Атмосфера неоднородна. В ее составе, особенно вблизи земной поверхности, можно выделить воздушные массы.
Воздушные массы - отдельные крупные объемы воздуха, обладающие определенными общими свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью и т.д.) и движущиеся как одно целое. Однако внутри этого объема ветры могут быть разные. Свойства воздушной массы определяются районом ее формирования. Она приобретает их в процессе соприкосновения с подстилающей поверхностью, над которой она формируется или задерживается. Воздушные массы имеют разные свойства. Например, воздух Арктики имеет низкие, а воздух тропиков высокие температуры во все сезоны года, воздух северной Атлантики существенно отличается от воздуха материка Евразии. Горизонтальные размеры воздушных масс огромны, они соизмеримы с материками и океанами или их крупными частями. Выделяют главные (зональные) типы воздушных масс, формирующихся в поясах с разным атмосферным давлением: арктические (антарктические), умеренные (полярные), тропические и экваториальные. Зональные воздушные массы подразделяются на морские и континентальные - в зависимости от характера подстилающей поверхности в районе их формирования.
Арктический воздух формируется над Северным Ледовитым океаном, а зимой еще и над севером Евразии и Северной Америки. Воздух характеризуется низкой температурой, малым влагосодержанием, хорошей видимостью и устойчивостью. Его вторжения в умеренные широты вызывают значительные и резкие похолодания и обусловливают преимущественно ясную и малооблачную погоду. Арктический воздух подразделяется на следующие разновидности.
Морской арктический воздух (мАв) - формируется в более теплой Европейской Арктике, свободной от льда, с более высокой температурой и большим влагосодержанием. Его вторжения на материк зимой вызывают потепление.
Континентальный арктический воздух (кАв) - формируется над Центральной и Восточной ледяной Арктикой и северным побережьем материков (зимой). Воздух имеет очень низкие температуры, низкое влагосодержание. Вторжение кАв на материк обусловливает сильное похолодание при ясной погоде и хорошей видимости.
Аналогом арктического воздуха в Южном полушарии является антарктический воздух, но влияние его распространяется преимущественно на прилегающие морские поверхности, реже - на южную оконечность Южной Америки.
Умеренный (полярный) воздух. Это воздух умеренных широт. В нем также различают два подтипа. Континентальный умеренный воздух (кУв), который формируется над обширными поверхностями материков. Зимой он очень охлажден и устойчив, погода обычно ясная с крепкими морозами. Летом он сильно прогревается, в нем возникают восходящие токи, образуются облака, нередко выпадают дожди, наблюдаются грозы. Морской умеренный воздух (мУв) формируется в средних широтах над океанами, западными ветрами и циклонами переносится на материки. Он характеризуется высокой влажностью и умеренными температурами. Зимой мУв приносит пасмурную погоду, обильные осадки и повышение температуры (оттепели). Летом он также приносит большую облачность, дожди; температура при его вторжении понижается.
Умеренный воздух проникает в полярные, а также субтропические и тропические широты.
Тропический воздух формируется в тропических и субтропических широтах, а летом - и в континентальных районах на юге умеренных широт. Различают два подтипа тропического воздуха. Континентальный тропический воздух (кТв) образуется над сушей, характеризуется высокими температурами, сухостью и запыленностью. Морской тропический воздух (мТв) формируется над тропическими акваториями (тропическими зонами океана), отличается высокой температурой и влажностью.
Тропический воздух проникает в умеренные и экваториальные широты.
Экваториальный воздух формируется в экваториальной зоне из тропического воздуха, приносимого пассатами. Он характеризуется высокими температурами и большой влажностью в течении всего года. Кроме того, эти качества сохраняются и над сушей, и над морем, поэтому на морские и континентальные подтипы экваториальный воздух не подразделяется.
Воздушные массы находятся в непрерывном движении. При этом если воздушные массы движутся в более высокие широты или на более холодную поверхность, их называют теплыми, так как они приносят потепление. Воздушные массы, перемещающиеся в более низкие широты или на более теплую поверхность, называются холодными. Они приносят похолодание.
Перемещаясь в другие географические районы, воздушные массы постепенно меняют свои свойства, прежде всего температуру и влажность, т.е. переходят в воздушные массы другого типа. Процесс превращения воздушных масс из одного типа в другой под влиянием местных условий называется трансформацией. Например, тропический воздух, проникая к экватору и в умеренные широты, трансформируется соответственно в экваториальный и умеренный воздух. Морской умеренный воздух, оказавшись в глубине континентов, зимой охлаждается, а летом нагревается и всегда иссушается, превращаясь в континентальный умеренный воздух.
Все воздушные массы связаны между собой в процессе постоянного их перемещения, в процессе общей циркуляции тропосферы.
Воздушные массы - большие объёмы воздуха в нижней части земной атмосферы - тропосфере, имеющие горизонтальные размеры во много сотен или несколько тысяч километров и вертикальные размеры в несколько километров, характеризующиеся примерной однородностью температуры и влагосодержания по горизонтали.
Виды: Арктический или антарктический воздух (АВ), Умеренный воздух (УВ), Тропический воздух (ТВ), Экваториальный воздух (ЭВ).
Воздух в вентиляционных слоях может перемещаться в виде ламинарного или турбулентного потока. Понятие «ламинарный» означает, что отдельные потоки воздуха параллельны друг другу и движутся в вентиляционном пространстве без завихрений. В случае турбулентного потока его частицы движутся не только параллельно, но и совершают поперечное движение. Это приводит к вихреобразованию по всему сечению вентиляционного канала.
Состояние воздушного потока в вентиляционном пространстве зависит от : Скорости потока воздуха, Температуры воздуха, Площади сечения вентиляционного канала, Формы и поверхности строительных элементов на границе вентиляционного канала.
В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны) .
Воздух непрерывно движется: он поднимается - восходящее движение, опускается - нисходящее движение. Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Причиной возникновения ветра является неравномерное распределение давления воздуха на поверхность Земли, которое вызвано неравномерным распределением температуры. При этом воздушный поток движется от мест с большим давлением в сторону, где давление меньше.
При ветре воздух движется не равномерно, а толчками, порывами, особенно у поверхности Земли. Существует много причин, которые влияют на движение воздуха: трение воздушного потока о поверхность Земли, встреча с препятствиями и др. Кроме того, воздушные потоки под влиянием вращения Земли отклоняются в северном полушарии вправо, а в южном - влево.
Вторгаясь в районы с иными тепловыми свойствами поверхности, воздушные массы постепенно трансформируются. Например, морской умеренный воздух, поступая на сушу и продвигаясь в глубь материка, постепенно нагревается и иссушается, превращаясь в континентальный. Трансформация воздушных масс особенно характерна для умеренных широт, в которые время от времени вторгается теплый и сухой воздух из тропических широт и холодный и сухой - из приполярных
Взаимодействие океана и атмосферы.
27. Циркуляция воздушных масс.
© Владимир Каланов,
"Знания-сила".
Перемещение воздушных масс в атмосфере определяется тепловым режимом и изменением давления воздуха. Совокупность основных воздушных течений над планетой называется общей циркуляцией атмосферы . Основные крупномасштабные атмосферные движения, слагающие общую циркуляцию атмосферы: воздушные течения, струйные течения, воздушные потоки в циклонах и антициклонах, пассаты и муссоны.
Движение воздуха относительно земной поверхности – ветер – появляется потому, что атмосферное давление в различных местах воздушной массы неодинаково. Принято считать, что ветер – это горизонтальное движение воздуха. На самом деле воздух движется обычно не параллельно поверхности Земли, а под небольшим углом, т.к. атмосферное давление меняется и в горизонтальном и в вертикальном направлениях. Направление ветра (северный, южный и т.д.) означает, откуда ветер дует. Под силой ветра подразумевается его скорость. Чем она выше, тем ветер сильней. Скорость ветра измеряют на метеорологических станциях на высоте 10 метров над Землёй, в метрах в секунду. На практике силу ветра оценивают в баллах. Каждый балл соответствует двум-трём метрам в секунду. При силе ветра в 9 баллов его уже считают штормовым, а при 12 баллах – ураганом. Распространённый термин «буря» означает любой очень сильный ветер, независимо от количества баллов. Скорость сильного ветра, например, при тропическом урагане, достигает огромных значений – до 115 м/с и более. Ветер возрастает в среднем с высотой. У поверхности Земли его скорость снижается трением. Зимой скорость ветра в целом выше, чем в летнее время. Наибольшие скорости ветра наблюдаются в умеренных и полярных широтах в тропосфере и нижней стратосфере.
