Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Динамика атмосферы

Подписаться на эту рубрику по RSS

Динамика атмосферы

Как мы уже видели, атмосфера не статична. Различия в степени нагревания воздуха, наблюдаемые даже в незначительных районах, способствуют возникновению перепадов давления в воздушных массах и приводят их в движение. Огромные массы воздуха перемещаются в атмосфере и вблизи земной поверхности, и на больших высотах.

Изучение атмосферы показывает, что в отдельных районах земного шара ветры сравнительно устойчивые или хотя бы преобладающие. Так, в некоторых районах ветер может дуть в одном направлении в течение почти всего года. Несмотря на видимую простоту такой картины, механизм возникновения даже устойчивых ветров сложный. Многие особенности циркуляции атмосферы еще не изучены, и это затрудняет предсказание погоды на долгий срок.

Циркуляционные движения воздуха, которые' мы наблюдаем в атмосфере, создает солнечная радиация, получаемая Землей. Если бы не было циркуляции атмосферы, экваториальные районы были бы еще более жаркими, а полярные — еще более холодными, чем теперь. Перенос тепла от экватора к полюсам происходил бы в этом случае только путем теплопроводности, т. е. был бы очень медленным. В действительности тепло в атмосфере переносится с помощью целого ряда циркуляционных „ячеек" или „поясов", причем гораздо интенсивнее, чем только за счет теплопроводности. Сама циркуляция атмосферы испытывает влияние вращения Земли вокруг своей оси и воздействие термического режима атмосферы.

Обычно движения воздуха вызываются  изменением его температуры. Хотя в развитии движений часто принимает большое участие сила тяжести, но поддерживаются они в основном различиями температуры. Движения воздуха переносят тепло из одних районов в другие, перераспределяют водяной пар между этими районами. Однако воздушные течения не являются просто переносом теплого воздуха в более холодные области Земли. Температура воздуха в свою очередь изменяется от района к району вследствие различного поглощения солнечной радиации разными участками земной поверхности. По мере поглощения радиации воздухом тепловая энергия при участии силы тяжести переходит в кинетическую энергию движений.

Исследуя особенности погоды на Земле, ученые постепенно находят ключ к разгадке ее тайн. Таким ключом является циркуляция атмосферы, осуществляемая ее ячейками.

Сила Кориолиса

Движения воздуха на земной поверхности не обязательно прямолинейны. Воздух, как и любой другой предмет, движущийся, по Земле, испытывает влияние вращения Земли. В то время как предмет .двигается прямолинейно по поверхности нашей вращающейся планеты, его траектория как бы отклоняется от прямолинейной и становится криволинейной по отношению к вращающейся Земле. Это видимое отклонение движения вызвано действием силы Кориолиса, впервые описанной математически французским физиком Г. Кориолисом в XIX в.

В северном полушарии движущееся тело отклоняется вправо от направления первоначального движения, а в южном полушарии — влево. Следует заметить, что сила, заставляющая предмет отклоняться, не действительная, а инерционная, т. е. имеет как бы мнимый характер. Это значит, что ч>на не приложена к телу извне н появляется лишь тогда, когда тело начинает двигаться под действием других сил. Видимое отклонение тела от прямолинейного направления движения зависит от широты места и от скорости движения. Если бы не было силы Кориолиса, предметы двигались бы по земной поверхности прямолинейно. Действие силы Кориолиса можно заметить также в поведении морских течений.

Земля вращается с запада на восток с постоянной угловой скоростью. Но это вращение не вызывает изменения траектории объектов, движущихся по земной поверхности вдоль широтных кругов. Если же предмет — например, воздушная масса — движется по земной поверхности на север или на юг, наблюдатель, находящийся в начальной точке этого движения, заметит, что предмет постепенно отклоняется от прямолинейной траектории. В северном полушарии наблюдатель, стоящий спиной к ветру, заметит, что ветер поворачивает вправо, в южном полушарии ветер отклонится влево.

Сила Кориолиса появляется в результате вращения Земли. Но для наблюдателя, находящегося на Земле, поскольку он не замечает ее вращения, единственным заметным следствием этого вращения служит отклонение предметов, движущихся на земной поверхности, от прямолинейной траектории движения. (Утверждение о том, что мы не замечаем непосредственного вращения Земли вокруг своей оси, в настоящее время звучит несколько банально, но, чтобы разбить представление о неподвижной Земле и вращающейся вокруг нее вселенной, ученым понадобились тысячелетия.)

