ожидать, что он станет двигаться по параболе прочь от стола. Однако вместо этого цилиндрик круто изогнёт траекторию в другую сторону и залетит под стол!
Его парадоксальное поведение вполне объяснимо, если вспомнить закон Бернулли: внутреннее давление в потоке газа или жидкости становится тем меньше, чем выше скорость потока. Именно на основе этого явления работает, например, пульверизатор: более высокое атмосферное давление выжимает жидкость в поток воздуха с пониженным давлением.
Интересно, что закону Бернулли в какой-то степени подчиняются и людские потоки. В метро, у входа на эскалатор, где движение затруднено, люди собираются в плотную, сильно сжатую толпу. А на быстро идущем эскалаторе они стоят свободно - «внутреннее давление» в потоке пассажиров падает.
Когда цилиндрик падает, продолжая вращаться, скорость его правой стороны вычитается из скорости набегающего потока воздуха, а скорость левой - складывается с ней. Относительная скорость потока воздуха слева от цилиндра больше, а давление в нём ниже, чем справа. Разность давлений и заставляет цилидрик круто изменять траекторию и залетать под стол.
Законы Кориолиса и Магнуса учитывают при запуске ракет, точной стрельбе на дальние расстояния, расчёте турбин, гироскопов и пр.
2. Обмотайте бумажный цилиндрик бумажной или текстильной лентой в несколько оборотов. Если теперь резко дёрнуть за конец ленты, она раскрутит цилиндрик и одновременно придаст ему поступательное движение. В результате под действием сил Магнуса цилиндрик полетит, описывая в воздухе мёртвые петли.
Антициклон
Антициклон - область повышенного атмосферного давления с замкнутыми концентрическими изобарами на уровне моря и с соответствующим распределением ветра. В низком антициклоне - холодном, изобары остаются замкнутыми только в самых нижних слоях тропосферы (до 1,5 км), а в средней тропосфере повышенное давление вообще не обнаруживается; возможно также наличие над таким антициклоном высотного циклона.
Высокий антициклон - теплый и сохраняет замкнутые изобары с антициклонической циркуляцией даже и в верхней тропосфере. Иногда антициклон бывает многоцентровым. Воздух в антициклоне в северном полушарии движется, огибая центр по часовой стрелке (то есть отклоняясь от барического градиента вправо), в южном полушарии - против часовой стрелки. Для антициклона характерно преобладание ясной или малооблачной погоды. Вследствие охлаждения воздуха от земной поверхности в холодное время года и ночью в антициклоне возможно образование приземных инверсий и низких слоистых облаков (St) и туманов. Летом над сушей возможна умеренная дневная конвекция с образованием кучевых облаков. Конвекция с образованием кучевых облаков наблюдается и в пассатах на обращенной к экватору периферии субтропических антициклонов. При стабилизации антициклона в низких широтах возникают мощные, высокие и теплые субтропические антициклоны. Стабилизация антициклонов происходит также в средних и в полярных широтах. Высокие малоподвижные антициклоны, нарушающие общий западный перенос средних широт, называются блокирующими.
Синонимы: область высокого давления, область повышенного давления, барический максимум.
Антициклоны достигают размера несколько тысяч километров в поперечнике. В центре антициклона давление обычно 1020-1030 мбар, но может достигать 1070-1080 мбар. Как и циклоны, антициклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в тропосфере, то есть с запада на восток, отклоняясь при этом к низким широтам. Средняя скорость перемещения антициклона составляет около 30 км/ч в Северном полушарии и около 40 км/ч в Южном, но нередко антициклон надолго принимает малоподвижное состояние.
Признаки антициклона:
- Ясная или малооблачная погода
- Отсутствие ветра
- Отсутствие осадков
- Устойчивый характер погоды (заметно не меняется во времени, пока существует антициклон)
В летний период антициклон приносит жаркую малооблачную погоду. В зимний период антициклон приносит сильные морозы, иногда также возможен морозный туман.