Не совсем ясна закономерность изменения скорости ветра над материками на небольших высотах (100–200 м). здесь скорости ветра достигают самых больших значений после полудня, а самых малых – в ночное время. Это наблюдается лучше всего летом.
Очень сильные ветры, до штормовых, бывают днём в пустынях Центральной Азии, а ночью наступает полный штиль. Но уже на высоте 150–200 м наблюдается прямо противоположная картина: максимум скорости ночью и минимум днём. Такая же картина наблюдается и летом, и зимой в умеренных широтах.
Много неприятностей может принести порывистый ветер пилотам самолётов и вертолётов. Струи воздуха, движущиеся в различных направлениях, толчками, порывами, то ослабевая, то усиливаясь, создают большое препятствие для движения воздушных судов – появляется болтанка – опасное нарушение нормального полёта.
Ветры, дующие с горных хребтов выхоложенного материка в направлении тёплого моря, называются борой . Это – сильный, холодный, порывистый ветер, дующий обычно в холодное время года.
Многим известна бора в районе Новороссийска, на Черном море. Здесь созданы такие природные условия, что скорость боры может достигать 40 и даже 60 м/с, а температура воздуха понижается при этом до минус 20°С. Бора возникает чаще всего в период с сентября по март, в среднем 45 дней в году. Иногда последствия её были такими: замерзала гавань, лёд покрывал корабли, строения, набережную, с домов срывались крыши, опрокидывались вагоны, суда сбрасывались на берег. Бора наблюдается и в других районах России – на Байкале, на Новой Земле. Известна бора на Средиземном побережье Франции (там она называется мистраль) и в Мексиканском заливе.
Иногда в атмосфере возникают вертикальные вихри с быстрым спиралеобразным движением воздуха. Эти вихри называются смерчами (в Америке их называют торнадо). Смерчи бывают диаметром в несколько десятков метров, иногда до 100–150 м. измерить скорость воздуха внутри смерча чрезвычайно трудно. По характеру производимых смерчем разрушений оценочными величинами скорости вполне могут быть 50–100 м/с, а в особенно сильных вихрях – до 200–250 м/с с большой вертикальной составляющей скорости. Давление в центре поднимающегося вверх столба смерча падает на несколько десятков миллибар. Миллибары для определения давления обычно используют в синоптической практике (наряду с миллиметрами ртутного столба). Для перевода баров (миллибаров) в мм. ртутного столба существуют специальные таблицы. В системе СИ атмосферное давление измеряется в гектопаскалях. 1гПа=10 2 Па=1мб=10 -3 бар.
Смерчи существуют недолго – от нескольких минут до нескольких часов. Но и за это небольшое время они успевают натворить много бед. При подходе смерча (над сушей смерчи иногда называют тромбами) к зданиям разница между давлением внутри здания и в центре тромба приводит к тому, что здания как бы взрываются изнутри – разрушаются стены, вылетают стекла и рамы, срываются крыши, иногда не обходится и без человеческих жертв. Бывают случаи, когда людей, животных, а также различные предметы смерч поднимает в воздух и переносит на десятки, а то и сотни метров. В своём движении смерчи продвигаются на несколько десятков километров над морем и ещё больше – над сушей. Разрушительная сила смерчей над морем меньше, чем над сушей. В Европе тромбы редки, чаще они возникают в азиатской части России. Но особенно часты и разрушительны торнадо в США. О смерчах и торнадо читайте дополнительно на нашем сайте в разделе .
Атмосферное давление очень изменчиво. Оно зависит от высоты столба воздуха, его плотности и ускорения силы тяжести, которое изменяется в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. Плотностью воздуха называется масса единицы его объёма. Плотность влажного и сухого воздуха заметно отличается только при высокой температуре и большой влажности. При понижении температуры плотность увеличивается, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных величин температуры и давления. Косвенно плотность воздуха измеряют по торможению искусственных спутников Земли, а также из наблюдений за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, создаваемых метеорологическими ракетами.
В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м 3 , на высоте 5 км – 0,735, на высоте 20 км – 0,087, а на высоте 40 км – 0,004 кг/м 3 .
Чем короче столб воздуха, т.е. чем выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой усложняет эту зависимость. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное, и при подъёме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь принадлежит изменениям плотности воздуха. Из основного уравнения статики можно вычислить значение вертикального градиента давления, показывающего изменение давления при перемещении на единицу высоты, т.е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Градиент давления – это и есть сила, приводящая в движение воздух. Кроме силы градиента давления в атмосфере действуют силы инерции (сила Кориолиса и центробежная), а также сила трения. Все воздушные течения рассматриваются относительно Земли, которая вращается вокруг своей оси.
Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это система поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей.
Вертикальный разрез изобарических поверхностей над циклоном (Н) и антициклоном
(В).
Поверхности проведены через равные интервалы давления p.
Изобарические поверхности не могут быть параллельны друг другу и земной поверхности, т.к. температура и давление постоянно изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности имеют разнообразный вид – от прогнутых вниз неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов».
При пересечении горизонтальной плоскостью изобарических поверхностей получаются кривые – изобары, т.е. линии, соединяющие пункты с одинаковыми значениями давления.
Карты изобар, которые строятся по результатам наблюдений в определённый момент времени, называются синоптическими картами. Карты изобар, составленные по средним многолетним данным за месяц, сезон, год, называются климатологическими.
Многолетние средние карты абсолютной топографии изобарической поверхности 500 мб
за декабрь - февраль.
Высоты в геопотенциальных декаметрах.
На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 гектопаскалям (гПа).
На картах ограниченного района изобары могут обрываться, но на карте всего Земного шара каждая изобара, естественно, замкнута.
Но и на ограниченной карте часто бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления. Области с пониженным давлением в центре – это циклоны , а области с относительно повышенным давлением – это антициклоны .
Под циклоном понимают огромный вихрь в нижнем слое атмосферы, имеющий в центре пониженное атмосферное давление и восходящее движение воздушных масс. В циклоне давление возрастает от центра к периферии, а воздух движется против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном полушарии. Восходящее движение воздуха приводит к образованию облачности и к осадкам. Из космоса циклоны выглядят в виде закручивающихся облачных спиралей в умеренных широтах.
Антициклон – это область высокого давления. Он возникает одновременно с развитием циклона и представляет собой вихрь с замкнутыми изобарами и самым высоким давлением в центре. Ветры в антициклоне дуют по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки – в Южном. В антициклоне всегда существует нисходящее движение воздуха, что препятствует возникновению мощной облачности и продолжительных осадков.
Таким образом, крупномасштабная циркуляция атмосферы в умеренных широтах постоянно сводится к образованию, развитию, движению, а затем к затуханию и исчезновению циклонов и антициклонов. Циклоны, возникающие на фронте, разделяющем тёплую и холодную воздушные массы, движутся в сторону полюсов, т.е. переносят тёплый воздух в полярные широты. Наоборот, антициклоны, возникающие в тылу циклонов в холодной воздушной массе, движутся в субтропические широты, перенося туда холодный воздух.
Над европейской территорией России в год возникают в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона достигает 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, часть из которых имеет давление в центре более 1050 гПа. Среднее давление в Северном полушарии на уровне моря равно 1013,7 гПа, а в Южном полушарии – 1011,7 гПа.
В январе в северных частях Атлантики и Тихого океана наблюдаются области низкого давления, названные Исландской и Алеутской депрессиями . Депрессии , или барические минимумы , характеризуются минимальными значениями давления – в среднем около 995 гПа.
В такой же период года над Канадой и Азией возникают области высокого давления, названные Канадским и Сибирским антициклонами. Самое высокое давление (1075–1085 гПа) регистрируется в Якутии и Красноярском крае, а минимальное – в тайфунах над Тихим океаном (880–875 гПа).
