Что такое общая циркуляция атмосферы определение

Определение такого понятия, как «атмосферная циркуляция» в географии

Содержание:

Большинство воздушных масс обладают различными характеристиками, за счет чего обеспечивается постоянный ход перемещения. Они движутся вертикально, горизонтально. Циркуляция атмосферы – это безостановочный, постоянный процесс, который обеспечивается неравномерным нагревом планеты Земля. Формируется различное атмосферное давление, стартует движение очередных воздушных масс. Именно неравномерность нагрева выступает движущей силой, провоцирующей постоянную подвижность. За счет этого обеспечивается общая циркуляция атмосферы.

Атмосферная циркуляция это что?

Общая циркуляция атмосферы – это постоянное движение воздушных потоков над Землей. Тропосфера – оболочка Земли, наполненная огромными воздушными массами. Они имеют определенные свойства, главными из которых считаются уровень влажности и температурный режим. Каждая масса получает свои свойства, взаимодействуя с земными поверхностями.

Атмосферная циркуляция выступает ключевым фактором в формировании климатических условий на определенных территориях. При изменении воздушных потоков меняется погода. Воздушный поток приобретает свойства за счет поверхности земли, над которой он проходит. Если воздушная масса проходит достаточно большие расстояния, ее характеристики меняются.

Циркуляция атмосферы часто провоцирует резкие смены погодного режима. Движение осуществляется за счет ветров. Ветер перемещает воздух, поступая из зон с повышенным давлением в области с пониженным давлением.

Атмосфера состоит из нескольких слоев. Семьдесят процентов состава – азот, еще двадцать процентов – кислород. Остальные составляющие – это другие газы, которые присутствуют в воздухе в минимальных дозах. Тепло на Земле располагается неравномерно – есть жаркие и холодные регионы, области с переменчивым климатом. Атмосферное давление и тепловое распределение влияют на подвижность воздуха в атмосфере. Циркуляция – это движение постоянного типа, которому способствует ветер. Рассмотрим основные типы воздушных масс:

Общая циркуляция подчиняется определенным постоянным закономерностям. Западное течение воздуха характерно для субтропического или умеренного климатического пояса. В тропиках преимущественно течение восточное, причем весьма быстрое. Скорость движения воздушных масс может достигать 150 м/сек.

Источник

Общая циркуляция атмосферы

Воздушные массы свободно перемещаются и обмениваются в тропосфере и нижней стратосфере до верхней границы географической оболочки (приблизительно 20км).

Неравномерное распределение тепла в атмосфере приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, а от распределения давления зависит движение воздуха, или воздушные течения.

На характер движения воздуха относительно земной поверхности важное влияние оказывает тот факт, что движение это происходит на вращающейся Земле. В нижних слоях атмосферы на движение воздуха также влияет трение. Движение воздуха относительно земной поверхности называют ветром, всю систему воздушных течений на Земле — общей циркуляцией атмосферы. Вихревые движения крупного масштаба — циклоны и антициклоны, постоянно возникающие в атмосфере, делают эту систему особенно сложной.

С перемещениями воздуха в процессе общей циркуляции связаны основные изменения погоды: воздушные массы, перемещаясь из одних областей Земли в другие, приносят с собой новые условия температуры, влажности, облачности и пр.

Кроме общей циркуляции атмосферы, существуют местные циркуляции: бризы, горно-долинные ветры и др.; возникают также сильные вихри малого масштаба — смерчи, тромбы.

Ветер вызывает волнение водных поверхностей, многие океанические течения, дрейф льдов; он является важным фактором эрозии и рельефообразования.

Связанные понятия

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.

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Геосфе́ры (от греч. γῆ — Земля и σφαῖρα — шар) — сферические оболочки (сплошные и прерывистые) формирующие планету Земля.

Источник

Циркуляция атмосферы

Общая циркуляция атмосферы — система замкнутых течений воздушных масс, проявляющихся в масштабах континентов и океанов или всего земного шара. Местные циркуляции атмосферы определяются физико-географическими условиями конкретной местности. К ним относятся бризы, горно-долинные ветры и другие.