Интересным примером резких изменений в формировании различных воздушных масс служит Евразия . В летнее время над её центральными районами формируется область низкого давления, куда засасывается воздух с соседних океанов. Особенно сильно это проявляется в Южной и Восточной Азии : бесконечная вереница циклонов несет влажный тёплый воздух вглубь материка. Зимой ситуация резко меняется: над центром Евразии формируется область высокого давления - Азиатский максимум , холодные и сухие ветры из центра которого (Монголия , Тыва , Юг Сибири), расходящиеся по часовой стрелке, разносят холод вплоть до восточных окраин материка и вызывают ясную, морозную, практически бесснежную погоду на Дальнем Востоке , в Северном Китае . В западном направлении антициклоны влияют менее интенсивно. Резкие снижения температуры возможны только, если центр антициклона переместится к западу от точки наблюдения, потому что ветер меняет направление с южного на северный. Подобные процессы часто наблюдаются на Восточно-Европейской равнине .
Стадии развития антициклонов
| Предположительно, эта страница или раздел нарушает авторские права.
Eё содержимое, вероятно, скопировано с www.iki.rssi.ru/books/2008astafieva.pdf практически без изменений. |
В жизни антициклона, так же, как и циклона, выделяют несколько стадий развития:
1. Начальная стадия (стадия возникновения), 2. Стадия молодого антициклона, 3. Стадия максимального развития антициклона, 4. Стадия разрушения антициклона.
Наиболее благоприятные условия для развития антициклона складываются, когда его приземный центр располагается под тыловой частью высотной барической ложбины на АТ500, в зоне значительных горизонтальных градиентов геопотенциала (высотная фронтальная зона). Усиливающим эффектом является сходимость изогипс при их циклонической кривизне изогипс, которая по потоку увеличивается. Здесь происходит накопление воздушных масс, что обусловливает динамический рост давления.
Давление у Земли повышается при понижении температуры в вышележащем слое атмосферы (адвекция холода). Наибольшая адвекция холода наблюдается за холодным фронтом в тылу циклона или в передней части усиливающихся антициклонов, где происходит адвективное повышение давления и где формируется область нисходящих движений воздуха.
Обычно стадии возникновения антициклона и молодого антициклона объединяют в одну из-за небольших отличий в структуре термобарического поля.
В начале своего развития антициклон имеет обычно вид отрога, возникшего в тылу циклона. На высотах антициклонические вихри в начальной стадии не прослеживаются. Стадия максимального развития антициклона характеризуется наибольшим давлением в центре. В последней стадии антициклон разрушается. У поверхности Земли в центре антициклона давление понижается.
Начальная стадия развития антициклона
В начальной стадии развития приземный антициклон располагается под тыловой частью высотной барической ложбины, а барический гребень на высотах сдвинут в тыловую часть относительно приземного барического центра. Над приземным центром антициклона в средней тропосфере располагается густая система сходящихся изогипс. (рис. 12.7). Скорости ветра над приземным центром антициклона и несколько правее в средней тропосфере достигают 70-80 км/ч. Термобарическое поле благоприятствует дальнейшему развитию антициклона.
Согласно анализу уравнения тенденции вихря скорости ∂∂κκHtgmHHHHnsnnsnns=++l(), здесь ∂∂Ht>0 (∂Ω∂t<0): при наличии значительных горизонтальных градиентов геопотенциала (>0), имеют место сходимость изогипс (H>0) при их циклонической кривизне (>0), которая увеличивается по потоку (Hnnsκκs>0).
При таких скоростях в области сходимости воздушных течений происходит значительное отклонение ветра от градиентного (т.е. движение становится нестационарным). Развиваются нисходящие движения воздуха, давление растет, в результате чего антициклон усиливается.
На приземной карте погоды антициклон очерчивается одной изобарой. Разность давления между центром и периферией антициклона составляет 5-10 мб. На высоте 1-2 км антициклонический вихрь не выявляется. Область динамического роста давления, обусловленная сходимостью изогипс, распространяется на всё пространство, занятое приземным антициклоном.