Депрессии наблюдаются в районах, где часто возникают циклоны, которые по мере продвижения на восток и северо-восток постепенно заполняются и уступают место антициклонам. Азиатский и Канадский антициклоны возникают благодаря наличию на этих широтах обширных континентов Евразии и Северной Америки. В этих районах зимой антициклоны преобладают над циклонами.
Летом над этими материками схема барического поля и циркуляции коренным образом меняется, и зона образования циклонов в Северном полушарии смещается в более высокие широты.
В умеренных широтах Южного полушария циклоны, возникающие над однородной поверхностью океанов, двигаясь на юго-восток, встречают льды Антарктиды и здесь застаиваются, имея в своих центрах низкое давление воздуха. Зимой и летом Антарктида окружена поясом низкого давления (985–990 гПа).
В субтропических широтах циркуляция атмосферы различна над океанами и в районах соприкосновения материков и океанов. Над Атлантическим и Тихим океанами в субтропиках обоих полушарий имеются области высокого давления: это Азорский и Южноатлантический субтропические антициклоны (или барические минимумы) в Атлантике и Гавайский и Южнотихоокеанский субтропические антициклоны в Тихом океане.
Наибольшее количество солнечного тепла постоянно получает экваториальная область. Поэтому в экваториальных широтах (до 10° северной и южной широты вдоль экватора) в течение круглого года удерживается пониженное атмосферное давление, а в тропических широтах, в полосе 30–40° с. и ю.ш. – повышенное, вследствие чего образуются постоянные потоки воздуха, направленные от тропиков к экватору. Эти воздушные потоки называются пассатами . Пассатные ветры дуют в течение всего года, меняя лишь в незначительных пределах свою интенсивность. Это самые устойчивые ветры на Земном шаре. Сила горизонтального барического градиента направляет потоки воздуха из областей повышенного давления в область пониженного давления в меридиональном направлении, т.е. на юг и на север. Примечание: горизонтальный барический градиент – это разность давлений, приходящаяся на единицу расстояния по нормали к изобаре.
Но меридиональное направление пассатов изменяется под действием двух сил инерции – отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса) и центробежной силы, а также под действием силы трения воздуха о земную поверхность. Сила Кориолиса воздействует на каждое тело, движущееся вдоль меридиана. Пусть 1 кг воздуха в Северном полушарии расположен на широте µ и начинает двигаться со скоростью V вдоль меридиана на север. Этот килограмм воздуха, как и любое тело на Земле, имеет линейную скорость вращения U=ωr , где ω – угловая скорость вращения Земли, а r – расстояние до оси вращения. По закону инерции этот килограмм воздуха будет сохранять линейную скорость U , которую он имел на широте µ . Продвигаясь на север, он окажется на более высоких широтах, где радиус вращения меньше и линейная скорость вращения Земли меньше. Таким образом это тело опередит неподвижные тела, расположенные на том же меридиане, но в более высоких широтах.
Для наблюдателя это будет выглядеть как отклонение этого тела вправо под действием какой-то силы. Эта сила и есть сила Кориолиса. По этой же логике килограмм воздуха в Южном полушарии отклонится влево от направления движения. Горизонтальная составляющая силы Кориолиса, действующая на 1 кг воздуха, равна СК=2wVsinY. Она и отклоняет воздух, действуя под прямым углом к вектору скорости V. В Северном полушарии она отклоняет этот вектор вправо, а в Южном полушарии – влево. Из формулы следует, что сила Кориолиса не возникает, если тело покоится, т.е. она действует только тогда, когда воздух движется. В атмосфере Земли величины горизонтального барического градиента и силы Кориолиса имеют один порядок, поэтому иногда они почти уравновешивают друг друга. В таких случаях движение воздуха почти прямолинейно, и он движется не вдоль градиента давления, а вдоль изобары или близко к ней.
Воздушные течения в атмосфере обычно имеют вихревой характер, поэтому в таком движении на каждую единицу массы воздуха действует центробежная сила P=V/R , где V - скорость ветра, а R – радиус кривизны траектории движения. В атмосфере эта сила всегда меньше силы барического градиента и поэтому остаётся, так сказать, силой «местного значения».
Что касается силы трения, возникающей между движущимся воздухом и поверхностью Земли, то она в определённой мере замедляет скорость ветра. Происходит это так: нижние объёмы воздуха, снизившие свою горизонтальную скорость из-за неровностей земной поверхности, переносятся с нижних уровней вверх. Таким образом трение о земную поверхность передаётся вверх, постепенно ослабевая. Замедление скорости ветра заметно в так называемом планетарном пограничном слое , составляющем 1,0 – 1,5 км. выше 1,5 км влияние трения незначительно, поэтому более высокие слои воздуха называют свободной атмосферой .
В экваториальной зоне линейная скорость вращения Земли наибольшая, соответственно здесь и сила Кориолиса наибольшая. Поэтому в тропическом поясе Северного полушария пассаты дуют почти всегда с северо-востока, а в Южном полушарии – с юго-востока.
Низкое давление в экваториальной зоне наблюдается постоянно, зимой и летом. Полоса низкого давления, охватывающая по экватору весь Земной шар, называется экваториальной ложбиной .
Набрав силу над океанами обоих полушарий, два пассатных потока, двигаясь навстречу друг другу, устремляются к центру экваториальной ложбины. На линии низкого давления они сталкиваются, образуя так называемую внутритропическую зону конвергенции (конвергенция означает «сходимость»). В результате этой «сходимости» происходит восходящее движение воздуха и его отток выше пассатов к субтропикам. Этот процесс и создаёт условия для существования зоны конвергенции постоянно, в течение года. Иначе сходящиеся воздушные потоки пассатов быстро заполнили бы ложбину.
Восходящие движения влажного тропического воздуха приводят к образованию мощного слоя кучево-дождевых облаков протяженностью 100–200 км, из которых обрушиваются тропические ливни. Таким образом получается, что внутритропическая зона конвергенции становится местом, где дожди выливаются из пара, собранного пассатами над океанами.
Так упрощенно, схематично выглядит картина циркуляции атмосферы в экваториальной зоне Земли.
Ветры, изменяющие своё направление по сезонам, называют муссонами . Арабское слово «маусин», означающее «время года», дало название этим устойчивым воздушным течениям.
Муссоны, в отличие от струйных течений, возникают в определённых районах Земли, где дважды в год преобладающие ветры движутся в противоположных направлениях, образуя летний и зимний муссоны. Летний муссон – это поток воздуха с океана на материк, зимний – с материка на океан. Известны тропические и внетропические муссоны. В Северо-Восточной Индии и Африке зимние тропические муссоны складываются с пассатами, а летние юго-западные полностью разрушают пассаты. Самые мощные тропические муссоны наблюдаются в северной части Индийского океана и в Южной Азии. Внетропические муссоны зарождаются в возникающих над континентом мощных устойчивых областях повышенного давления в зимнее время и пониженного – в летнее время.
Типичными в этом отношении являются районы русского Дальнего Востока, Китая, Японии. Например, Владивосток, лежащий на широте Сочи из-за действия внетропического муссона зимой холоднее Архангельска, а летом здесь часто бывают туманы, осадки, с моря поступает влажный и прохладный воздух.
Многие тропические страны Южной Азии получают влагу, приносимую в виде проливных дождей летним тропическим муссоном.
Любые ветры являются результатом взаимодействия различных физических факторов, возникающих в атмосфере над определенными географическими районами. К местным ветрам относятся бризы . Они появляются вблизи береговой черты морей и океанов и имеют суточную смену направления: днём они дуют с моря на сушу, а ночью с суши на море. Объясняется это явление разницей температур над морем и сушей в разное время суток. Теплоёмкость суши и моря разная. Днём в тёплую погоду солнечные лучи нагревают сушу быстрее, чем море, и давление над сушей уменьшается. Воздух начинает двигаться в сторону меньшего давления – дует морской бриз . Вечером всё происходит наоборот. Суша и воздух над ней излучают тепло быстрее, чем море, давление становится выше, чем над морем, и воздушные массы устремляются в сторону моря – дует береговой бриз . Бризы особенно отчётливы при тихой солнечной погоде, когда им ничего не мешает, т.е. не накладываются другие потоки воздуха, которые легко заглушают бризы. Скорость бриза редко бывает выше 5 м/с, но в тропиках, где разность температур поверхностей моря и суши значительна, бризы дуют иногда со скоростью 10 м/с. В умеренных широтах бризы проникают в глубь территории на 25–30 км.
