Вспомните
- Можно ли взвесить воздух? Как изменяется вес воздуха при его нагревании и охлаждении? Почему тепло, приходящее от Солнца, на земной поверхности распределяется в зависимости от географической широты?
Почему атмосфера давит на земную поверхность. Земля притягивает все находящиеся на ней предметы: растения, воду рек, озер и океанов, а также воздух атмосферы. Притягивающиеся тела с разной силой давят на земную поверхность.
Атмосферная циркуляция - это движение воздуха на всех уровнях атмосферы во всех частях планеты. Движущей силой атмосферной циркуляции является солнечная энергия, которая нагревает атмосферу с различной интенсивностью на экваторе, средних широтах и полюсах. Дифференциальное нагревание приводит к тому, что воздух поднимается в атмосфере в некоторых местах на планете, а затем возвращается к поверхности Земли в других местах. Вращение Земли на ее оси и неравномерное распределение наземных и водных масс на планете также способствуют к атмосферной циркуляции.
Атмосферное давление - это сила, с которой воздух давит на земную поверхность и все находящиеся на ней предметы.
На каждый квадратный сантиметр поверхности атмосфера давит с силой 1 кг 33 г. Люди, как и другие живые организмы, приспособлены к этому давлению. Мы его не чувствуем, так как оно уравновешивается давлением, существующим внутри организма.
Идеализированная модель атмосферной циркуляции
Хэдли узнал, что воздух на экваторе нагревается сильнее, чем в любом другом месте на земле. Для сравнения, воздух над полюсами более холодный, чем в любом другом месте. Поэтому поверхностный воздух около экватора поднимается в верхнюю атмосферу и опускается от верхней атмосферы до уровня земли вблизи полюсов. Чтобы сбалансировать эти вертикальные движения воздуха, также необходимо было предположить, что воздух течет по поверхности Земли с каждого полюса назад к экватору, а в верхней атмосфере - над экватором к полюсам.
Как измеряют атмосферное давление. Давление воздуха измеряют специальным прибором - барометром. Устройство барометров может быть разным (рис. 97). Самые точные барометры - ртутные. В них атмосферное давление определяют по высоте столбика ртути (в мм). Поэтому наиболее распространенная единица измерения атмосферного давления - миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).
Вопросы и задания
Круговое движение воздуха, описанное Хэдли, представляет собой конвекционную ячейку. Термин конвекция относится к передаче тепла, поскольку он переносится с места на место движущейся жидкостью, воздух в этом случае. Хэдли знал, что приземные ветры не дуют с севера на юг в северном полушарии и с юга на север в южном полушарии, как того требует его простая модель. Он объяснил, что ветры, как правило, дуют с востока или запада из-за вращения Земли. Вращающаяся планета вызывает воздушные потоки, которые в противном случае были бы с севера или юга, чтобы отвлечься на восток или запад.
Рис. 97. Барометр-анероид
Как и почему изменяется давление. Давление воздуха над различными участками земной поверхности неодинаково. Во-первых, оно зависит от абсолютной высоты местности. Чем выше над уровнем моря расположена территория, тем давление ниже (рис. 98), так как уменьшается столб воздуха, давящего на поверхность. При подъеме на каждые 10,5 м давление в тропосфере уменьшается на 1 мм рт. ст.
Через столетие после того, как была предложена первоначальная теория Хэдли, математическое описание этого кругового движения было опубликовано французским физиком Гаспаром Густавом де Кориолисом. Кориолис смог математически доказать, что объект, движущийся по любому вращающемуся телу, всегда, кажется, следует изогнутым путь по отношению к любому другому телу на том же вращающемся теле. Это открытие, теперь известное как эффект Кориолиса, дало более точное описание того, как приземные ветры отклоняются на восток или запад, чем оригинальная теория Хэдли.
Рис. 98. Изменение давления воздуха с высотой
Определите относительную высоту холма, если у его подножия давление 750 мм рт. ст., а на вершине - 744 мм рт. ст.
Летом суша нагревается быстро, и над ней образуется низкое давление. В океане вода нагревается медленнее. Воздух над ним летом холоднее, чем над сушей, а давление выше. Зимой суша быстро остывает, и над ней устанавливается высокое давление. Океан же медленно отдает тепло. Над ним зимой более высокая температура воздуха и более низкое давление.
Ветры циклонов и антициклонов
Примерно в то время, когда Кориолис опубликовал свои исследования о вращающихся телах, ученые начали понимать, что модель одиночной конвекции Хэдли была слишком простой. Измерения атмосферного давления и ветра, проведенные во многих местах по всей планете, не соответствовали прогнозам, Модель Хэдли.
У Феррелла было гораздо больше данных о ветре, чем было доступно Хэдли. Исходя из данных, Феррелл предложил трехэлементную модель для атмосферной циркуляции. Модель Феррелла начинается, как и Хэдли, с восходящим движением воздуха над экватором и боковым потоком к полюсам вдоль верхней атмосферы. Приблизительно на 30 ° широта, по предложению Феррелла, воздух становится достаточно прохладным, чтобы спуститься на поверхность Земли, Как только на поверхности часть воздуха вернется к экватору, как в модели Хэдли.