Движение воздуха происходит из областей высокого давления, создаваемого более плотным холодным воздухом, в более тёплые области с низким атмосферным давлением. Температура различается в связи с тем, что на разных широтах поверхность Земли по-разному прогревается Солнцем и земная поверхность имеет различные физические свойства, особенно из-за её разделения на сушу и море. Кроме того на движение воздуха влияет вращение Земли вокруг своей оси и неоднородность её поверхности, что вызывает трение воздуха о почву и его увлечение. Первоначальным источником энергии всех циркуляционных процессов в атмосфере Земли является лучистая энергия Солнца. Энергия циркуляции атмосферы постоянно расходуется на трение, но непрерывно пополняется за счёт солнечного излучения.

Связанные понятия

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.

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Источник

Циркуляция атмосферы Земли. Урок 14

Изучив тему, не забудьте пройти

Пройдите тест по изученному материалу

Рис. 1. От чего зависит образование ветра, и циркуляция атмосферы соответственно?

Нагреваясь, воздух расширяется и его объём увеличивается, он становится легче. Лёгкий тёплый воздух, подчиняясь закону Архимеда, выталкивается вверх. Именно поэтому батареи в домах ставят внизу, у пола. Холодный воздух более тяжёлый опускается и нагревается от поверхности Земли. Так происходит постоянная смена масс воздуха в вертикальном направлении – конвекция. На место ушедшего вверх воздуха движется более тяжёлый и холодный, и появляется ветер.

Что такое ветер?

Циркуляция атмосферы имеет свой «двигатель» — Солнце. Участки земной поверхности нагреваются с разной интенсивностью. Вода нагревается медленно, суша быстрее, тёмная поверхность улавливает больше солнечной радиации, у снега и льда высокое альбедо. Из-за разного нагрева появляется перепады атмосферного давления, следствием которого являются ветры.

Ветер – это движение воздуха относительно земной поверхности, вызванное неравномерным распределением атмосферного давления и направленное от области высокого давления к области низкого давления. Чем больше разница в атмосферном давлении над разными участками поверхности, тем сильнее ветер.

Не совсем правильно говорить, что ветер – это движение воздуха в горизонтальном направлении, так как встречаются отклонения, связанные с рельефом местности. Например, местные ветры в горах могут дуть сверху вниз – с вершин в долины. Но у поверхности равнин ветры действительно имеют горизонтальное направление.

Рис. 2. Образование местного ветра

Направление ветра

На самом деле румбов 32. Румб – это одно из делений картушки компаса, а значит и одно из направлений относительно севера. В морской терминологии – это 1/32 окружности.

Рис. 4. Шестнадцатилучевая роза румбов.
Автор: Wereldburger758

На картах направление ветра изображается стрелками.

Рис. 5. Способ изображения направления ветров на карте

Для более точного определения направления иногда указывают азимут – угол между направлением на север и вектором скорости, отсчитываемой от точки севера по часовой стрелке от 0 до 360°.

Названия ветров в Древней Греции соответствовали их мифологическим богам. Зефир – бог западного ветра был любим греками. Он приносил свежесть, влагу и прохладу на их раскалённые земли. Совсем по-другому относились они к богу северного ветра – Борею. Он представлялся грекам могучим бородатым великаном с длинными волосами, который прячется в тёмных горных пещерах, а время от времени со злом и без жалости налетает на их земли. Бога южного ветра Нота, называли не иначе как быстрым.

Чтобы определить преобладающие ветры какой-то местности, строят розу ветров – график-чертёж, показывающий направление ветров за определённый промежуток времени (сутки, месяц или год).

Рис. 6. Роза ветров на месяц

Как построить розу ветров?

Турбулентное движение воздушных масс – когда частицы воздуха движутся неупорядоченно, хаотично. При турбулентном движении воздуха трудно или вообще невозможно говорить о каких-либо определенных направлении и скорости воздушного потока.

Сила ветра

Вторая важная характеристика ветра – скорость его движения относительно земной поверхности. Она определяет силу ветра. Поэтому говоря о силе ветра, подразумевают скорость перемещения воздушных масс.

Таблица 1. Шкала Бофорта

Моряки измеряют силу ветра в узлах. Один узел равен морской миле (1,852 км/ч).

В тропических циклонах (тайфунах) скорости ветра доходят до 70 м/с, а отдельные порывы – до 100 м/с. Среднее значение скорости ветров вблизи земной поверхности составляет примерно 10 м/с. В верхней тропосфере скорости ветров существенно выше.

Скорость ветра измеряют при помощи прибора анемометра.

Бризы

Рис. 8. Как образуются бризы?