Бризы, собственно говоря, те же муссоны, только в меньшем масштабе – они имеют суточный цикл и изменение направления зависит от смены ночи и дня, муссоны же имеют годовой цикл и меняют направление в зависимости от времени года.
Океанские течения, встречая на своём пути берега материков, разделяются на две ветви, направленные вдоль побережий материков к северу и югу. В Атлантическом океане южная ветвь образует Бразильское течение, омывающее берега Южной Америки, а северная ветвь – тёплый Гольфстрим, переходящая в Североатлантическое течение, и под названием Нордкапского течения достигающая Кольского полуострова.
Тихом океане северная ветвь экваториального течения переходит в Куро-Сиво.
Ранее мы уже упоминали о сезонном тёплом течении у берегов Эквадора, Перу и Северного Чили. Оно возникает обычно в декабре (не каждый год) и вызывает резкое снижение улова рыбы у берегов этих стран из-за того, что в тёплой воде очень мало планктона – основного пищевого ресурса для рыбы. Резкое повышение температуры прибрежных вод вызывает развитие кучево-дождевых облаков, из которых проливаются сильные дожди.
Рыбаки иронически назвали это тёплое течение Эль-Ниньо, что означает «рождественский подарок» (от исп. el ninjo – младенец, мальчик). Но мы хотим подчеркнуть не эмоциональное восприятие чилийскими и перуанскими рыбаками этого явления, а его физическую причину. Дело в том, что повышение температуры воды у берегов Южной Америки вызывается не только тёплым течением. Изменения в общую обстановку в системе «океан-атмосфера» на огромных просторах Тихого океана вносит и атмосферный процесс, названный «Южным колебанием ». Этот процесс, взаимодействуя с течениями, определяет все физические явления, происходящие в тропиках. Всё это подтверждает, что циркуляция воздушных масс в атмосфере, особенно над поверхностью Мирового океана, представляет собой сложный, многомерный процесс. Но при всей сложности, подвижности и изменчивости воздушных течений всё же существуют определённые закономерности, в силу которых в тех или иных районах Земли из года в год повторяются основные крупномасштабные, а также местные процессы циркуляции атмосферы.
В заключение главы приведём некоторые примеры использования энергии ветра. Энергию ветра люди используют с незапамятных времён, с тех пор, как они научились ходить в море под парусом. Потом появились ветряные мельницы, а позднее – ветровые двигатели – источники электроэнергии. Ветер – вечный источник энергии, запасы которой неисчислимы. К сожалению, использование ветра в качестве источника электроэнергии представляет большую сложность из-за изменчивости его скорости и направления. Однако с помощью ветряных электродвигателей стало возможным достаточно эффективное использование энергии ветра. Лопасти ветряка заставляют его почти всегда «держать нос» по ветру. Когда ветер имеет достаточную силу, ток идёт непосредственно к потребителям: на освещение, к холодильным установкам, приборам различного назначения и на зарядку аккумуляторов. Когда ветер стихает, аккумуляторы отдают в сеть накопленную электроэнергию.
На научных станциях в Арктике и Антарктике электроэнергия ветровых двигателей даёт свет и тепло, обеспечивает работу радиостанций и других потребителей электроэнергии. Конечно, на каждой научной станции имеются дизель-генераторы, для которых нужно иметь постоянный запас топлива.
Самые первые мореплаватели использовали силу ветра стихийно, без учёта системы ветров и океанских течений. Они просто ничего не знали о существовании такой системы. Знания о ветрах и течениях накапливались столетиями и даже тысячелетиями.
Один из современников китайский мореплаватель Чжэн Хэ в течение 1405-1433 гг. возглавил несколько экспедиций, которые проходили так называемым Великим муссонным путём от устья реки Янцзы к Индии и восточным берегам Африки. Сохранились сведения о масштабах первой из этих экспедиций. Она состояла из 62 кораблей с 27800 участниками. Для плавания экспедиций китайцы использовали свои знания закономерностей муссонных ветров. Из Китая они уходили в море в конце ноября – начале декабря, когда дует северо-восточный зимний муссон. Попутный ветер помогал им достигать Индии и Восточной Африки. Возвращались они в Китай в мае – июне, когда устанавливался летний юго-западный муссон, который в Южно-Китайском море становился южным.
Возьмём пример из более близкого к нам времени. Речь пойдёт о путешествиях знаменитого норвежского учёного Тура Хейердала. С помощью ветра, а точнее, с помощью пассатов Хейердал смог доказать научную ценность двух своих гипотез. Первая гипотеза заключалась в том, что острова Полинезии в Тихом океане могли быть, по мнению Хейердала, заселены когда-то в прошлом выходцами из Южной Америки, которые пересекли значительную часть Тихого океана на своих примитивных плавсредствах. Эти плавсредства представляли собой плоты из бальсового дерева, которое примечательно тем, что после длительного пребывания в воде оно не меняет свою плотность, а потому не тонет.
Жители Перу пользовались такими плотами в течение тысячелетий, ещё до империи инков. Тур Хейердал в 1947 г. связал плот из больших бальсовых брёвен и назвал его «Кон-Тики», что означает Солнце-Тики – божество предков полинезийцев. Взяв «на борт» своего плота пятерых любителей приключений, он отправился в путь под парусом из Кальяо (Перу) в Полинезию. В начале плавания плот несло Перуанское течение и юго-восточный пассат, а затем за работу принялся восточный пассат Тихого океана, который почти три месяца без перерыва дул исправно на запад, и через 101 сутки Кон-Тики благополучно прибыл на один из островов архипелага Туамоту (ныне Французская Полинезия).
Вторая гипотеза Хейердала состояла в том, что он считал вполне возможным, что культура ольмеков, ацтеков, майя и других племён Центральной Америки была перенесена из Древнего Египта. Это было возможным, по мнению учёного, потому, что когда-то в древности люди плавали через Атлантический океан на папирусных лодках. Доказать состоятельность этой гипотезы Хейердалу помогли также пассаты.
Вместе с группой спутников-единомышленников он совершил два плавания на папирусных лодках «Ра-1» и «Ра-2». Первая лодка («Ра-1») развалилась, не дойдя до американского берега нескольких десятков километров. Экипаж подвергся серьёзной опасности, но всё обошлось благополучно. Лодку для второго плавания («Ра-2») вязали «специалисты высшего класса» – индейцы из Центральных Анд. Выйдя из порта Сафи (Марокко), папирусная лодка «Ра-2» через 56 суток пересекла Атлантический океан и достигла острова Барбадос (примерно в 300–350 км от побережья Венесуэлы), преодолев 6100 км пути. Сначала лодку подгонял северо-восточный пассат, а начиная с середины океана – восточный пассат.
Научность второй гипотезы Хейердала была доказана. Но было доказано и другое: несмотря на благополучный исход плавания, лодка, связанная из пучков папируса, камыша, тростника или другого водного растения, для плавания в океане не годится. Подобный «кораблестроительный материал» не должен использоваться, т.к. он быстро намокает и погружается в воду. Ну, а если найдутся ещё любители, одержимые желанием переплыть океан на каких-нибудь экзотических плавсредствах, то пусть они имеют в виду, что плот из бальсового дерева надёжнее, чем папирусная лодка, а также то, что такое путешествие всегда и в любом случае опасно .
© Владимир
Каланов,
"Знания-сила"
С самого детства меня завораживали невидимые движения вокруг нас: слабый ветерок, кружащий осенние листья в тесном дворике или мощный зимний циклон. Оказывается, эти процессы имеют вполне понятные физические законы.
Какие силы заставляют воздушные массы двигаться
Теплый воздух легче, чем холодный – этот простой принцип способен объяснить движение воздуха на планете. Начинается всё на экваторе. Здесь солнечные лучи падают на поверхность Земли под прямым углом, и маленькой частичке экваториального воздух достается чуть больше тепла, чем соседним. Эта теплая частица становится легче, чем соседние, а значит, начинает всплывать вверх до тех пор, пока не растеряет всё тепло и не начнет снова опускаться. Но движение вниз уже происходит в тридцатых широтах Северного или Южного полушария.