В верхних слоях тропосферы, а тем более в стратосфере давление такое низкое, что человек находиться там не может. Уже на высоте 3000 м над уровнем моря люди чувствуют себя плохо.
Во-вторых, даже в одном и том же месте атмосферное давление постоянно изменяется при изменении температуры воздуха. При нагревании воздух расширяется, становится легким и давит на поверхность с меньшей силой. При охлаждении он сжимается, становится более тяжелым, и давление возрастает.
Сегодня этот большой конвекционный ток в третьей части земного шара выше и ниже экватора известен как ячейка Хэдли. Новая идея Феррелла состояла в том, что часть воздуха, спускающегося на Землю вблизи широты 30 °, будет течь от экватора и к полюсам вдоль поверхности Земли. Именно этот поток воздуха сделал модель Феррелла более сложной и более точной, чем у Хэдли, на около 60 ° широты этот поверхностный поток воздуха столкнулся с потоком полярного воздуха, чтобы сделать еще две конвекционные ячейки.
Феррелл согласился с Хэдли о движении воздуха над полюсами. Холодный воздух спускался бы с более высоких высот и течет к экватору вдоль поверхности Земли. Однако при широте около 60 ° поток полярного воздуха столкнулся бы с потоком воздуха к нему из оттока широты 30 °.
В-третьих, на распределение давления влияет характер земной поверхности. Разные ее участки: суша или океан, лес или пустыня - нагреваются и остывают по-разному. Поэтому в одно и то же время давление над ними разное (рис. 99).
Рис. 99. Нагревание и охлаждение суши и океана
Распределение давления на поверхности Земли. Как вы уже знаете, температура воздуха уменьшается по направлению от экватора к полюсам. Близ экватора воздух сильно нагревается, расширяется и поднимается вверх. Поэтому образуется низкое давление. Вокруг полюсов из-за низких температур воздух тяжелый. Он опускается вниз, и давление становится высоким (рис. 100).
Накопление воздуха, возникающее в результате этого столкновения на широте 60 °, создало бы область высокого давления, которая могла бы быть сброшена, по словам Феррелла, восходящими потоками, которые переносят воздух в атмосферу. Там воздух расщепляется на два потока, один течет к экватору и снова спускается на поверхность Земли на расстоянии около 30 °. Этот нисходящий поток завершит вторую конвекционную ячейку, покрывающую средние широты, теперь она известна как Феррелл. Второй поток выше 30 ° широты будет течь к полюсам и завершать третью или полярную ячейку.
Рис. 100. Атмосферное давление: а - в экваториальных широтах; б - в арктических широтах
Вопросы и задания
- Где больше атмосферное давление - на уровне моря, в глубине шахты или на вершине горы?
- Как давление зависит от температуры воздуха?
- Как изменяется давление над сушей и над океаном летом и зимой?
- Почему вдоль экватора атмосферное давление пониженное, а над полюсами - повышенное?
ЛЕКЦИЯ 7
Наблюдаемые закономерности циркуляции
Одним из последствий гипотезы Феррелла является то, что вблизи экватора должен быть относительно небольшой приземный ветер. В этом регионе приземные ветры должны течь к экватору из клеток Хэдли и, когда они встречаются, поднимаются в верхнюю атмосферу. Поэтому ожидается, что экваториальные районы будут характеризоваться относительно низкими давлениями со слабыми приземными ветрами. Эти условия наблюдались на протяжении веков моряками, которые давным-давно назвали депрессивное состояние экваториальными морями.
Законы атмосферного давления. Барические центры, их происхождение и влияние на атмосферные процессы. Общая циркуляция атмосферы. Ветры: постоянные, переменные и местные. Циклоны. Антициклоны. Воздушные массы, их свойства и распространение. Атмосферные фронты.
В атмосфере формируются воздушные потоки разного масштаба. Они могут охватывать весь земной шар, а по высоте – тропосферу и нижнюю стратосферу, или воздействовать только на ограниченный участок территории. Воздушные потоки обеспечивают перераспределение тепла и влаги между низкими и высокими широтами, заносят влагу вглубь континента. По площади распространения выделяют ветры общей циркуляции атмосферы (ОЦА), ветры циклонов и антициклонов, местные ветры. Главной причиной образования ветров является неравномерное распределение давления по поверхности планеты.
Капитаны парусных кораблей боялись и избегали экваториальных вод, потому что ветры были настолько слабыми и ненадежными, что они могли легко застрять на несколько дней или недель. Вторая область спокойствия на поверхности Земли, согласно модели трех ячеек, будет около широты 30 °. В этой области воздух, движущийся вниз от клеток Хэдли и Феррелла, сталкивается, когда он достигает поверхности Земли, производя областей высокого давления. Как и в депрессии, области вокруг широты 30 ° характеризуются слабыми и непредсказуемыми ветрами.