Приземный центр антициклона располагается практически под термической ложбиной. Изотермы средней температуры слоя в передней части относительно приземного центра антициклона отклоняются от изогипс влево, что соответствует адвекции холода в нижней тропосфере. В тыловой части относительно приземного центра располагается термический гребень, и наблюдается адвекция тепла
Адвективный (термический) рост давления у земной поверхности охватывает переднюю часть антициклона, где адвекция холода особенно заметна. В тылу антициклона, где имеет место адвекция тепла, наблюдается адвективное падение давления. Линия нулевой адвекции, проходящая через гребень, делит область входа ВФЗ на две части: переднюю, где имеет место адвекция холода (адвективное повышение давления), и тыловую, где имеет место адвекция тепла (адвективное падение давления).
Таким образом, суммарно, область роста давления охватывает центральную и переднюю части антициклона. Наибольший рост давления у поверхности Земли (где совпадают области адвективного и динамического роста давления) отмечается в передней части антициклона. В тыловой части, где динамический рост накладывается на адвективное падение (адвекция тепла) суммарный рост у поверхности Земли будет ослаблен. Однако, до тех пор, пока область значительного динамического роста давления занимает центральную часть приземного антициклона, где адвективное изменение давления равно нулю, будет иметь место усиление возникшего антициклона.
Итак, в результате усиливающего динамического роста давления в передней части входа ВФЗ происходит деформация термобарического поля, приводящая к образованию высотного гребня. Под этим гребнем у Земли и оформляется самостоятельный центр антициклона. На высотах, где повышение температуры вызывает рост давления, область роста давления смещается в тыловую часть антициклона, в сторону области повышения температуры.
Стадия молодого антициклона
Термобарическое поле молодого антициклона в общих чертах соответствует структуре предыдущей стадии: барический гребень на высотах по отношению к приземному центру антициклона заметно сдвинут в тыловую часть антициклона, а над его передней частью располагается барическая ложбина.
Центр антициклона у поверхности Земли располагается под передней частью барического гребня в зоне наибольшего сгущения сходящихся по потоку изогипс, антициклоническая кривизна которых вдоль потока уменьшается. При такой структуре изогипс условия для дальнейшего усиления антициклона наиболее благоприятны.
Сходимость изогипс над передней частью антициклона благоприятствует динамическому росту давления. Здесь также наблюдается адвекция холода, что также благоприятствует адвективному росту давления.
В тыловой части антициклона наблюдается адвекция тепла. Антициклон является термически асимметричным барическим образованием. Термический гребень несколько отстает от барического гребня. Линии нулевого адвективного и динамического изменений давления в этой стадии начинают сближаться.
У поверхности Земли отмечается усиление антициклона – он имеет несколько замкнутых изобар. С высотой антициклон быстро исчезает. Обычно во второй стадии развития замкнутый центр выше поверхности АТ700 не прослеживается.
Стадия молодого антициклона завершается переходом его в стадию максимального развития.
Стадия максимального развития антициклона
Антициклон является мощным барическим образованием с высоким давлением в приземном центре и расходящейся системой приземных ветров. По мере его развития вихревая структура распространяется всё выше и выше (рис. 12.8). На высотах над приземным центром ещё существует густая система сходящихся изогипс с сильными ветрами и значительными градиентами температуры.
В нижних слоях тропосферы антициклон по-прежнему, располагается в массах холодного воздуха. Однако, по мере заполнения антициклона однородным тёплым воздухом на высотах появляется замкнутый центр высокого давления. Линии нулевого адвективного и динамического изменений давления проходят через центральную часть антициклона. Это указывает на то, что динамический рост давления в центре антициклона прекратился, а область наибольшего роста давления перешла на его периферию. С этого момента начинается ослабление антициклона.