Если бы не существовало дополнительных сил, так бы воздух и двигался от экватора к полюсам. Но существуют не одна, а сразу несколько сил, которые заставляют воздушные массы перемещаться:
- Сила плавучести. Когда теплый воздух всплывает, а холодный остается внизу.
- Сила Кориолиса. О ней расскажу чуть ниже.
- Рельеф планеты. Сочетания морей и океанов, гор и равнин.
Отклоняющая сила вращения Земли
Метеорологам было бы легче, если бы наша планета не вращалась. Но она вращается! Это порождает отклоняющую силу вращения Земли или силу Кориолиса. Из-за движения планеты та самая «легкая» частица воздуха не только вытесняется, скажем, на север, но и смещается вправо. Либо она вытесняется на юг и отклоняется влево.
Так зарождаются постоянные ветра западных или восточных направлений. Возможно, вы слышали о течении Западных Ветров или о Ревущих сороковых? Эти постоянные движения воздуха возникли именно благодаря силе Кориолиса.
Моря и океаны, горы и равнины
Окончательную неразбериху вносит рельеф. Распределение суши и океана изменяет классическую циркуляцию. Так, в Южном полушарии суши намного меньше, чем в Северном, и ничто не мешает воздуху двигаться над водной гладью в нужном ему направлении, нет ни гор, ни крупных городов, тогда как Гималаи в корне меняют циркуляцию воздуха в своем районе.
Движение воздушных масс
Весь воздух Земли непрерывно циркулирует между экватором и полюсами. Нагретый у экватора воздух поднимается вверх, разделяется на две части, одна часть начинает двигаться к северному полюсу, другая часть - к южному полюсу. Доходя до полюсов, воздух охлаждается. У полюсов он закручивается и опускается вниз.
Рисунок 1. Принцип закручивания воздуха
Получается два огромных вихря, каждый из которых охватывает по целому полушарию, центры этих вихрей находятся у полюсов.
Опустившись у полюсов, воздух начинает двигаться обратно к экватору, у экватора нагретый воздух поднимается вверх. Затем опять движется к полюсам.
В нижних слоях атмосферы движение несколько сложнее. В нижних слоях атмосферы воздух от экватора как обычно начинает двигаться к полюсам, но у 30-ой параллели опускается вниз. Одна его часть возвращается к экватору, где снова поднимается вверх, другая его часть, опустившись у 30-ой параллели вниз, продолжает движение к полюсам.
Рисунок 2. Движение воздуха северного полушария
Понятие ветра
Ветер – движение воздуха относительно земной поверхности (горизонтальная составляющая этого движения), иногда говорят о восходящем или о нисходящем ветре, учитывая и его вертикальную составляющую.
Скорость ветра
Оценка скорости ветра в баллах, так называемая шкала Бофорта ,по которой весь интервал возможных скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с различными его эффектами, такими, как степень волнения на море, качание ветвей и деревьев, распространение дыма из труб и т.п. Каждая градация по шкале Бофорта носит определенное название. Так, нулю шкалы Бофорта соответствует штиль, т.е. полное отсутствие ветра. Ветер в 4 балла,по Бофорту называется умеренным и соответствует скорости 5–7 м/сек; в 7 баллов – сильным, со скоростью 12–15 м/сек;в 9 баллов – штормом, со скоростью 18–21 м/сек;наконец, ветер в 12 баллов по Бофорту – это уже ураган, со скоростью свыше 29 м/сек. У земной поверхности чаще всего приходится иметь дело с ветрами, скорости которых порядка 4–8 м/сек и редко превышают 12–15 м/сек.Но все же в штормах и ураганах умеренных широт скорости могут превышать 30 м/сек, а в отдельных порывах достигать 60 м/сек.В тропических ураганах скорости ветра доходят до 65 м/сек,а отдельные порывы – до 100 м/сек.В маломасштабных вихрях (смерчи, тромбы) возможны скорости и более 100 м/сек.В так называемых струйных течениях в верхней тропосфере и в нижней стратосфере средняя скорость ветра за длительное время и на большой площади может доходить до 70–100 м/сек. Скорость ветра у земной поверхности измеряется анемометрами разной конструкции. Приборы для измерения ветра на наземных станциях устанавливаются на высоте 10–15 м над земной поверхностью.
| Таблица 1. СИЛА ВЕТРА. | |||
| Шкала Бофорта для определения силы ветра | |||
| Баллы | Визуальные признаки на суше | Скорость ветра, км/ч | Термины, определяющие силу ветра |
| Спокойно; дым поднимается вертикально | Менее 1,6 | Штиль | |
| Направление ветра заметно по отклонению дыма, но не по флюгеру | 1,6–4,8 | Тихий | |
| Ветер ощущается кожей лица; шелестят листья; поворачиваются обычные флюгеры | 6,4–11,2 | Легкий | |
| Листья и мелкие веточки находятся в постоянном движении; развеваются легкие флаги | 12,8–19,2 | Слабый | |
| Ветер поднимает пыль и бумажки; раскачиваются тонкие ветви | 20,8–28,8 | Умеренный | |
| Качаются покрытые листвой деревья; появляется рябь на водоемах суши | 30,4–38,4 | Свежий | |
| Качаются толстые ветви; слышен свист ветра в электропроводах; трудно удерживать зонт | 40,0–49,6 | Сильный | |
| Качаются стволы деревьев; трудно идти против ветра | 51,2–60,8 | Крепкий | |
| Ломаются ветви деревьев; практически невозможно идти против ветра | 62,4–73,6 | Очень крепкий | |
| Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу с крыш | 75,2–86,4 | Шторм | |
| На суше бывает редко. Деревья выворачиваются с корнями. Значительные разрушения строений | 88,0–100,8 | Сильный шторм | |
| На суше бывает очень редко. Сопровождается разрушениями на большом пространстве | 102,4–115,2 | Жестокий шторм | |
| Сильные разрушения (Баллы 13–17 были добавлены Бюро погоды США в 1955 и применяются в шкалах США и Великобритании) | 116,8–131,2 | Ураган | |
| 132,8–147,2 | |||
| 148,8–164,8 | |||
| 166,4–182,4 | |||
| 184,0–200,0 | |||
| 201,6–217,6 | |||
Направление ветра
Под направлением ветра подразумевают направление, откуда он дует. Указать это направление можно, назвав либо точку горизонта, откуда дует ветер, либо угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, т.е. его азимут. В первом случае различают восемь основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад. И восемь промежуточных румбов между ними: север-северо-восток, восток-северо-восток, восток-юго-восток, юг-юго-восток, юг-юго-запад, запад-юго-запад, запад-северо-запад, север-северо-запад. Шестнадцать румбов, указывающих направление, откуда дует ветер, имеют сокращенные обозначения:
| Таблица 2. СОКРАЩЁННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ РУМБОВ | |||||||
| С | N | В | E | Ю | S | W | |
| CCB | NNE | ВЮВ | ESE | ЮЮЗ | SSW | ЗСЗ | WNW |
| CB | NE | ЮВ | SE | ЮЗ | SW | СЗ | NW |
| BCB | ENE | ЮЮВ | SSE | ЗЮЗ | WSW | ССЗ | NNW |
| N – норд, E – ост, S – зюйд, W – вест |
Циркуляция атмосферы
Циркуляция атмосферы - метеорологические наблюдения над состоянием воздушной оболочки земного шара - атмосферы - показывают, что она вообще не находится в покое: при помощи флюгеров и анемометров мы постоянно наблюдаем в виде ветра перенос масс воздуха с одного места на другое. Изучение ветров в различных местностях земного шара показало, что перемещения атмосферы в тех нижних слоях, которые доступны нашему наблюдению, имеют весьма различный характер. Существуют местности, где явления ветра, как и прочие особенности погоды обладают весьма ясно выраженным характером устойчивости, известным стремлением к постоянству. В других же местностях ветры так быстро и часто меняют свой характер, так резко и внезапно изменяется их направление и сила, как будто бы никакой законности в их быстрых сменах не существовало. С введением синоптического метода для изучения непериодических изменений погоды явилась, однако, возможность подметить некоторую связь между распределением давления и передвижениями масс воздуха; дальнейшие теоретические исследования Ферреля, Гульдберга и Мона, Гельмгольца, Бецольда, Обербека, Шпрунга, Вернера Сименса и других метеорологов разъяснили, откуда и как возникают воздушные потоки и как они распределяются по земной поверхности и в массе атмосферы. Внимательное изучение