На рис. 9 показаны замкнутые линии тока (ячейки атмосферной циркуляции), характеризующие направление движения воздушных масс вблизи береговой линии в дневное и в ночное время. Днем суша (берег) прогревается сильнее, чем поверхность воды; поэтому над сушей плотность воздуха понижается, и воздух начинает подниматься вверх. Происходит конвекция воздуха: менее плотная воздушная масса всплывает над более плотной.

Рис. 9. Циркуляция атмосферы при образовании бризов

В результате давление воздуха вверху над сушей возрастает, а у самой поверхности уменьшается. Давление вблизи поверхности моря оказывается больше давления у поверхности суши – и с моря к берегу устремляется горизонтальный поток воздуха (дневной бриз). Соответственно на высоте поток воздуха движется в направлении от берега к морю, и таким образом возникает ячейка атмосферной циркуляции.

Дневной бриз является одним из элементов этой ячейки. Ночью реализуется обратная ситуация: суша быстрее охлаждается и становится холоднее поверхности моря. Внизу возникает перенос воздуха с берега на море (ночной бриз), а над ним появляется обратный воздушный поток.

Рис. 10. Дневной и ночной бризы (циркуляция атмосферы)

Бриз захватывает нижний слой воздуха высотой от нескольких сотен метров до одного-двух километров. От береговой линии бриз распространяется вглубь суши или моря на 10-30 км.

В средних широтах бризы имеют скорости 3-5 м/с; в тропиках бризы более мощные, характеризуются более высокими скоростями.

Слабые бризы наблюдаются на суше — на границе поля и леса (рис. 2). Ночью поверхность поля охлаждается быстрее — и появляется приповерхностный поток воздуха с поля к лесу, а на высоте крон деревьев — обратный поток от леса к полю. Днем реализуется обратная циркуляция атмосферного воздуха.

В горных районах наблюдаются ветры с суточной периодичностью, похожие на бризы, — так называемые горно-долинные ветры и ветры склонов (рис. 11). Днем склоны гор и прилегающий к ним воздух нагреваются достаточно сильно и возни кает восходящая конвекция воздушных масс.

Рис. 11. Циркуляция атмосферы: схема образования горно-долинных ветров.
Автор: Majuro

Давление воздуха на склоне горы оказывается меньше его давления в долине – и ветер начинает дуть по склону горы снизу вверх ( анабатический ветер ). В результате образуется ячейка атмосферной циркуляции. Ночью реализуется обратная ситуация: склон горы и прилежащий воздух охлаждаются сильнее, чем воздух в долине, и возникает ветер, дующий по склону сверху вниз, с горы в долину ( катабатический ветер ). Вот некоторые известные горно-долинные ветры.

По такому же принципу образуются стоковые ветры на границе ледника и моря.

По этой причине прибрежные склоны восточной части Антарктиды можно считать наиболее ветреными местами на Земле. На этот перенос наряду с барическим градиентом влияет сила тяжести, поэтому по мере приближения перемещающихся масс воздуха к береговой линии в нижних 100–200 м могут развиваться очень большие скорости ветра, до 20 м/с (а иногда и выше), с резко выраженной порывистостью.

Муссоны

Как бризы, так и горно-долинные ветры – это местные ветры, чаще с суточной периодичностью. Существенно масштабнее муссоны – сезонные ветры, имеющие континентальный характер и возникающие вследствие разницы атмосферного давления, обусловленной различием степени нагревания суши и моря в летнее и зимнее времена года (внетропические муссоны) и различием нагрева полушарий по сезонам (тропический-экваториальный муссон).

Рис. 12. Муссонные области

Тропические муссоны

Тропический муссон зависит от перемещения экваториальной депрессии по временам года. Зимний муссон юго-восточного направления устремляется к экватору, при пересечении экватора он меняет своё направление на юго-западное, нагревается, набирает влагу и как летний влажный муссон приходит в субэкваториальные широты Северного полушария.

В январе экваториальная депрессия перемещается в Южное полушарие на 5° ю. ш. В тропических широтах Северного полушария образуется пояс высокого давления. Воздушный поток начинает своё движение от тропиков Северного полушария как северо-восточный зимний муссон. В Южное полушарие он приходит летним северо-западным муссоном.

Летний влажный муссон, дующий от экватора обуславливает сезон дождей, зимний муссон – это пассат соответствующего полушария. Он не приносит осадков. Муссонная циркуляция характерна для субэкваториальных поясов.