Матросы назвали эти районы лошадиными широтами, потому что корабли, перевозящие лошадей в Америку, часто становились озелененными в водах около 30 ° северной широты; по мере того, как запасы были низкими, моряки иногда бросали лошадей за борт. Области между лошадиными широтами и упадками - это области, в которых приземные ветры текут к экватору. Этот поток не происходит непосредственно с севера на юг или с юга на север из-за эффекта Кориолиса. Вместо этого ветры в этих регионах, как правило, дуют с северо-востока на юго-запад в северном полушарии и с юго-востока на северо-запад в южном полушарии.
Давление. Атмосфера оказывает давление на земную поверхность. Давление на каждый см 2 поверхности на уровне океана равно 1033,3 г.Нормальное атмосферное давление – вес атмосферного столба сечением 1 см 2 на уровне океана при 0 0 С на 45 0 широты, оно уравновешивается столбиком ртути в 760 мм. Нормальное атмосферное давление равно 760 мм ртутного столба или 1013,25 мб. Давление в СИ измеряется в паскалях (Па): 1 мб=100Па. Нормальное атмосферное давление равно 1013,25 гПа. Самое низкое давление, которое наблюдалось на Земле (на уровне моря), 914 мб (686 мм); самое высокое – 1067,1 мб (801 мм).
Поскольку ветры имеют тенденцию быть сильными и надежными - это вид ветра, от которого зависят парусные суда - эти ветры давно известны как пассаты. Пересечение Феррелла и полярных ячеек вокруг широты 60 ° является еще одной областью, в которой встречаются поверхностные потоки воздуха. Один из камеры Феррелла состоит из относительно теплого воздуха, протекающего к полюсам. Другой, из полярной ячейки, состоит из гораздо более холодного воздуха, протекающего к экватору. Точка, с которой эти две системы встречаются, называется полярным фронтом и характеризуется некоторыми из самых драматических штормов в мире.
Давление с высотой понижается, так как мощность вышележащего слоя атмосферы уменьшается. Расстояние в метрах, на которое надо подняться или опуститься, чтобы атмосферное давление изменилось на 1 мб, называется барической ступенью . Барическая ступень на высоте от 0 до 1 км составляет 10,5 м. От 1 до 2 км – 11,9 м; на высоте 2-3 км – 13,5 м. Величина барической ступени зависит от температуры: с повышением температуры она увеличивается на 0,4%. В теплом воздухе барическая ступень больше, следовательно, теплые области атмосферы в высоких слоях имеют большее давление, чем холодные. Величина обратная барической ступени. Называетсявертикальным барическим градиентом , это изменение давления на единицу расстояния (за единицу расстояния принимается 100 м).
Преобладающее направление приземных ветров с Феррелем и полярными ячейками определяется эффектом Кориолиса. В ячейке Феррелла ветры, как правило, дуют с юго-запада на северо-восток в северном полушарии и с северо-запада на юго-восток в южном полушарии. Для жителей Северной Америки эти преобладающие западники несут погодные системы по всему континенту с запада на восток.
В полярной клетке преобладающие воздушные движения прямо противоположны преобладающим западным странам: с северо-востока на юго-запад в северном полушарии и с юго-востока на северо-запад в южном полушарии. Концептуальные модели метеорологических явлений имеют ограниченную применимость в реальном мире, поскольку ряд факторов отходит от идеальных условий, используемых для разработки моделей. Эти факторы гарантируют, что фактические погодные условия будут намного сложнее, чем общие условия, описанные выше.
Давление изменяется в результате перемещения воздуха – его оттока из одного места и притока в другое. Движение воздуха обусловлено изменением плотности воздуха (г/см 3), возникающим в результате неравномерного нагрева подстилающей поверхности. Над одинаково нагретой поверхностью в слое воздуха с высотой давление равномерно понижается иизобарические поверхности – поверхности, проведенные через точки с одинаковым давлением, - расположатся параллельно друг другу и подстилающей поверхности. В области повышенного давления изобарические поверхности обращены выпуклостью вверх, в области пониженного – вниз. На земной поверхности давление показывается с помощьюизобар – линий, соединяющих точки с одинаковым давлением. Распределение атмосферного давления на уровне океана, изображенное с помощью изобар, носит наименованиебарического рельефа.
Например, модели Хэдли и Феррелла предполагают, что земля имеет однородный состав и солнце всегда светит прямо над экватором. Ни одно условие не является строгим. Большинство частей планеты покрыты водой, а массы суши распределены неравномерно. Поэтому поток воздуха в любой клетке может быть невозмутим для длинных отрезков в одной области, но сильно разрушен в другой области.
Диаграммы, показывающие давление воздуха в разных местах на поверхности Земли, являются полезными инструментами для метеорологов, поскольку воздух течет из областей с более высоким давлением, чем те, которые имеют более низкое давление. Такие диаграммы показывают, что некоторые части планеты, как правило, характеризуются необычно высоким или низким Центры давления в разное время года. Были идентифицированы восемь полуперманентных клеток высокого и низкого давления, которые появляются каждый год на регулярной основе.
Давление атмосферы на земную поверхность, его распределение в пространстве и изменение во времени называется барическим полем . Области высокого и низкого давления, на которые расчленено барическое поле, называютсябарическими системами .