Стадия разрушения антициклона
В четвертой стадии развития антициклон является высоким барическим образованием с квазивертикальной осью. Замкнутые центры высокого давления прослеживаются на всех уровнях тропосферы, координаты высотного центра практически совпадают с координатами центра у Земли (рис. 12.9).
С момента усиления антициклона температура воздуха на высотах повышается. В системе антициклона происходит опускание воздуха, и, следовательно, его сжатие и нагревание. В тыловой части антициклона происходит поступление тёплого воздуха (адвекция тепла) в его систему. В результате продолжающейся адвекции тепла и адиабатического нагревания воздуха антициклон заполняется однородным тёплым воздухом, а область наибольших горизонтальных контрастов температуры перемещается на периферию. На над приземным центром располагается очаг тепла.
Антициклон становится термически симметричным барическим образованием. Соответственно уменьшению горизонтальных градиентов термобарического поля тропосферы, адвективные и динамические изменения давления в области антициклона значительно ослабевают.
Из-за расходимости воздушных течений в приземном слое атмосферы давление в системе антициклона понижается, и он постепенно разрушается, что на начальном этапе разрушения более заметно у земной поверхности.
Некоторые особенности развития антициклонов
Эволюция циклонов и антициклонов существенно различается с точки зрения деформации термобарического поля. Возникновение и развитие циклона сопровождается возникновением и развитием термической ложбины, антициклона – возникновением и развитием термического гребня.
Для последних стадий развития барических образований характерно совмещение барических и термических центров, изогипсы и становятся практически параллельными, замкнутый центр прослеживается на высотах, причём, координаты высотного и приземного центров практически совпадают совмещаются (говорят о квазивертикальности высотной оси барического образования). Деформационные различия термобарического поля при формировании и развитии циклона и антициклона приводят к тому, что циклон постепенно заполняется холодным воздухом, антициклон – тёплым воздухом.
Не все возникающие циклоны и антициклоны проходят четыре стадии развития. В каждом отдельном случае могут встретиться те или другие отклонения от классической картины развития. Нередко, возникающие у поверхности Земли барические образования не имеют условий для дальнейшего развития и могут исчезнуть уже в начале своего существования. С другой стороны, имеют место ситуации, когда старое затухающее барическое образование возрождается и активизируется. Такой процесс называют регенерацией барических образований.
Но если у различных циклонов наблюдается более определённое сходство в этапах развития, то антициклоны, по сравнению с циклонами, имеют гораздо большие отличия в развитии и форме. Нередко антициклоны проявляются как вялые и пассивные системы, которые заполняют пространство между гораздо более активными циклоническими системами. Иногда антициклон может достичь значительной интенсивности, но такое развитие в большинстве связано с циклоническим развитием в соседних областях.
Рассматривая структуру и общее поведение антициклонов, можно разделить их на следующие классы. (по Хромову С.П.).
- Промежуточные антициклоны – это быстро движущиеся области повышенного давления между отдельными циклонами одной и той же серии, возникающих на одном и том же главном фронте – по большей части имеют вид гребней без замкнутых изобар, либо с замкнутыми изобарами по горизонтальным размерам того же порядка, что и движущиеся циклоны. Развиваются внутри холодного воздуха.
- Заключительные антициклоны – заключающие развитие серии циклонов, возникающих на одном и том же главном фронте. Они также развиваются внутри холодного воздуха, но обычно имеют несколько замкнутых изобар и могут иметь значительные горизонтальные размеры. Имеют тенденцию по мере развития к приобретению малоподвижного состояния.
- Стационарные антициклоны умеренных широт, т.е. длительно существующие малоподвижные антициклоны в арктическом или полярном воздухе, горизонтальные размеры которых сравнимы иногда со значительной частью материка. Обычно это зимние антициклоны над материками и являются, главным образом, результатом развития антициклонов второго тира (реже – первого).