метеорологических карт, изображающих состояние нижнего слоя атмосферы, - погоду у самой поверхности земли, показало, что давление атмосферы распределяется по земной поверхности довольно неравномерно, обыкновенно в виде областей с более низким или с более высоким, чем в окружающем районе, давлением; по системе ветров, в них возникающей, эти области представляют собою настоящие атмосферные вихри. Области пониженного давления принято называть обыкновенно барометрическими минимумами, барометрическими депрессиями или циклонами; области повышенного давления называются барометрическими максимумами или антициклонами. С этими областями теснейшим образом связана и вся погода в занимаемом ими районе, резко отличающаяся для областей пониженного давления от погоды в областях сравнительно высокого давления. Перемещаясь по земной поверхности, упомянутые области переносят с собою и характерную, им свойственную погоду, и своими перемещениями вызывают ее непериодические изменения. Дальнейшее изучение тех и других областей привело к тому заключению, что эти типы распределения атмосферного давления могут иметь еще различный характер по способности сохранять свое существование и менять свое положение на земной поверхности, отличаются очень не одинаковою устойчивостью: существуют барометрические минимумы и максимумы временные и постоянные. В то время, как первые - вихри - временные и не обнаруживают достаточной устойчивости и более или менее быстро переменяют свое место на земной поверхности, то усиливаясь, то ослабевая и, наконец, совершенно распадаясь в сравнительно короткие промежутки времени, области постоянных максимумов и минимумов обладают чрезвычайно большой устойчивостью и в течение весьма продолжительного времени держатся, без существенных изменений, на одном и том же месте. С различною устойчивостью этих областей теснейшим образом связана, конечно, и устойчивость погоды и характер воздушных течений в занимаемом ими районе: постоянным максимумам и минимумам будут соответствовать и постоянная, устойчивая погода и определенная, неизменная система ветров, месяцами держащиеся на месте их существования; временные же вихри при своих быстрых, постоянных перемещениях и изменениях вызывают крайне переменчивую погоду и очень непостоянную для данного района систему ветров. Таким образом, в нижнем слое атмосферы, вблизи земной поверхности, перемещения атмосферы отличаются большим разнообразием и сложностью, а кроме того, не всегда и не везде обладают и достаточной устойчивостью, особенно в тех районах, где преобладают вихри временного характера. Каковы будут движения масс воздуха в несколько более высоких слоях атмосферы, обычные наблюдения не говорят ничего; только наблюдения над движениями облаков позволяют думать, что там - на некоторой высоте над поверхностью земли, все вообще движения воздушных масс несколько упрощаются, носят более определенный и более однообразный характер. А между тем нет недостатка в фактах, указывающих на огромное влияние высоких слоев атмосферы на погоду в нижних: достаточно, напр., указать, что направление передвижения временных вихрей стоит, по-видимому, в прямой зависимости от движения высоких слоев атмосферы. Поэтому еще прежде, чем наука стала располагать достаточным количеством фактов, чтобы решать вопрос о перемещениях высоких слоев атмосферы, явились уже некоторые теории, пытавшиеся объединить все отдельные наблюдения над движениями нижних слоев воздуха и создать общую схему Ц. атмосферы; такова, напр., была теория Ц. атмосферы, данная Мори. Но, пока не было собрано достаточного числа фактов, пока не было вполне выяснено соотношение между давлением воздуха в данных пунктах и ею перемещениями, до тех пор подобные теории, основанный более на гипотезах, чем на фактических данных, не могли дать реального представления о том, что в действительности может совершаться и совершается в атмосфере. Только к концу минувшего XIX в. накопилось достаточно для этого фактов и динамика атмосферы была разработана настолько, что явилась возможность дать действительную, а не гадательную картину Ц. атмосферы. Честь решения вопроса об общем круговороте масс воздуха в атмосфере принадлежит американскому метеорологу Уильяму Феррелю - решения, настолько общего, полного и верного, что все позднейшие исследователи в этой области только разрабатывали детали или вносили дальнейшие дополнения в основные идеи Ферреля. Основною причиною всех движений в атмосфере является неравномерное нагревание различных точек земной поверхности солнечными лучами. Неодинаковость нагревания влечет за собою возникновение разности давлений над различно нагретыми точками; а результатом разности давлений всегда и неизменно явится передвижение масс воздуха от мест более высокого к местам более низкого давления. Поэтому, вследствие сильного нагревания экваториальных широт и очень низкой температуры полярных стран в обоих полушариях, воздух, прилегающий к земной поверхности, должен придти в движение. Если, по имеющимся наблюдениям, подсчитать средние температуры различных широт, то экватор окажется в среднем на 45° теплее полюсов. Для определения направления движения необходимо проследить распределение давления но земной поверхности и в массе атмосферы. Чтобы исключить сильно осложняющее все расчеты неравномерное распределение суши и вод по земной поверхности, Феррель сделал предположение, что и суша, и вода равномерно распределены по параллелям, и подсчитал средние температуры различных параллелей, понижение температуры по мере поднятия на некоторую высоту над земною поверхностью и давление внизу; а затем по этим данным он уже вычислил и давление на некоторых других высотах. Следующая небольшая табличка представляет результат подсчетов Ферреля и дает распределение давления в среднем по широтам на поверхности земли и на высотах 2000 и 4000 м.
| Таблица 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПО ШИРОТАМ НА ПОЫЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И НА ВЫСОТАХ 2000 И 4000 М | ||||||||
| Среднее давление в Северном полушарии | ||||||||
| На широте: | 80 ○ | 70 ○ | 60 ○ | 50 ○ | 40 ○ | 30 ○ | 20 ○ | 10 ○ |
| На уровне моря | 760,5 | 758,7 | 758,7 | 760,07 | 762,0 | 761,7 | 759,2 | 757,9 |
| На высоте 2000 м | 582,0 | 583,6 | 587,6 | 593,0 | 598,0 | 600,9 | 600,9 | 600,9 |
| На высоте 4000 м | 445,2 | 446,6 | 451,9 | 457,0 | 463,6 | 468,3 | 469,9 | 470,7 |
| Среднее давление в Южном полушарии | ||||||||
| На широте: | (экватор) | 10 ○ | 20 ○ | 30 ○ | 40 ○ | 50 ○ | 60 ○ | 70 ○ |
| На уровне моря | 758,0 | 759,1 | 761,7 | 763,5 | 760,5 | 753,2 | 743,4 | 738,0 |
| На высоте 2000 м | 601,1 | 601,6 | 602,7 | 602,2 | 597,1 | 588,0 | 577,0 | 569,9 |
| На высоте 4000 м | 471,0 | 471,1 | 471,1 | 469,3 | 463,1 | 453,7 | 443,9 | 437,2 |
Если оставить пока в стороне самый нижний слой атмосферы, где распределение температуры, давления, а также и течений очень неравномерно, то на некоторой высоте, как видно из таблички, вследствие восходящего тока нагретого воздуха близ экватора, мы находим над этим последним повышенное давление, равномерно уменьшающееся к полюсам и здесь достигающее своей наименьшей величины. При таком распределении давления на этих высотах над земной поверхностью должен образоваться грандиозный поток, охватывающий целое полушарие и относящий поднимающиеся вблизи экватора массы теплого, нагретого воздуха к центрам низкого давления, - к полюсам. Если принять в расчет еще отклоняющее действие центробежной силы, происходящей от суточного вращения земли вокруг своей оси, которое должно отклонить всякое движущееся тело вправо от первоначального направления в северном, влево - в южном полушариях, то на рассматриваемых высотах в каждом полушарии образовавшийся поток превратится, очевидно, в огромный вихрь, переносящий массы воздуха в направлении от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку - в южном полушарии.