Внетропические муссоны

Внетропические муссоны появляются на восточных берегах материков от тропиков до субарктических широт, образуются из-за неравномерного нагрева суши и океана.

Слово «муссон» происходит от арабского слова «маусим», означающего «сезон». Муссонный климат ярко выражен на полуостровах Индостан, Индокитай, Сомали, а также в Верхней Гвинее и на Дальнем Востоке. Летом на материк и прилегающие острова муссоны приносят обильные осадки, зимой обеспечивают относительно сухую погоду.

Смена летних и зимних муссонов происходит в апреле-мае и октябре-ноябре. Зимние северо-восточные муссоны фактически совпадают с пассатами Северного полушария. Тем не менее их скорость, как правило, не превышает 10 м/с. А вот летние муссоны с Индийского океана достигают штормовой силы 20-25 м/с и тем самым искажают картину пассатов Северного полушария в бассейне Индийского океана.

Общая циркуляция атмосферы

В огромном разнообразии и кажущейся хаотичности воздушных потоков, формирующих беспокойную тропосферу Земли, просматриваются постоянные потоки воздушных масс, имеющие глобальный характер. Ими определяется общая циркуляция атмосферы. Они обусловлены двумя причинами:

Представим себе, что вращения Земли вокруг оси нет. Остался только один фактор – широтная зависимость температуры нижних слоев атмосферы. В этом случае общая картина воздушных потоков в атмосфере выглядела бы относительно просто. Понятно, что в экваториальной области воздух прогревается наиболее сильно. Значит, здесь плотность приповерхностных его слоев должна быть относительно низкой (по сравнению с более высокими широтами). Теплый экваториальный воздух будет за счет конвекции подниматься вверх – к верхней границе тропосферы и там он начнет растекаться частью к одному географическому полюсу, а частью – к другому.

Холодный воздух в приполярных областях будет опускаться вниз – к земной поверхности. Итак, в районе экватора воздушные массы поднимаются вверх, а в районе полюсов они опускаются вниз. Поэтому атмосферное давление у поверхности вблизи экватора оказывается меньше давления вблизи полюсов. Эта разница давлений должна порождать постоянные приповерхностные ветры, дующие вдоль меридианов от полюсов к экватору.

Образуется общая циркуляция атмосферы: у поверхности – вдоль меридианов от полюса к экватору, на экваторе – подъем вверх, в верхней тропосфере – вдоль меридианов от экватора к полюсу, на полюсе опускание вниз.

Рис. 13. Циркуляция атмосферы на невращающейся Земле

Именно интенсивный подъем воздушных масс в экваториальном поясе приводит к тому, что высота тропосферы на экваторе примерно в два раза больше, чем на полюсах. Однако ошибочно думать, что воздушная циркуляция охватывает все полушарие – от экватора до полюса. Так не могло случиться, даже если бы Земля не вращалась вокруг своей оси. Тогда воздушные массы, поднявшиеся вверх со всего экватора, должны были бы собраться над полюсами, приобретя там исключительно большие скорости, что, конечно, далеко от реальности. При учете вращения Земли не происходит скопления воздушных масс над полюсами и циркуляция атмосферы выглядит иначе.

Общая циркуляция атмосферы с учетом вращения Земли

Вращение Земли вокруг своей оси приводит к двум существенным усложнениям в глобальной картине атмосферных циркуляций. Первое усложнение состоит в том, что вместо одной (экваториальной) области пониженного атмосферного давления вблизи поверхности наблюдаются три такие области:

Соответственно, вместо двух областей повышенного атмосферного давления вблизи поверхности наблюдаются четыре области – две приполярные области плюс пояс около 30°с.ш. и пояс около 30°ю.ш. Нет общей циркуляции в пределах всего полушария (от экватора до полюса); вместо этого наблюдаются несколько циркуляций или, иначе говоря, несколько ячеек (шесть).

Рис. 14. Общая циркуляция атмосферы

Для всех ячеек справедливо общее правило: воздух поднимается вверх в области пониженного приповерхностного давления и опускается в области повышенного приповерхностного давления. Вблизи земной поверхности воздух движется из области повышенного давления в область пониженного давления.

Итак, в экваториальной области происходит подъем теплого влажного воздуха. На высотах 1-5 км содержащаяся в воздухе влага конденсируется – образуются облака (небо над экватором почти всегда закрыто облаками). Поднявшийся выше 10 км уже сухой воздух растекается в верхней тропосфере частью в направлении к северу, а частью – к югу.