- Субтропические антициклоны – длительно существующие малоподвижные антициклоны, наблюдающиеся над океаническими поверхностями. Эти антициклоны периодически усиливаются вторжениями из умеренных широт полярного воздуха с подвижными заключительными антициклонами. В тёплый сезон субтропические антициклоны хорошо выражены на средних месячных картах только над океанами (над континентами располагаются размытые области пониженного давления). В холодный сезон субтропические антициклоны имеют тенденцию сливаться с холодными антициклонами над континентами.
- Арктические антициклоны – более или менее устойчивые области повышенного давления в арктическом бассейне. Являются холодными, поэтому вертикальная мощность их ограничивается нижней тропосферой. В верхней части тропосферы они сменяются полярной депрессией. В возникновении арктических антициклонов большую роль играет охлаждение от подстилающей поверхности, т.е. они являются местными антициклонами.
Высота, до которой простирается антициклон, зависит от температурных условий в тропосфере. Подвижные и заключительные антициклоны обладают низкими температурами в нижних слоях атмосферы и температурной асимметрией в вышележащих. Они относятся к средним или низким барическим образованиям.
Высота стационарных антициклонов умеренных широт растет по мере их стабилизации, сопровождающейся потеплением атмосферы. Чаще всего это высокие антициклоны, с замкнутыми изогипсами в верхней тропосфере. Зимние антициклоны над сильно выхоложенной сушей, например, над Сибирью, могут быть низкими или средними, поскольку нижние слои тропосферы здесь очень выхоложены.
Субтропические антициклоны являются высокими – тропосфера в них тёплая.
Арктические антициклоны, являющиеся, в основном, термическими, – низкие.
Нередко высокие тёплые и малоподвижные антициклоны, развивающиеся в средних широтах, на длительное время (порядка недели и более) создают макромасштабные нарушения зонального переноса и отклоняет траектории подвижных циклонов и антициклонов от западно-восточного направления. Такие антициклоны носят название блокирующих антициклонов. Центральные циклоны вместе с блокирующими антициклонами определяют направление основных течений общей циркуляции в тропосфере.
Высокие и тёплые антициклоны и холодные циклоны являются, соответственно, очагами тепла и холода в тропосфере. В районах между этими очагами создаются новые фронтальные зоны, усиливаются контрасты температуры и снова возникают атмосферные вихри, которые проходят тот же цикл жизни.
География постоянных антициклонов
- Антарктический антициклон
- Бермудский антициклон
- Гавайский антициклон
- Гренландский антициклон
- Северотихоокеанский антициклон
- Южно-Атлантический антициклон
- Южно-Индийский антициклон
- Южно-Тихоокеанский антициклон
Циклон или антициклон – это определенная вихревая форма циркуляции атмосферы.
Циклон – это замкнутая изобарическая область с низким давлением в центре и увеличением давления от центра к периферии циклона.
Антициклон – это замкнутая изобарическая область с повышенным давлением в центре и снижением давления от центра к периферии антициклона.
По широтной зоне образования циклоны разделяют на внетропические и тропические, а антициклоны – на внетропические и субтропические.
Циклоны и антициклоны получают название по названию района возникновение или вхождения на территорию региона. Например, сибирский антициклон, среднеземноморский циклон и т. п.
Диаметр циклона составляет около 1000 км. Глубина внетропических циклонов (то есть давление в центре) колеблется от 950 до 1050 мб. Ветер у поверхности Земли в северном полушарии обращает вихрь против часовой стрелки, так как ветер направлен в сторону низкого давления. Температура в молодых циклонах распределенная неравномерно. По мере развития циклона температура выравнивается. В центральной части циклона наблюдается облачность и осадки. Поэтому обычно в циклонах погода плохая. В центральной части циклона происходит перемещение воздушных масс с запада на восток. Скорость перемещения составляет 30-50 км/ч. В северном полушарии движение воздуха осуществляется против часовой стрелки, в южном полушарии – по часовой стрелкой.