Если предмет движется в меридиональном направлении, например на север, он пересекает ряд широтных кругов, имеющих последовательно уменьшающиеся радиусы. Поэтому скорость вращательного движения Земли с запада на восток в каждой точке пересечения этим предметом широтных кругов становится меньше, чем вращательная скорость рассматриваемого предмета. Иначе говоря, вращательная скорость предмета больше, чем скорость каждой точки той широты, которую предмет проходит в данный момент. В связи с этим предмет отклоняется от направления своего движения вправо. Двигаясь с севера на юг, тот же предмет пересекает постепенно увеличивающиеся широтные круги, поэтому его вращательная скорость меньше скорости вращения Земли и он отстает от нее, а для наблюдателя, расположившегося лицом к югу, движущийся предмет все равно будет отклоняться вправо.

Барический закон ветра

Причиной возникновения ветра служат различия давления в разных точках земной поверхности. Наблюдатель, обратившийся лицом в ту сторону, куда дует ветер, может, учитывая действие силы Кориолиса, определить местоположение ближайших областей повышенного и пониженного давления. Соотношение между распределением давления и направлением ветра определил X. Бейс-Баллот в 1857 г. Это соотношение можно кратко выразить следующим образом: если в северном полушарии встать спиной к ветру, область высокого давления будет находиться справа, а область низкого давления — слева. Иными словами, низкое давление расположено слева от направления воздушного потока,   а    высокое   давление справа. В южном полушарии имеет место противоположное соотношение.

Силы, действующие в атмосфере

Направление движения воздуха определяется взаимодействием нескольких сил. Сила Кориолиса является только одной из четырех основных сил, действующих на движущийся воздух. Другие такие силы — сила тяжести, сила градиента давления и центробежная сила. Как только воздух начинает двигаться и возникает ветер, вступают в действие и три последние силы.

Силы влияющие на движение воздуха

Движение воздуха под действием силы барического градиента стремятся развиваться прямолинейно, вдоль этого градиента. При этом воздух движется из области большего давления к области меньшего давления, но с отклонением, вызванным действием силы Кориолиса.

Действительное движение воздуха —результат равновесия трех сил: силы градиента давления, силы Кориолиса и центробежной силы. Центробежная сила отражает стремление воздуха, движущегося по криволинейной траектории, удаляться по прямой линии в направлении от центра кривизны. Когда три названные силы полностью уравновешивают друг друга, движение воздуха именуют градиентным ветром. Скорость такого ветра определяется величиной вызывающего его градиента давления.

Очень часто, особенно на больших высотах, изобары проходят прямолинейно и параллельно друг другу. При такой их конфигурации центробежная сила либо отсутствует, либо столь мала, что ею можно пренебречь. Так возникает геострофический ветер — прямолинейное движение воздуха вдоль изобар, т. е. перпендикулярное к направлению градиента   давления. При геострофическом ветре сила Кориолиса точно уравновешивает силу градиента давления и воздух движется так, будто на него не действуют никакие силы.

Однако вблизи земной поверхности действует еще один фактор. До высоты примерно 1 км скорость ветра несколько уменьшается силой трения, которая направлена в сторону, противоположную направлению движения воздуха. При уменьшении скорости ветра из-за силы трения уменьшается и сила Кориолиса, действующая на движущийся воздух. Это приводит к тому, что ветер начинает дуть в направлении, пересекающем изобары, а не вдоль них, как бывает при отсутствии трения. Поэтому, рассматривая карты погоды, легко заметить, что ветер направлен под некоторым углом к изобарам. Этот угол в зависимости от шероховатости участка земной поверхности меняется в широких пределах. Над открытым морем угол между направлением ветра и изобарами довольно мал и составляет примерно 10°. Над сушей он около 20—30°, но может достигать и 35°.

Градиент давления

В холодном воздухе молекулы атмосферных газов расположены теснее, чем в теплом. Поэтому холодный воздух плотнее теплого. Различие плотности соседних порций воздуха служит причиной того, что воздух начинает перемещаться из одних районов в другие. Различия температуры создают разность давления, которая и действует как сила, направленная из районов более высокого давления в районы более низкого давления.

На картах погоды изобары — линии, соединяющие точки с одинаковым давлением, часто могут иметь вид неправильных окружностей. Эти окружности ограничивают местоположение областей высокого и низкого    давления.     Обычно   изобары на картах проводят с интервалом 2, 3, 4 или 6 миллибар (в СССР интервал 5 миллибар, на более детальных картах 2,5 в редких случаях 1 миллибар). Расстояние между изобарами характеризует скорость изменения давления по горизонтали, а тем самым и силу, действующую в направлении от высокого к более низкому давлению.