К замкнутым барическим системам относятся барические максимумы (система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре) и минимумы (система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре), к незамкнутым – барические гребень (полоса повышенного давления от барического максимума внутри поля пониженного давления), ложбина (полоса пониженного давления от барического минимума внутри поля повышенного давления) и седловина (незамкнутая система изобар между двумя барическими максимумами и двумя минимумами). В литературе встречается понятие «барическая депрессия» - пояс пониженного давления, внутри которого могут быть замкнутые барические минимумы.
В течение года на Бермудских островах сохраняется полупостоянная зона высокого давления. Полуповерхностная зона низкого давления - исландское низкое - обычно находится на севере от Бермудских островов и имеет тенденцию смещаться с востока на запад и обратно в течение года. Зимой в северном полушарии полупостоянный максимум, который существует над Сибирью, исчезает и заменяется полуперманентным минимумом по Индии каждое лето.
После войны метеорологи обнаружили, что эти ветры были частью постоянных воздушных движений, которые теперь известны как струйные потоки. Однако не редкость в том, что скорость струйных потоков намного больше, чем у этих средних фигур, и были измерены скорости до 300 миль в час. По этой причине их обычно называют потоками полярных струй. Коммерческие самолеты часто используют дополнительный толчок, обеспечиваемый полярным струйным потоком, когда они движутся с запада на восток, хотя одни и те же ветры замедляют самолеты, идущие в противоположном направлении.
Давление по земной поверхности распределено зонально. На экваторе в течение года располагается пояс пониженного давления –экваториальная депрессия. В июле она перемещается в Северное полушарие на 15-20 0 с.ш., в декабре – в Южное, на 5 0 ю.ш. Втропических широтах (между 35 0 и 20 0 обоих полушарий) давление в течение года повышенное (тропические или субтропические барические максимумы ), зимой над океанами и над сушей возникает сплошной пояс повышенного давления (Азорский и Гавайский – СП; Ю-Атлантический, Ю-Тихоокеанский и Ю-Индийский – 1022), летом повышенное давление сохраняется только над океанами, над сушей давление уменьшается, возникают термические депрессии (Ирано-Тарский минимум – 994 мб). Вумеренных широтах СП летом формируется сплошной пояспониженного давления , однако барическое поле диссиметрично: в ЮП в умеренных и субполярных широтах над водной поверхностью весь год существует полоса пониженного давления (Антарктический минимум - до 984 мб); в СП в связи с чередованием материковых и океанских секторов барические минимумы выражены только на океанах (Исландский и Алеутский – давление в январе 998 мб), зимой над материками из-за сильного охлаждения поверхности возникают барические максимумы. Вполярных широтах , над ледяными щитами Антарктиды и Гренландии давление в течение годаповышенное .
Путь, сопровождаемый струйными потоками, является переменным. Они могут разделиться на два отдельных потока, а затем воссоединиться или остаться в виде единого потока. Они также склонны мешать на север и юг от центральной оси запад-восток. Движение струйных потоков оказывает большое влияние на погоду в средних широтах.
Например, тропический восточный струйный поток, как было установлено, развивается в течение летних месяцев по Африке, Индии и Юго-Восточной Азии. Также были определены некоторые струйные потоки низкого уровня. Один из них расположен над Центральными равнинами в Соединенных Штатах, где топографические и климатические условия благоприятствуют развитию необычно суровых ветровых систем.
Устойчивые области повышенного и пониженного давления, на которые распадается барическое поле у поверхности земли, называют центрами действия атмосферы . Существуют территории, над которыми в течение года давление сохраняется постоянным (преобладают барические системы одного типа, либо максимумы, либо минимумы), здесь формируютсяпостоянные центры действия атмосферы:
Экваториальная депрессия;
Алеутский минимум (умеренные широты СП);
Исландский минимум (умеренные широты СП) – от минимума отходит ложбина низкого давления в сторону полярного круга между Норвегией и Шпицбергеном;
Зона пониженного давления умеренных широт ЮП (Приантарктический пояс пониженного давления);
Субтропические зоны высокого давления СП:
Азорский максимум (Северо-Атлантический максимум)
Гавайский максимум (Северо-Тихоокеанский максимум)
Южно-Тихоокеанский максимум (ю-зап. Ю.Америки)
Южно-Атлантический максимум (антициклон острова св. Елены)
Южно-Индийский максимум (антициклон острова Маврикия)
Антарктический максимум
Гренландский максимум.
Сезонные барические системы образуются в том случае, если давление по сезонам изменяет знак на обратный: на месте барического максимума возникает барический минимум и наоборот. К сезонным барическим системам относятся:
Летний Южно-Азиатский минимум с центром около 30 0 с.ш. (997 мб) и
Зимний Азиатский максимум с центром над Монголией (1036 мб)
Летний Мексиканский минимум (Северо-Американская депрессия) – 1012 мб и
Зимний Северо-Американский и Канадский максимумы (1020 мб)
В ЮП летние (январские) депрессии над Австралией, Южной Америкой и южной Африкой уступают место зимой австралийскому, южноамериканскому и южноафриканскому антициклонам.