Достигнув 25°-30° северной или южной широты, сухой воздух опускается к поверхности. Обратим внимание: в Северном полушарии именно на этих широтах расположены крупнейшие пустыни Земли – Сахара в Африке, Тар и Аравийская в Азии; в Южном полушарии на широтах вблизи 30° находятся пустыни Калахари в Африке и Большая пустыня Виктория в Австралии.

Скорость опускания воздушных масс в рассматриваемых широтах невелика и горизонтальные скорости ветра вблизи поверхности тоже малы. Эти широты – области штилей. Моряки издавна называли их «конскими широтами». Парусные корабли могли месяцами находиться в безветрии; при этом во множестве погибали от жары и жажды перевозимые морем лошади.

Опустившиеся к поверхности на конских широтах воздушные массы частью перемещаются к экватору, где они поднимаются, замыкая тем самым ячейку, а частью переходят в область пониженного давления около 60° (как в Северном, так и в Южном полушарии), где они поднимаются, формируя другую ячейку.

Циркуляция атмосферы: циркумполярные ветры, пассаты и антипассаты, западные ветры, полярные восточные ветры

Второе усложнение, которое вносит вращение земли в картину воздушных потоков, состоит в том, что эти потоки как вблизи поверхности, так и в верхней тропосфере распространяются отнюдь не в меридиональных плоскостях.

Общее правило таково: в Северном полушарии все ветры, удаляющиеся от экватора, заворачивают к востоку, а ветры, приближающиеся к экватору, заворачивают к западу; в Южном полушарии наблюдается симметричная картина. Это правило можно выразить проще: в Северном полушарии все ветры, распространяющиеся не вдоль параллели, отклоняются вправо, а в Южном полушарии – влево.

Это правило (будем называть его правилом отклонения) не противоречит основному положению, согласно которому воздушные массы перемещаются из области повышенного давления в область пониженного давления. Просто во время перемещения воздушные массы отклоняются вправо в Северном полушарии и влево в Южном. Важно, однако, чтобы область пониженного давления не была достаточно сильно локализована.

Связь правила отклонения с вращением Земли нетрудно объяснить. Предварительно заметим, что благодаря вращению Земли точки на экваторе движутся в направлении с запада на восток со скоростью, равной 40000 км : 24 часа = 1670 км/ч. Точки на 30-й параллели движутся в том же направлении, но их скорость меньше, она равна 1450 км/ч. А скорость движения точек на 60-й параллели еще меньше —830 км/ч. Теперь представим себе, что некая масса воздуха, находившаяся на параллели 30° с. ш. и имевшая скорость 1450 км/ч, перескочила на экватор, где точки движутся со скоростью 1670 км/ч. Ясно, что эта масса окажется отброшенной назад по отношению к направлению движения точек экватора, т. е. отброшенной на запад. А если бы масса воздуха перескочила с 30° с. ш. на 60° с. ш., где скорость всего 830 км/ч, то в этом случае она оказалась бы отброшенной вперед по направлению движения точек параллели, т. е. на восток.

При постепенном перемещении воздушных масс от 30° с. ш. к экватору они будут все время отставать от точек, движущихся по своим параллелям; это отставание выразится в том, что, приближаясь к экватору, воздушные массы будут заворачивать к западу, т.е. отклоняться вправо. Если же воздушные массы перемещаются от 30° с. ш. к полюсу, то они будут все время обгонять точки, движущиеся по своим параллелям. Это приведет к тому, что, удаляясь от экватора, воздушные массы будут заворачивать к востоку, т. е. опять будут отклоняться вправо. Все это касалось перемещений в Северном полушарии. С помощью аналогичных рассуждений можно получить, что в Южном полушарии воздушные массы, приближаясь к экватору или удаляясь от него, будут отклоняться влево.

Антипассаты зарождаются над экватором. Поднявшись благодаря конвекции над экваториальной областью, воздушные массы начинают растекаться в верхней тропосфере частью к северу, а частью к югу, формируя тем самым антипассаты. Антипассаты Северного полушария, удаляясь от экватора, отклоняются к востоку и на широтах около 30° принимают направление с запада на восток строго вдоль параллели.

На этом их удаление от экватора прекращается. На данных широтах воздушные потоки сливаются в единый воздушный поток, опоясывающий земной шар – циркумполярный ветер Северного полушария («циркумполярный» означает «окружающий полюс» или «движущийся вокруг полюса»). Скорость этого ветра в его центральной части достигает 50 м/с. Он циркулирует непосредственно над конскими широтами на высоте 8-10 км.