Изменение давления от одного района к другому называется градиентом давления. Чем больше разность давления между двумя районами, тем более значительная сила действует на воздух. Если изобары на карте погоды расположены довольно густо, то это указывает на сравнительно быстрое изменение давления   на   небольшом   участке.  Такое расположение изобар говорит о большом градиенте давления в данном районе.

Циклонические движения воздуха

В северном полушарии воздух втекает в область пониженного давления, вращаясь вокруг нее против часовой стрелки. В южном полушарии вращение воздуха вокруг такой области совершается по часовой стрелке. Такой тип движения воздуха называется циклоническим. Ветер в областях пониженного давления бывает довольно сильным, так как градиенты давления в них сравнительно велики.

Области повышенного давления создают систему ветров, называемую антициклонической. Ветер по спирали вытекает из области повышенного давления, совершая При этом в северном полушарии вращение по часовой стрелке, а в южном — против часовой стрелки. Антициклонический тип движения воздуха образует систему, площадь которой обычно больше площади циклонической системы. В антициклонах ветер более слабый, чем в циклонах.

Когда воздух по спирали втекает в циклон, он совершает восходящее движение в центральной части этой системы. Из антициклона воздух вытекает также по спиральным траекториям, но расходящимся от центра. На высотах воздух, наоборот, втекает в его центральную часть.

Общая циркуляция атмосферы

Воздух, перемещающийся из одних районов Земли в другие, создает целую систему циркуляционных областей, опоясывающих весь земной шар. В каждой такой циркуляционной области преобладают свои ветры и свое распределение давления. Циркуляционные области, окружающие земной шар, более однородны над океанами, чем над сушей, поскольку поверхность океанов однороднее поверхности суши. Вследствие неодинакового соотношения между площадями континентов и океанов в северном полушарии циркуляция атмосферы  сложнее,  чем в южном.

Пояса давления

Формируются различные циркуляционные области в первую очередь между четырьмя основными широтными поясами атмосферного давления, существование которых в конечном счете и является причиной как приземного, так и высотного распределения ветра.

Один такой пояс низкого давления лежит в районе экватора или около 5° с. ш. Обычно называемый экваториальной зоной затишья, этот пояс точнее именуется внутритропической зоной конвергенции. Среднее за год давление составляет здесь менее 760 мм. Этот пояс охватывает весь земной шар.

Ширина экваториальной зоны затишья может несколько меняться. В этой зоне преобладает сравнительно хорошая погода с частым появлением кучевых облаков и довольно интенсивными грозами. В зоне затишья воздух совершает восходящее движение, как и в случае, когда при неравномерном нагревании воздуха образуется отдельная циркуляционная ячейка. В высоких слоях атмосферы поднявшийся воздух начинает в каждом полушарии оттекать к полюсу и при этом отклоняется силой Кориолиса, создаваемой вращением Земли. Растекающийся воздух попадает в следующий пояс давления — в субтропический пояс высокого давления.

Субтропический пояс высокого давления известен большинству школьников под названием конских широт. Расположенный около 35° с. ш. и 30° ю. ш., этот пояс характеризуется   неустойчивыми и исключительно слабыми ветрами. Название «конские широты» связано с эпохой освоения Нового Света. Когда армады кораблей попадали в этих районах в зону штилей, возникала надобность экономить запасы пищи и питьевой воды. По-видимому, при этом приходилось жертвовать лошадьми, которых выбрасывали за борт. Трупы несчастных животных часто оставались плавать на поверхности океана, откуда и появилось название этих мест.

В районе конских широт давление в течение всего года обычно составляет более 760 мм. Это сравнительно высокое давление создается воздухом, опускающимся из высоких слоев атмосферы к земной поверхности и накапливающимся здесь. В северном полушарии в пределах этого пояса есть две области высокого давления. Одна лежит над восточной частью Тихого океана, а другая — над восточной Атлантикой. В северном полушарии области высокого давления, входящие в рассматриваемый пояс, меньше, чем аналогичные области в южном полушарии, где они охватывают обширные районы океанов. Неоднородное распределение давления в этом поясе в северном полушарии создают материки Америка, Африка и Евразия.

Третий пояс давления — очень низкого — находится приблизительно между широтами 60 и 70° в каждом полушарии и называется субполярным минимумом. В южном полушарии пояс низкого давления сплошной и расположен над поверхностью океанов. В северном же полушарии он лучше выражен над Тихим океаном — между Аляской и Сибирью, а над Атлантическим океаном — между Гренландией и Норвегией. Над континентами же северного полушария пояс низкого давления разбивается на области, чередующиеся с областями повышенного давления. Рассматриваемый пояс отличается довольно устойчивыми ветрами: воздух в этот пояс втекает в основном с юго-запада или северо-востока. В северном полушарии, например, в пояс субполярного минимума в виде сильного восточного ветра затекает воздух с севера.