Ветер. Горизонтальный барический градиент. Движение воздуха в горизонтальном направлении называется ветром. Ветер характеризуется скоростью, силой и направлением. Скорость ветра – расстояние которое проходит воздух за единицу времени (м/с, км/ч). Сила ветра – давление, оказываемое воздухом на площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно движению. Сила ветра определяется в кг/м 2 или в баллах по шкале Бофорта (0 баллов – штиль, 12 – ураган).
Скорость ветра определяется горизонтальным барическим градиентом – изменением давления (падение давления в 1 мб) на единицу расстояния (100 км) в сторону уменьшения давления и перпендикулярно изобарам. Кроме барометрического градиента на ветер действуют вращение Земли, или сила Кориолиса, центробежная сила и трение.
Сила Кориолиса отклоняет ветер вправо (в ЮП влево) от направления градиента. Центробежная сила действует на ветер в замкнутых барических системах – циклонах и антициклонах. Она направлена по радиусу кривизны траектории в сторону ее выпуклости. Сила трения воздуха о земную поверхность всегда уменьшает скорость ветра. Трение сказывается в нижнем, 1000-метровом слое, называемом слоем трения . Движение воздуха при отсутствии силы трения называетсяградиентным ветром . Градиентный ветер, дующий вдоль параллельных прямолинейных изобар, называетсягеострофическим , вдоль криволинейных замкнутых изобар –геоциклострофическим . Наглядное представление о повторяемости ветров определенных направлений дает диаграмма«роза ветров».
В соответствии с барическим рельефом существуют следующие зоны ветров:
1. приэкваториальный пояс штилей. Ветры сравнительно редки (так как господствуют восходящие движения сильно нагретого воздуха);
2. зоны пассатов северного и южного полушарий;
3. области затишья в антициклонах субтропического пояса высокого давления; причина – господство нисходящих движений воздуха;
4. в средних широтах обоих полушарий – зоны преобладания западных ветров;
5. в околополярных пространствах ветры дуют от полюсов в сторону барических депрессий средних широт, т.е. здесь обычны ветры с восточной составляющей.
Общая циркуляция атмосферы (ОЦА) – система воздушных потоков планетарного масштаба, охватывающая весь земной шар, тропосферу и нижнюю стратосферу. В циркуляции атмосферы выделяютзональные и меридиональные переносы. К зональным переносам, развивающимся в основном в субширотном направлении, относятся:
западный перенос, господствующий на всей планете в верхней тропосфере и нижней стратосфере;
в нижней тропосфере в полярных широтах – восточные ветры в умеренных широтах западные ветры, в тропических и экваториальных широтах – восточные;
струйные течения, развивающиеся над фронтальными зонами в верхней тропосфере.
К меридиональным переносам относятся муссоны тропических-экваториальных широт и внетропических широт.
ОЦА складывается под влиянием неравномерного распределения солнечной радиации, действия силы Кориолиса и неоднородности подстилающей поверхности.
При поступлении солнечной радиации на однородную невращающуюся Землю в верхней части тропосферы возникло бы движение воздуха от экватора к полюсу у подстилающей поверхности – от полюса к экватору. В самом деле, воздух на экваторе в приземном слое атмосферы сильно прогревается. Теплый и влажный воздух поднимается вверх, объем его возрастает, и в верхней тропосфере возникает высокое давление. У полюсов из-за сильного охлаждения приземных слоев атмосферы воздух сжимается, объем его уменьшается и наверху давление падает. Следовательно, в верхних слоях тропосферы возникает переток воздуха от экватора к полюсам. Благодаря этому масса воздуха у экватора, а значит, и давление у подстилающей поверхности уменьшаются, а на полюсах возрастает. И в приземном слое начинается движение от полюсов к экватору. Вывод: солнечная радиация формирует меридиональную составляющую ОЦА.
На однородной вращающейся Земле действует еще сила Кориолиса. Наверху сила Кориолиса отклоняет поток в СП вправо от направления движения, т.е. с запада на восток. В ЮП движение воздуха отклоняется влево, т.е. опять с запада на восток. Поэтому вверху (в верхней тропосфере и нижней стратосфере, в интервале высот от 10 до 20 км давление уменьшается от экватора к полюсам) отмечен западный перенос, он отмечен для всей Земли в целом. В общем движение воздуха происходит вокруг полюсов. Следовательно, сила Кориолиса формирует зональный перенос ОЦА.
Внизу у подстилающей поверхности движение более сложное, влияние оказывает неоднородная подстилающая поверхность, т.е. расчленение ее на материки и океаны. Образуется сложная картина основных воздушных потоков. От субтропических поясов высокого давления воздушные потоки оттекают к экваториальной депрессии и в умеренные широты. В первом случае образуются восточные ветры тропических-экваториальных широт. Над океанами благодаря постоянным барическим максимумам они существуют круглый год – пассаты – ветры экваториальных периферий субтропических максимумов, постоянно дующие только над океанами; над сушей прослеживаются не всюду и не всегда (перерывы вызываются ослаблением субтропических антициклонов из-за сильного прогрева и перемещения в эти широты экваториальной депрессии). В СП пассаты имеют северо-восточное направление, в ЮП – юго-восточное. Пассаты обоих полушарий сходятся вблизи экватора. В области их сходимости (внутритропическая зона конвергенции) возникают сильные восходящие токи воздуха, образуются кучевые облака и выпадают ливневые осадки.