Наблюдения над движением перистых облаков и другие подтверждают эти теоретические выводы. По мере того, как суживаются, с приближением к полюсам, круги широт, скорость движения воздушных масс в этих вихрях будет возрастать, но до известного предела; затем она делается более постоянной. Вблизи полюса притекающие массы воздуха должны опускаться вниз, уступая место вновь притекающему воздуху, образуя нисходящий поток, а затем понизу должны течь обратно к экватору. Между обоими потоками должен находиться на некоторой высоте нейтральный слой воздуха, находящегося в покое. Внизу, однако, такого правильного переноса масс воздуха от полюсов к экватору не наблюдается: предшествующая табличка показывает, что в нижнем слое воздуха давление атмосферы будет внизу наивысшим не на полюсах, каким оно должно было бы быть при правильном, соответствующем верхнему, его распределении. Наивысшее давление в нижнем слое падает на широту около 30°-35° в обоих полушариях; следовательно, от этих центров повышенного давления нижние течения будут направляться и к полюсам, и к экватору, образуя две обособленные системы ветров. Причина этого явления, теоретически также разъясненного Феррелем, заключается в следующем. Оказывается, что на некоторой высоте над земною поверхностью, в зависимости от изменения широты места, величины градиента и коэффициента трения, меридиональная слагающая скорости движения масс воздуха может упасть до 0. Это именно и происходит в широтах ок. 30°-35°: здесь на некоторой высоте не только поэтому не существует движения воздуха, по направлению к полюсам, но даже идет, вследствие его непрерывного притока от экватора и от полюсов, его накопление, которое и ведет к повышению в этих широтах давления внизу. Таким образом, у самой поверхности земли в каждом полушарии возникают, как уже упомянуто, две системы течений: от 30° к полюсам дуют ветры, направленные в среднем от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку в южном полушарии; от 30° к экватору дуют ветры от СВ к ЮЗ в северном, от ЮВ к СЗ в южном полушарии. Эти две последние системы ветров, дующих в обоих полушариях между экватором и широтою 31°, образуют как бы широкое кольцо, разделяющее в нижних и средних слоях атмосферы оба грандиозных вихря, переносящие воздух от экватора к полюсам (см. также Давление атмосферы). Там, где образуются восходящие и нисходящие потоки воздуха, наблюдаются затишья; таково именно происхождение экваториального и тропических поясов тишины; подобный же пояс тишины должен, по Феррелю, существовать и на полюсах.
Куда же, однако, девается растекающийся от полюсов к экватору по низу обратный поток воздуха? Но необходимо принять во внимание, что по мере удаления от полюсов размеры кругов широт, а следовательно, и площади поясов равной ширины, занимаемые растекающимися массами воздуха, быстро возрастают; что скорость потоков должна быстро уменьшаться обратно пропорционально увеличению этих площадей; что на полюсах, наконец, опускается сверху вниз сильно разреженный в верхних слоях воздух, объем которого весьма быстро уменьшается по мере возрастания книзу давления. Все эти причины объясняют вполне, почему трудно, и даже прямо невозможно, уследить на некотором расстояния от полюсов за этими обратными нижними потоками. Такова в общих чертах схема общей циркуляционной атмосферы в предположении равномерного распределения суши и вод по параллелям, данная Феррелем. Наблюдения вполне ее подтверждают. Только в нижнем слое атмосферы воздушные течения будут, как это указывает и сам Феррель, много сложнее этой схемы именно вследствие неравномерности распределения суши и вод, и неодинаковости их нагревания лучами солнца и их охлаждения при отсутствии или уменьшении инсоляции; горы и возвышенности также немало влияют на перемещения самых нижних слоев атмосферы.
Внимательное изучение перемещений атмосферы вблизи земной поверхности показывает вообще, что вихревые системы представляют собою основную форму таких перемещений. Начиная с грандиозных вихрей, обнимающих, по Феррелю, каждый целое полушарие, вихрей, как их можно назвать, первого порядка, вблизи земной поверхности приходится наблюдать последовательно уменьшающиеся в своих размерах вихревые системы, до элементарно малых и простых вихрей включительно. Как результат взаимодействия различных по своим скоростям и направлениям потоков в области вихрей первого порядка, вблизи земной поверхности возникают вихри второго порядка - упомянутые в начале настоящей статьи постоянные и временные барометрические максимумы и минимумы, представляющие по своему происхождению как бы производную предыдущих вихрей. Изучение образования гроз привело А. В. Клоссовского и других исследователей к заключению, что и эти явления суть не что иное, как подобные же по строению, но несравненно меньшие по размерам сравнительно с предыдущими, вихри третьего порядка. Эти вихри возникают, по-видимому, на окраинах барометрических минимумов (вихрей второго порядка) совершенно подобно тому, как вокруг крупного углубления, образуемого на воде веслом, которым мы гребем при плавании на лодке, образуются мелкие, весьма быстро крутящиеся и исчезающие водовороты. Совершенно таким же образом барометрические минимумы второго порядка, представляющие собою мощные воздушные круговороты, при своем движении образуют более мелкие воздуховороты, имеющие, по сравнению с образующим их минимумом, очень незначительные размеры.
Если эти вихри сопровождаются электрическими явлениями, что может быть нередко вызвано соответствующими условиями температуры и влажности в притекающем к центру барометрического минимума по низу воздухе, то они являются в виде грозовых вихрей, сопровождаемых обычными явлениями электрического разряда, громом и молнией. Если условия не благоприятствуют развитию грозовых явлений, эти вихри третьего порядка мы наблюдаем в виде быстро преходящих бурь, шквалов, ливней и т. п. Есть, однако, полное основание думать, что и этими тремя категориями, столь различными по масштабу явления, вихревые движения атмосферы не исчерпываются. Строение смерчей, тромбов и т. п. явлений показывает, что и в этих явлениях мы имеем дело также с настоящими вихрями; но размеры этих вихрей четвертого порядка еще меньше, еще незначительнее, чем вихрей грозовых. Изучение движений атмосферы приводит нас, таким образом, к заключению, что перемещения воздушных масс происходят преимущественно - если не исключительно - путем возникновения вихрей. Возникая под влиянием чисто температурных условий, вихри первого порядка, охватывающие каждый целое полушарие, дают начало вблизи земной поверхности вихрям меньших размеров; эти, в свою очередь, являются причиной возникновения еще более мелких вихрей. Происходит как бы постепенная дифференцировка более крупных вихрей в более мелкие; но основной характер всех этих вихревых систем остается совершенно один и тот же, начиная с более крупных и до самых незначительных по своим размерам, даже у смерчей и тромбов.
Относительно вихрей второго порядка - постоянных и временных барометрических максимумов и минимумов - остается сказать еще следующее. Исследования Гофмейера, Тейссеран де Бора и Гильдебрандсона указали на тесную связь между возникновением и особенно перемещением максимумов и минимумов временных с изменениями, претерпеваемыми максимумами и минимумами постоянными. Уже то, что эти последние при всевозможных изменениях погоды в окружающих их областях весьма мало изменяют свои границы или контуры, указывает, что здесь мы имеем дело с некоторыми постоянно действующими причинами, лежащими выше воздействия обычных факторов погоды. По Тейссеран де Бору, разности давления, обусловленные неравномерностью нагревания или охлаждения различных частей земной поверхности, суммируясь под влиянием непрерывного нарастания первичного фактора в течение более или менее продолжительного промежутка времени, дают начало крупным барометрическим максимумам и минимумам. Если первичная причина действует непрерывно или достаточно продолжительно, результатом ее действия явятся постоянные, устойчивые вихревые системы. Достигнув известных размеров и достаточной интенсивности, такие постоянные максимумы и минимумы являются уже определителями или регуляторами погоды на огромных районах в их окружности. Такие крупные, постоянные максимумы и минимумы получили в последнее время, когда выяснилась их роль в явлениях погоды окружающих их стран, название центров действия атмосферы. Вследствие неизменности в конфигурации земной поверхности и вытекающей отсюда непрерывности воздействия первичной причины, вызывающей их существование, положение таких максимумов и минимумов на земном шаре является вполне определенным и неизменным до известной степени. Но, в зависимости от различных условий, их границы и их интенсивность могут в известных пределах изменяться. А эти изменения их интенсивности и их очертаний, в свою очередь, должны отозваться на погоде не только соседних, а иногда даже и довольно отдаленных стран. Так, исследования Тейссеран де Бора вполне установили зависимость погоды в Европе от одного из следующих центров действия: аномалии отрицательного характера, сопровождающиеся понижением температуры сравнительно с нормальною, вызываются усилением и расширением Сибирского максимума или же усилением и надвиганием Азорского максимума; аномалии положительного характера - с повышением температуры против нормальной - находятся в прямой зависимости от перемещения и интенсивности Исландского минимума. Гильдебрандсон пошел в этом направлении еще далее и вполне успешно попытался связать изменения в интенсивности и передвижения двух названных Атлантических центров с изменениями не только Сибирского максимума, но и центров давления на Индийском океане.