Рис. 15. Постоянные ветры: а) в верхней тропосфере; б) в нижней тропосфере. Циркуляция атмосферы

В Южном полушарии антипассаты, удаляясь от экватора, также отклоняются к востоку и около 30°ю.ш. принимают направление с запада на восток строго вдоль параллели. Сливаясь, воздушные потоки образуют на данных широтах циркумполярный ветер Южного полушария. Он аналогичен циркумполярному ветру Северного полушария и циркулирует, как и тот, в направлении с запада на восток. Итак, над конскими широтами в обоих полушариях циркулируют вокруг земной оси два воздушных потока. Они охлаждены и к тому же непрерывно подпитываются антипассатами. Поэтому воздух в циркумполярных потоках оказывается довольно плотным и опускается к земной поверхности.

Это опускание воздушных масс как раз и обеспечивает повышенное приповерхностное атмосферное давление в поясах вблизи широты 30° в Северном и Южном полушариях. В результате возникают приповерхностные ветры, дующие от конских широт (от тропиков) как к экватору (северо-восточные и юговосточные пассаты ), так и от экватора ( западные ветры ).

Ревущие сороковые – название, данное моряками океаническим пространствам между 40° и 50° широты в Южном полушарии Земли, где дуют сильные и устойчивые западные ветры, вызывающие частые штормы.

Суша в основном находится в Северном полушарии, поэтому картина ветров в этом полушарии дополнительно усложняется. Одним из таких усложнений являются муссоны. Зимние северо-восточные муссоны на полуостровах Индостан, Индокитай, Сомали совпадают с северо-восточными пассатами, тогда как летние южные и юго-восточные муссоны с Индийского океана не просто подавляют юго-восточные пассаты, но достигают штормовой силы.

Вращающийся вокруг своей оси земной шар представляет собой неинерциальную систему отсчета. При рассмотрении тех или иных явлений в этой системе необходимо принимать во внимание силы инерции. На тела, находящиеся на Земле (в том числе на воздушные массы атмосферы), действуют две такие силы — центробежная сила инерции и так называемая сила Кориолиса

Циркуляция атмосферы: циклоническая деятельность

Циклонической деятельностью называют постоянное возникновение, развитие и перемещение в тропосфере умеренных и высоких широт крупномасштабных атмосферных возмущений с пониженным и повышенным приповерхностным давлением – циклонов и антициклонов.

Циркуляция атмосферы: циклон

Циклон – область пониженного приповерхностного атмосферного давления, принимающего наименьшее значение в центре циклона (зоне депрессии). Размеры области, занятой циклоном, могут достигать в поперечнике двух-трех тысяч километров.

Рис. 16. Образование циклонов в Северном и Южном полушариях:
а) направление ветров приближающихся к центру вблизи земной поверхности;
б) картина ветров в вертикальном разрезе;
в) направление ветров, расходящихся от центра цик-
лона в верхней тропосфере

Воздушные массы в циклоне устремляются к его центру, поскольку там находится зона пониженного давления; вблизи земной поверхности возникают ветры, дующие от периферии циклона к центру. Но линии тока имеют вид не прямых линий, а заворачивающихся. В Северном полушарии они заворачиваются против часовой стрелки, а в Южном – по часовой стрелке.

Слово «циклон» происходит от греческого kyklos, означающего «кружащийся», а также «кольцо змеи». Достигнув зоны депрессии, воздушные потоки в циклоне устремляются вверх от поверхности Земли, поднимаясь в верхнюю тропосферу. Ничего иного им и не остается: не могут же они все время накапливаться в зоне депрессии. Подъем воздушных масс приводит к образованию мощной облачности и интенсивным осадкам. Для циклонов характерна пасмурная погода с сильными ветрами и обложными дождями. Падение атмосферного давления — верный признак того, что вскоре погода испортится.

Каждый циклон — система недолговечная. Он существует в течение нескольких суток (как правило, не более недели), в течение которых глубина циклона постепенно уменьшается, и он затухает.

Интересно, что движение приповерхностных ветров в циклонах не подчиняется известному правилу отклонения и, более того, прямо противоречит ему. Напомню оговорку, сделанную при формулировании этого правила: «важно, чтобы область пониженного давления не была достаточно сильно локализована». Но в случае с циклоном она как раз локализована — это зона депрессии, центр циклона. Перемещающиеся внутри циклона воздушные массы, конечно, находятся под действием силы Кориолиса, стремящейся отклонить их в Северном полушарии вправо. Однако более сильным оказывается различие давлений.