Ветровой поток, идущий в умеренные широты от тропического пояса повышенного давления, формирует западные ветры умеренных широт. Они усиливаются в зимнее время, так как над океаном в умеренных широтах разрастаются барические минимумы, увеличивается барический градиент между барическими минимумами над океанами и барическими максимумами над сушей, следовательно, увеличивается и сила ветров. В СП направление ветров юго-западное, в ЮП – северо-западное. Иногда эти ветры называют антипассатами, но генетически они с пассатами не связаны, а являются частью общепланетарного западного переноса.
Восточный перенос. Преобладающими ветрами в полярных широтах являются северо-восточные в СП и юго-восточные – в ЮП. Воздух перемещается от полярных областей повышенного давления в сторону пояса пониженного давления умеренных широт. Восточный перенос представлен также пассатами тропических широт. Вблизи экватора восточный перенос охватывает почти всю тропосферу, и западного переноса здесь нет.
Анализ по широтам основных частей ОЦА позволяет выделить три зональных незамкнутых звена:
Полярное: в нижней тропосфере дуют восточные ветры, выше – западный перенос;
Умеренное звено: в нижней и верхней тропосфере – ветры западных направлений;
Тропическое звено: в нижней тропосфере – восточные ветры, выше – западный перенос.
Тропическое звено циркуляции получило название ячейки Гадлея (автор наиболее ранней схемы ОЦА, 1735 г.), умеренное звено – ячейки Фрреля (американский метеоролог). В настоящее время существование ячеек подвергается сомнению (С.П. Хромов, Б.Л. Дзердиевский), однако в литературе упоминание о них сохраняется.
Струйные течения – ветры ураганной силы, дующие над фронтальными зонами в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Особенно ярко они выражены над полярными фронтами, скорость ветра достигает 300-400 км/ч из-за больших градиентов давления и разреженности атмосферы.
Меридиональные переносы осложняют систему ОЦА и обеспечивают междуширотный обмен теплотой и влагой. Главными меридиональными переносами являются муссоны – сезонные ветры, меняющие летом и зимой направление на противоположное. Выделяютмуссоны тропические ивнетропические.
Тропические муссоны возникают по причине термических различий между летним и зимним полушариями, распределение суши и моря только усиливает, осложняет или стабилизирует это явление. В январе в СП располагается почти непрерывная цепь антициклонов: над океанами – постоянных субтропических, над материками – сезонных. В то же время в ЮП лежит сдвинутая туда экваториальная депрессия. В результате образуется перенос воздуха из СП в ЮП. В июле при обратном соотношении барических систем, происходит перенос воздуха через экватор из ЮП в СП. Таким образом, тропические муссоны - это не что иное, как пассаты, которые в некоторой, близкой к экватору полосе приобретают иное свойство – сезонную смену генерального направления. При помощи тропических муссонов осуществляется обмен воздуха междуполушариями , а на между сушей и морем, тем более, что в тропиках термический контраст между сушей и морем вообще невелик. Область распространения тропических муссонов вся лежит между 20 0 с.ш. и 15 0 ю.ш. (тропическая Африка к северу от экватора, восточная Африка к югу от экватора; южная Аравия; Индийский океан до Мадагаскара на западе и до северной Австралии на востоке; Индостан, Индокитай, Индонезия (без Суматры). Восточный Китай; в Ю.Америке – Колумбия). Например, муссонное течение, зарождающееся в антициклоне над северной Австралией и идущее в Азию, направляется в сущности. С одного материка на другой; океан в данном случае служит лишь промежуточной территорией. Муссоны в Африке есть обмен воздуха между сушей одного и того же материка, лежащих в разных полушариях, а над частью Тихого океана муссон дует с океанической поверхности одного полушария на океаническую поверхность другого.
В образовании внетропических муссонов ведущую роль играет термический контраст между сушей и морем. Здесь муссоны возникают между сезонными антициклонами и депрессиями, одни из которых лежат на материке другие на океане. Так, зимние муссоны на Дальнем востоке есть следствие взаимодействия антициклона над Азией (с центром в Монголии) и постоянной Алеутской депрессии; летний – следствие антициклона над северной частью Тихого океана и депрессии над внетропической частью Азиатского материка.
Внетропические муссоны лучше всего выражены на Дальнем Востоке (включая Камчатку), в Охотском море, в Японии, на Аляске и побережье Северного Ледовитого океана.
Одно из главных условий проявления муссонной циркуляции – отсутствие циклонической деятельности (над Европой и С. Америкой муссонная циркуляция отсутствует вследствие интенсивности циклонической деятельности, она «смывается» западным переносом).
Ветры циклонов и антициклонов.