Во всех перечисленных поясах давления возникает своя отдельная циркуляционная область, которая переносит воздух от одного такого пояса к соседнему.

Основные циркуляционные области

Глобальная циркуляция воздуха имеет характер конвективного переноса от одного пояса давления к другому .

Одна такая циркуляционная область имеется в каждом полушарии между субтропическим поясом высокого давления и внутритропической зоной конвергенции, или примерна между широтой 30° и экватором. В обоих полушариях воздух вблизи земной поверхности движется с сильной восточной составляющей к экватору, а над экватором совершает восходящее движение. Ветры, дующие к экватору, называются пассатами. Их английское название—торговые ветры (trade wind) — связано с тем, что европейские купцы пользовались этими ветрами для ускорения плавания своих парусных кораблей из Европы в Америку. Скорость пассатов круглый год 16—25 км/ч. Зона пассатов летом    (северного полушария) смещается примерно на 5° к северу.

Другая циркуляционная область лежит между субтропическим поясом высокого давления и поясом субполярного минимума. В северном полушарии в этой области преобладает движение воздуха с юго-запада на северо-восток, а в южном полушарии — с северо-запада на юго-восток. Эти ветры, называемые западным переносом, обычно удерживаются между 30 и 60° каждого полушария. В течение всего года в этой области часты бури, грозы и шквалы. Указанные ветры тоже бывают здесь весь год, хотя скорость их зимой больше, чем летом. В южном полушарии зону, где наблюдаются эти ветры, называют ревущими сороковыми, так как ветры здесь весьма устойчивы и развивают над сплошной водной поверхностью, не прерывающейся крупными материками, особенно большую скорость.

Третья циркуляционная область в каждом полушарии лежит между поясом субполярного минимума и полярной областью высокого давления, или между широтой 60° и полюсом. В этой области ветры преимущественно восточные. Особенно сильны восточные ветры в полярной области южного полушария в связи с наличием здесь мощного ледяного покрова. В северном же полушарии эти ветры имеют наибольшую скорость в Гренландии, Сибири и Канаде. Эти восточные, переносящие холодный полярный воздух, ветры, встречаясь с более теплыми западными ветрами, образуют полярный фронт.

Существование циркуляции атмосферы известно уже давно. В XVII в. появилось общее описание циркуляционных областей и их связи с круговоротом тепла и вращением Земли. Это сделал физик Д. Гадлей. Общую циркуляцию атмосферы он представлял в виде подъема воздуха над экватором и опускания его в более высоких широтах. Перенос воздуха в высоких слоях в сторону полюсов, иногда называемый меридиональным переносом, и возвращение воздуха к экватору в нижних слоях атмосферы в первоначальной теории выглядело одной-единственной ячейкой и было названо циркуляционной ячейкой Гадлея. В действительности циркуляция атмосферы происходит гораздо сложнее, поэтому термин «ячейка Гадлея» в теории общей циркуляции атмосферы в настоящее время уже не используется.

Крупномасштабную циркуляцию атмосферы можно лишь приближенно представить с помощью какой-либо одной модели или в виде набора отдельных деталей и особенностей. Исчерпывающе объяснить эту циркуляцию метеорологи пока еще не могут.

Сложность состоит в том, что свойства атмосферной циркуляции недостаточно изучены. Даже причины ее возникновения находятся еще в стадии изучения.

Поскольку между отдельными циркуляционными областями постоянно происходит обмен воздухом, то и общая циркуляция атмосферы обусловливает крупномасштабный круговорот тепла на всем земном шаре.

Поскольку воздух в каждой циркуляционной области поднимается от земной поверхности в более высокие слои атмосферы, а затем возвращается к поверхности, на каждом уровне он все время замещается приходящим сюда воздухом с другими свойствами и другой температурой. Такое взаимное замещение воздуха усиливает теплообмен в атмосфере Земли.

В поясе субполярного минимума проходит полярный фронт, где холодные и теплые воздушные массы часто встречаются друг с другом. При этом холодный воздух начинает перемещаться в сторону экватора, а теплый проникает в более высокие широты.

Экваториальный воздух в разные сезоны занимает несколько различное положение. Летнее смещение внутри-тропической зоны конвергенции к северу заставляет его также несколько продвигаться к северу.

Таким образом, в результате обмена воздухом между тремя основными циркуляционными областями тепло переносится из более низких широт в более высокие широты.