Стремясь попасть в зону пониженного давления в центре циклона, воздушные массы движутся заворачиваясь к ней, а потом отклоняются в Северном направлении не вправо, а влево, что и соответствует закручиванию в направлении против часовой стрелки.

Циркуляция атмосферы: антициклон

Антициклон – область повышенного приповерхностного давления, принимающего наибольшее значение в центре антициклона. Как и циклон, антициклон представляет собой крупномасштабный вихрь; он может занимать область размерами в поперечнике до трех тысяч километров и более. Как и циклон, антициклон перемещается вдоль земной поверхности со скоростью около 10 м/с, придерживаясь направления глобальных приповерхностных ветров.

Временами он оказывается в малоподвижном состоянии, зависая над какой-либо территорией более чем на неделю. В соответствии с различием атмосферных давлений в центре и на периферии антициклона, приповерхностные ветры растекаются от центра к периферии, раскручиваясь в Северном полушарии в направлении по часовой стрелке, а в Южном полушарии против часовой стрелки – согласно известному правилу отклонения, т.е. под действием силы Кориолиса.

Высотные ветры, напротив, притекают от периферии к центру антициклона. Они закручиваются в Северном полушарии в направлении против часовой стрелки, а в Южном — по часовой стрелке. Такое движение ветров не согласуется с правилом отклонения. Притекающие к центру антициклона в верхней тропосфере воздушные массы опускаются вниз, к земной поверхности, принося с собой, как правило, сухую малооблачную погоду.

Всем известно: показания барометра падают (давление понижается) – жди плохой погоды с дождями, давление повышается – жди хорошей погоды.

Рис. 17. Циркуляция атмосферы: схема образования антициклона:
а) направление приповерхностных ветров, б) перемещение воздушных масс в вертикальном направлении, в) направление высотных ветров

Среди особенно крупных антициклонов отметим зимний Азиатский антициклон над всей территорией Сибири и Китая, Антарктический над Антарктидой, Арктический антициклон над Северным Ледовитым океаном и Гренландией, зимний Североамериканский над США, Мексикой и половиной Канады.

Рис. 18. Карта циклонической деятельности, январь. Циклоны и антициклоны изображаются на карте замкнутыми изобарами с указанием низкого (Н) или высокого (В) давления в центре.

Воздушные массы

По отношению к подстилающей поверхности движущиеся (зональные) воздушные массы (ВМ) делят на тёплые и холодные. Если температура подстилающей поверхности выше температуры ВМ, то они считаются холодными и наоборот, если они движутся над более холодной поверхностью, то считаются тёплыми. Свойства ВМ постоянно изменяются.

В зависимости от района формирования, различают 4 типа ВМ:

Сформировавшиеся над морем, они называются морскими, а появившимися над сушей – континентальными.

Рис. 19. Циркуляция атмосферы: воздушные массы

Экваториальные воздушные массы образуются в полосе пониженного атмосферного давления над влажными лесами и океанами. Характеризуются высокими температурами и влажностью. Летом соответствующего полушария они в виде экваториальных муссонов проникают до тропиков. Особенно далеко они заходят в Индии, вплоть до Гималаев.

Циркуляция атмосферы: теплый и холодный атмосферные фронты

Вследствие неодинакового нагрева воздуха разными участками земной поверхности формируются теплые и холодные воздушные массы. Перемещаясь вдоль поверхности, они могут приближаться друг к другу или удаляться. При сближении разнородных воздушных масс образуется переходная область, иначе говоря, фронтальная зона. Ее можно представлять как поверхность, разделяющую две воздушные массы (фронтальную поверхность). Линию, по которой эта зона пересекается с земной поверхностью, называют линией атмосферного фронта или, проще, атмосферным фронтом.

Предположим, наступающий теплый воздух движется быстрее отступающего холодного. Масса теплого воздуха как бы наваливается (наезжает) на образуемый отступающим холодным воздухом клин, начинает скользить вверх по нему. Клин холодного воздуха отодвигается, и атмосферный фронт постепенно перемещается по земной поверхности в сторону холодного воздуха, принося с собой теплую погоду. Такой атмосферный фронт называют теплым.