В атмосфере при встрече двух воздушных масс с разными характеристиками постоянно возникают крупные атмосферные вихри – циклоны и антициклоны. Они сильно усложняют схему ОЦА.
Циклон – плоский восходящий атмосферный вихрь, проявляющийся у земной поверхности областью пониженного давления, с системой ветров от периферии к центру против часовой стрелки в СП и по часовой – в ЮП.
Антициклон – плоский нисходящий атмосферный вихрь, проявляющийся у земной поверхности областью повышенного давления, с системой ветров от центра к периферии по часовой стрелке в СП и против часовой – в ЮП.
Вихри плоские, так как их горизонтальные размеры – тысячи квадратных километров, а вертикальные – 15-20 км. В центре циклона наблюдаются восходящие токи воздуха, в антициклоне – нисходящие.
Выделяют циклоны фронтальные, центральные, тропические и термические депрессии.
Фронтальные циклоны образуются на арктическом и полярном фронтах: на Арктическом фронте Северной Атлантики близ восточных берегов Северной Америки и у Исландии; на Арктическом фронте в северной части Тихого океана близ восточных берегов Азии и у Алеутских островов. Циклоны обычно существуют несколько суток, двигаясь с запада на восток со скоростью около 20-30 км/ч. На фронте возникает серия циклонов, в серии по три-четыре циклона. Каждый следующий циклон находится на более молодой стадии развития и двигается быстрее. Циклоны нагоняют друг друга, смыкаются, образуяцентральные циклоны – второй тип циклона. Благодаря малоподвижным центральным циклонам поддерживается область пониженного давления над океанами и в умеренных широтах.
Циклоны, зародившиеся на севере Атлантического океана, движутся в Западную Европу. Наиболее часто они проходят через Великобританию, Балтийское море, С-Петербург и далее на Урал и в Западную Сибирь или по Скандинавии, Кольскому полуострову и далее или к Шпицбергену, или по северной окраине Азии.
Северотихоокеанские циклоны идут в северо-западную Америку, а также северо-восточную Азию.
Тропические циклоны образуются на тропических фронтах чаще всего между 5 и 20 0 с. и ю. ш., на экваторе сила Кориолиса равна нулю и циклоны не образуются. Возникают они над океанами в конце лета и осенью, когда вода нагрета до температуры 27-28 0 С. Мощный подъем теплого и влажного воздуха приводит к выделению огромного количества теплоты при конденсации, что определяет кинетическую энергию циклона и низкое давление в центре. Циклоны двигаются с востока на запад по экваториальной периферии постоянных барических максимумов на океанах. Если тропический циклон достигает умеренных широт, он расширяется, теряет энергию и уже как внетропический циклон начинает двигаться с запада на восток. Скорость движения самого циклона небольшая (20-30 км/ч), но ветры в нем могут иметь скорость до 100 м/с. Наибольшая скорость в урагане «Ида» составляла 113 м/с.
Основные районы возникновения тропических циклонов: восточное побережье Азии; северное побережье Австралии; Аравийское море; Бенгальский залив; Карибское море и Мексиканский залив. В среднем в году бывает около 70 тропических циклонов со скоростями ветров более 20 м/с. В Тихом океане тропические циклоны называются тайфунами, в Атлантическом – ураганами, у берегов Австралии – вилли-вилли.
Термические депрессии возникают на суше из-за сильного перегрева участка поверхности, поднятия и растекания воздуха над ним. В результате у подстилающей поверхности образуется область пониженного давления.
Антициклоны подразделяются на фронтальные, субтропические антициклоны динамического происхождения и стационарные.
В умеренных широтах в холодном воздухе возникают фронтальные антициклоны, которые перемещаются сериями с запада на восток со скоростью 20-30 км/ч. Последний заключительный антициклон достигает субтропиков, стабилизируется и образуетсубтропический антициклон динамического происхождения. К ним относятся постоянные барические максимумы на океанах.Стационарный антициклон возникает над сушей в зимний период в результате сильного выхолаживания участка поверхности.
Зарождаются и устойчиво держатся антициклоны над холодными поверхностями Восточной Арктики, Антарктиды, а зимой и Восточной Сибири. При прорыве арктического воздуха с севера зимой антициклон устанавливается над всей Восточной Европой и иногда захватывает Западную и Южную.
За каждым циклоном следует и перемещается с той же скоростью антициклон, который заключает собой всякую циклоническую серию. При движении с запада на восток циклоны испытывают отклонение к северу, а антициклоны – к югу в СП. Причина отклонений объясняется влиянием силы Кориолиса. Следовательно, циклоны начинают двигаться на северо-восток, а антициклоны на юго-восток. Благодаря ветрам циклонов и антициклонов наблюдается обмен между широтами теплом и влагой. В областях повышенного давления преобладают токи воздуха сверху вниз – воздух сухой, облаков нет; в областях пониженного давления – снизу вверх – образуются облака, выпадают осадки. Внедрение теплых воздушных масс называется «волнами тепла». Перемещение тропических воздушных масс в умеренные широты летом вызывает засуху, зимой – сильные оттепели. Внедрение арктических воздушных масс в умеренные широты – «волны холода» – вызывает похолодание.