Воздушные массы
Наблюдения за погодой получили достаточно широкое распространение во второй половине 19 века. Они были необходимы для составления синоптических карт, показывающих распределение давления и температуры воздуха, ветра и осадков. В результате анализа этих наблюдений сложилось представление о воздушных массах. Это понятие позволило объединять отдельные элементы, выявлять различные условия погоды и давать её прогнозы.
Воздушной массой называется большой объём воздуха, имеющий горизонтальные размеры несколько сотен или тысячи километров и вертикальные размеры – порядка 5 км, характеризующийся примерной однородностью температуры и влажности и перемещающийся как единая система в одном из течений общей циркуляции атмосферы (ОЦА)
Однородность свойств воздушной массы достигается формированием её над однородной подстилающей поверхностью и в сходных радиационных условиях. Кроме того, необходимы такие циркуляционные условия, при которых воздушная масса длительно задерживалась бы в районе формирования.
Значения метеорологических элементов в пределах воздушной массы меняются незначительно – сохраняется их непрерывность, горизонтальные градиенты малы. При анализе метеорологических полей до тех пор, пока мы остаемся в данной воздушной массе, можно с достаточным приближением применять линейную графическую интерполяцию при проведении, например, изотерм.
Резкое возрастание горизонтальных градиентов метеорологических величин, приближающееся к скачкообразному переходу от одних значений к другим, или, по крайней мере, изменение величины и направления градиентов происходит в переходной (фронтальной зоне) между двумя воздушными массами. В качестве наиболее характерного признака той или иной воздушной массы принимается псевдопотенциальная температура воздуха, отражающая и действительную температуру воздуха и его влажность.
Псевдопотенциальная температура воздуха – температура, которую бы принял воздух при адиабатическом процессе, если бы сначала весь содержащийся в нём водяной пар сконденсировался при неограниченно падающем давлении и выпал из воздуха и выделившаяся скрытая теплота пошла бы на нагревание воздуха, а затем воздух был бы приведён под стандартное давление.
Поскольку более тёплая воздушная масса обычно бывает и более влажной, то разность псевдопотенциальных температур двух соседних воздушных масс бывает значительно большей, чем разность их действительных температур. Вместе с тем, псевдопотенциальная температура медленно изменяется с высотой в пределах данной воздушной массы. Это её свойство помогает определять напластование воздушных масс одной над другой в тропосфере.
Масштабы воздушных масс
Воздушные массы имеют тот же порядок, что и основные течения общей циркуляции атмосферы. Линейная протяженность воздушных масс в горизонтальном направлении измеряется тысячами километров. По вертикали воздушные массы простираются вверх на несколько километров тропосферы, иногда до её верхней границы.
При местных циркуляциях, таких, например, как бризы, горно-долинные ветры, фены, воздух в циркуляционном потоке также более или менее обособлен по свойствам и движению от окружающей атмосферы. Однако в этом случае говорить о воздушных массах нельзя, поскольку масштаб явлений здесь будет иной.
Например, полоса, охваченная бризом, может иметь ширину всего 1-2 десятка километров, и потому не получит достаточного отражения на синоптической карте. Вертикальная мощность бризового течения также равна нескольким сотням метров. Таким образом, при местных циркуляциях мы имеем дело не с самостоятельными воздушными массами, а лишь с возмущённым состоянием внутри воздушных масс на небольшом протяжении.
Объекты, возникающие в результате взаимодействия воздушных масс – переходные зоны (фронтальные поверхности), фронтальные облачные системы облачности и осадков, циклонические возмущения, имеют тот же порядок величины, что и сами воздушные массы – сравнимы по площади с большими частями материков или океанов и время их существования – более 2-х суток (табл. 4 ):
Воздушная масса имеет чёткие границы, отделяющие её от других воздушных масс.
Переходные зоны между воздушными массами, обладающими различными свойствами, называются фронтальными поверхностями.
В пределах одной и той же воздушной массы можно с достаточным приближением применять графическую интерполяцию, например, при проведении изотерм. Но при переходе через фронтальную зону из одной воздушной массы в другую линейная интерполяция уже не даст правильного представления о действительном распределении метеорологических элементов.
Очаги формирования воздушных масс
Воздушная масса приобретает чёткие характеристики в очаге формирования.
Очаг формирования воздушных масс должен отвечать определённым требованиям:
Однородность подстилающей поверхности воды или суши, чтобы воздух в очаге подвергался достаточно сходным воздействиям.
Однородность радиационных условий.
Циркуляционные условия, способствующие стационированию воздуха в данном районе.
Очагами формирования обычно бывают области, где воздух опускается, а затем распространяется в горизонтальном направлении - этому требованию отвечают антициклонические системы. Антициклоны чаще, чем циклоны, бывают малоподвижными, поэтому формирование воздушных масс обычно и происходит в обширных малоподвижных (квазистационарных) антициклонах.
Кроме того, требованиям очага отвечают малоподвижные и размытые термические депрессии, возникающие над нагретыми участками суши.
Наконец, формирование полярного воздуха происходит частично в верхних слоях атмосферы в малоподвижных, обширных и глубоких центральных циклонах в высоких широтах. В этих барических системах происходит трансформация (превращение) тропического воздуха, втянутого в высокие широты в верхних слоях тропосферы, в полярный воздух. Все перечисленные барические системы также можно назвать очагами воздушных масс уже не с географической, а с синоптической точки зрения.
Географическая классификация воздушных масс
Воздушные массы классифицируют, прежде всего, по очагам их формирования в зависимости от расположения в одном из широтных поясов – арктическом, или антарктическом, полярном, или умеренных широт, тропическом и экваториальном.
Согласно географической классификации, воздушные массы можно подразделить на основные географические типы по тем широтным зонам, в которых располагаются их очаги:
Арктический или антарктический воздух (АВ),
Полярный, или умеренный, воздух (ПВ или УВ),
Тропический воздух (ТВ). Данные воздушные массы, кроме того, подразделяют на морские (м) и континентальные (к) воздушные массы: мАВ и кАВ, мУВ и кУВ (или мПВ и кПВ), мТВ и кТВ.
Экваториальные воздушные массы (ЭВ)
Что касается экваториальных широт, здесь происходит конвергенция (сходимость потоков) и подъём воздуха, поэтому располагающиеся над экватором воздушные массы обычно приносятся из субтропической зоны. Но иногда выделяют самостоятельные экваториальные воздушные массы.
Иногда, кроме очагов в точном смысле слова, выделяют районы, где зимой воздушные массы трансформируются из одного типа в другой при их перемещении. Это районы в Атлантике южнее Гренландии и в Тихом океане над Беринговым и Охотским морями, где кПВ превращается в мПВ, районы над Юго-восточной частью Северной Америки и к югу от Японии в Тихом океане, где кПВ превращается в мПВ в процессе зимнего муссона, и район на юге Азии, где азиатский кПВ превращается в тропический воздух (также в муссонном потоке)
Трансформация воздушных масс
При изменении циркуляционных условий воздушная масса как единое целое смещается из очага своего формирования в соседние районы, взаимодействуя с другими воздушными массами.
При перемещении воздушная масса начинает изменять свои свойства – они уже будут зависеть не только от свойств очага формирования, но и от свойств соседних воздушных масс, от свойств подстилающей поверхности, над которой проходит воздушная масса, а также от длительности времени, прошедшего с момента образования воздушной массы.
Эти влияния могут вызвать изменения в содержании влаги в воздухе, а также изменение температуры воздуха в результате высвобождения скрытой теплоты или теплообмена с подстилающей поверхностью.
Процесс изменения свойств воздушной массы называется трансформацией или эволюцией.
Трансформация, связанная с движением воздушной массы, называется динамической. Скорости перемещения воздушной массы на разных высотах будут различными, наличие сдвига скоростей вызывает турбулентное перемешивание. Если нижние слои воздуха нагреваются, то возникает неустойчивость и развивается конвективное перемешивание.
Загрузка...