Диаметр антициклона около 2000 км. Давление в центре антициклона составляет 1020-1030 мб, иногда может достигать 1070 мб. В антициклоне ветер в северном полушарии вращает вихрь по часовой стрелке. В центральной части антициклона обычно малооблачная погода. В северном полушарии движение воздуха осуществляется по часовой стрелке, в южном полушарии – против часовой стрелки.
Циклоны и антициклоны разделяют на стационарные (которые перемещаются с скоростью меньшее 5 км/ч), малоподвижные (скорость движения 5-10 км/ч) и подвижные (скорость движения свыше 10 км/ч).
Возникновение, развитие и движение циклонов и антициклонов называют циклонической деятельностью. Она является важным звеном общей циркуляции атмосферы. Известно, что в тропической зоне Земли накапливается огромное количество тепловой энергии, а в полярных областях затрата тепла превышает ее поступление от Солнца. По этой причине, вследствие неравномерного поступления солнечной радиации на земную поверхность и ее поглощения над отдельным районами получаются большие градиенты температуры воздуха. Это вызывает образование фронтов.
Циклоны и антициклоны могут быть фронтальными (получаются на фронтах) и нефронтальными . К нефронтальным циклонам относятся тропические и термические, которые возникают летом над сушей при сильном нагреве воздуха от подстилающей поверхности. Нефронтальные антициклоны чаще образуются зимой над сильно охлажденными континентами.
Внетропические циклоны в большинства случаев являются фронтальными. Внетропические фронтальные антициклоны обычно формируются в холодном воздухе и перемещаются за холодным фронтом в тыл циклонов.
В эволюции внетропических фронтальных циклонов условно выделяют три стадии:
- стадия возникновения . Начальным условием возникновения циклона есть движение воздушных масс по обе стороны фронта в противоположном направлении или в одном направлении, но с разными скоростями. При таком движении воздушных масс на каком-то участке прямолинейного фронта сначала происходит искривление линии фронта в виде волны. Воздушный поток в месте возникновения волны образовывает завихрение: часть холодного воздуха начинает вклиниваться под теплый воздух, а часть теплого воздуха натекает по наклонной поверхности на холодный воздух. При таком движении воздушных масс на стационарном фронте возникает два подвижных участка: холодный и теплый фронты, которые постоянно удлиняются. Появление вихревого движения воздуха сопровождается снижением давления в небольшой области, которая ограничена на синоптической карте одной замкнутой изобарой, кратной 5 гПа;
- стадия молодого циклона . Характеризуется образованием хорошо выраженного теплого сектора циклона, который расположен между холодным и теплым фронтом и системой нескольких замкнутых изобар. Так как скорость холодного фронта больше скорости теплого фронта, то спустя некоторое время проходит сужение теплого сектора, который сопровождается дальнейшим снижением давления в центре циклона;
- стадия максимального развития циклона . Падание давления в его центральной части прекращается, теплый сектор суживается, в тыловой части появляются вторичные холодные фронты. На этой стадии развития облачная система циклона приобретает четко выраженную спиралеобразную формы, при этом происходит смыкание облачных спиралей теплого и холодного фронтов (окклюдирование). Дальнейшее окклюдирование циклона приводит к вытеснению теплого воздуха вверх и исчезновение отдельно существовавших теплого и холодного фронтов. Близ поверхности земли он заполняется холодным воздухом, который в процессе дальнейшей эволюции циклона распространяется вверх. Масса воздуха увеличивается, поэтому возрастает давление в центре циклона;
- стадия заполнения . На этой стадии развития циклона фронты окклюзии размываются, поскольку циклон состоит из почти однородного воздуха, облачные системы деградируют, горизонтальные градиенты температуры и давления значительно уменьшаются, резко падает скорость ветра и в конце концов, циклон исчезает как самостоятельная барическая система возле земли, хотя на высоте он может прослеживаться еще на протяжении некоторого времени.
Существование циклона от начала окклюдирования до его полного исчезновения на синоптической карте происходит за 3-4 суток.
Загрузка...