Местные ветры – ветры, возникающие на ограниченных участках территории в результате влияния местных причин. К местным ветрам термического происхождения относятся бризы, горно-долинные ветры, влияние рельефа вызывает образование фенов и бора.
Бризы возникают на берегах океанов, морей, озер, там, где велики суточные колебания температур. В крупных городах сформировались городские бризы. Днем, когда суша нагрета сильнее, над ней возникает восходящее движение воздуха и отток его наверху в сторону более холодного. В приземных слоях ветер дует в сторону суши, это дневной (морской) бриз. Ночной (береговой) бриз возникает ночью. Когда суша охлаждается сильнее, чем вода, и в приземном слое воздуха ветер дует с суши на море. Морские бризы выражены сильнее, их скорость равна 7 м/с, полоса распространения – до 100 км.
Горно-долинные ветры образуют ветры склонов и собственно горно-долинные и имеют суточную периодичность. Ветры склонов – результат различного нагрева поверхности склона и воздуха на той же высоте. Днем воздух на склоне нагревается сильнее, и ветер дует вверх по склону, ночью склон охлаждается тоже сильнее и ветер начинает дуть вниз по склону. Собственно горно-долинные ветры вызваны тем, что воздух в горной долине нагревается и охлаждается сильнее, чем на той же высоте на соседней равнине. Ночью ветер дует в сторону равнины, днем – в сторону гор. Обращенный в сторону ветра склон называется наветренным, а противоположный – подветренным.
Фен – теплый сухой ветер с высоких гор, часто покрытых ледниками. Возникает он благодаря адиабатическому охлаждению воздуха на наветренном склоне и адиабатическому нагреву – на подветренном склоне. Наиболее типичный фен возникает в случае, когда воздушное течение ОЦА переваливает через горный хребет. Чащевстречается антициклональный фен, он образуется в том случае, если над горной страной стоит антициклон. Фены наиболее часты в переходные сезоны, продолжительность их несколько суток (в Альпах в году 125 дней с фенами). В горах Тянь-Шаня подобные ветры называют кастек, в Средней Азии – гармсиль, в Скалистых горах – чинук. Фены вызывают раннее цветение садов, таяние снега.
Бора – холодный ветер, дующий с невысоких гор в сторону теплого моря. В Новороссийске он называется норд-остом, на Апшеронском полуострове – нордом. На Байкале – сармой, в долине Роны (Франция) – мистралью. Возникает бора зимой, когда перед хребтом, на равнине, образуется область повышенного давления, где формируется холодный воздух. Перевалив невысокий хребет, холодный воздух устремляется с большой скоростью в сторону теплой бухты, где давление низкое. Скорость может достигать 30 м/с температура воздуха резко падает до –5 0 С.
К мелкомасштабным вихрям относятсясмерчи и тромбы (торнадо) . Вихри над морем называются смерчами, над сушей – тромбами. Зарождаются смерчи и тромбы обычно в тех же местах, что и тропические циклоны, в жарком влажном климате. Основным источником энергии служит конденсация водяных паров, при которой выделяется энергия. Большое число торнадо в США объясняется приходом влажного теплого воздуха с Мексиканского залива. Вихрь двигается со скоростью 30-40 км/ч, но скорость ветра в нем достигает 100 м/с. Тромбы возникают обычно поодиночке, вихри – сериями. В 1981 г. у побережья Англии в течение пяти часов сформировалось 105 смерчей.
Понятие о воздушных массах (ВМ). Анализ вышеизложенного показывает, что тропосфера не может быть физически однородной во всех своих частях, она разделяется (не переставая быть единой и цельной) навоздушные массы – крупные объемы воздуха тропосферы и нижней стратосферы, обладающие относительно однородными свойствами и движущиеся как единое целое в одном из потоков ОЦА. Размеры ВМ сопоставимы с частями материков, протяженность тысячи километров, мощность – 22-25 км. Территории, над которыми формируются ВМ, называются очагами формирования. Они должны обладать однородной подстилающей поверхностью (суша или море), определенными тепловыми условиями и временем, необходимым для их образования. Подобные условия существуют в барических максимумах над океанами, в сезонных максимумах над сушей.
Типичные свойства ВМ имеет только в очаге формирования, при перемещении она трансформируется, приобретая новые свойства. Приход тех или иных ВМ вызывает резкие смены погоды непериодического характера. По отношению к температуре подстилающей поверхности ВМ делят на теплые и холодные. Теплая ВМ перемещается на холодную подстилающую поверхность, она приносит потепление, но сама охлаждается. Холодная ВМ приходит на теплую подстилающую поверхность и приносит похолодание. По условиям образования ВМ подразделяют на четыре типа: экваториальная, тропическая, полярная (воздух умеренных широт) и арктическая (антарктическая). В каждом типе выделяется два подтипа – морской и континентальный. Для континентального подтипа , образующегося над материками, характерна большая амплитуда температур и пониженная влажность.Морской подтип формируется над океанами, следовательно, относительная и абсолютная влажность у него повышены, амплитуды температур значительно меньше континентальных.