В случае теплого атмосферного фронта восходящее скольжение охватывает значительную массу теплого воздуха над фронтальной поверхностью, вследствие чего возникает мощная система облаков – перисто-слоистых, высоко-слоистых, слоисто-дождевых. Последние порождают обложные осадки.

В случае холодного атмосферного фронта восходящее движение теплого воздуха ограничено более узкой зоной, сосредоточенной в основном непосредственно над линией фронта. Облака имеют здесь, как правило, характер кучево-дождевых с ливневыми осадками и грозами.

Рис. 20. Циркуляция атмосферы: атмосферные фронты:
а) холодный;
б) тёплый

Атмосферные фронты постоянно возникают, перемещаются и затухают. Фронтальные поверхности могут подниматься вверх на несколько километров и даже достигать стратосферы. Линии фронтов могут иметь длину до нескольких тысяч километров.

На синоптических картах теплый и холодный фронты изображают линиями; стрелками обозначены направления перемещения фронтов, а штриховкой отмечена зона депрессии.

Антициклоны возникают вне атмосферных фронтов. Как возникновение, так и развитие фронтов тесно связаны с возникновением и развитием циклонов. По сути дела, это единый процесс.

Тропический циклон

Жители Китая, Японии, Вьетнама, Филиппин, Индии, Австралии, Мадагаскара, Центральной Америки, южных районов США, островов Карибского моря знакомы с исключительно грозным природным явлением – тропическими циклонами. В Америке их называют ураганами, а на западном побережье Тихого океана тайфунами. Название «ураган» связано с именем бога бурь у древнего народа майя. «Тайфун» в переводе с китайского означает «очень большой ветер».

Великий тайфун 1281 г. уничтожил, по мнению историков, флот Хубилая, потомка Чингисхана, и тем самым предотвратил завоевание монголами Японии. Пожалуй, это был единственный в истории случай, когда тропический циклон сыграл положительную роль. А вообще тропические циклоны причиняли и причиняют только бедствия, разрушая города, затопляя огромные территории, унося тысячи человеческих жизней.

Отметим некоторые мощные тропические циклоны за последние пятьдесят лет.

«такие ветры вызывают ощущение, что рушатся все нормальные отношения между живым существом и окружающим его миром. Человек чувствует, что его предали – так же, как в те минуты, когда земля сотрясается у него под ногами. При тайфуне воздух, извечный источник жизни, ее постоянная поддержка и пища, внезапно становится врагом. Мирная кормилица превращается в безумную фурию. Как если бы мать, перестав укачивать ребенка, вдруг швыряет его на землю и топчет ногами… И действительно, пушечный выстрел — это, пожалуй, единственное подходящее сравнение для такого ветра».

Как видим, тропический циклон существенно отличается от обычного. При обычном циклоне (его называют внетропическим циклоном) портится погода, идут дожди, усиливается ветер – только и всего. Тогда как тропический циклон чреват огромными разрушениями, сопровождается многочисленными человеческими жертвами. А между тем физическая природа обоих циклонов — обычного и тропического — по сути одна и та же.

Различие состоит в том, что приповерхностное атмосферное давление в центре тропического циклона на 70-100 гПа (50- 75 мм рт. ст) ниже давления в центре обычного циклона. Нередко атмосферное давление в центре тропического циклона оказывается равным 900-920 гПа; оно может опускаться до 870- 880 гПа. Снижение давления всего на одну десятую атмосферы существенно изменяет картину циклонического вихря.

Правда, со стороны это изменение не очень заметно.

Отличие от обычных циклонов состоит в том, что:

Тропические циклоны зарождаются в низких широтах в результате взаимодействия дующих там ветров (пассатов) с мощными конвективными потоками воздуха, которые возникают над сильно нагретой (до 26-28 °С) поверхностью океана. Предположим, что где-то над теплым океаном на некоторой параллели к северу от экватора сильно нагретый влажный воздух устремляется вверх, поэтому приповерхностное атмосферное давление внутри данной области резко падает – образуется довольно глубокая зона депрессии.

Тут же возникают силы, стремящиеся направить окружающие воздушные массы в зону депрессии. И вот обе эти массы устремляются к зоне депрессии. Они бы вскоре заполнили зону, если бы не было вращения земного шара вокруг своей оси. Но оно происходит.

Итак, огромные скорости воздушных масс в тропическом циклоне (достигающие 80-100 м/с) вынуждают эти массы не скручиваться к центру зоны, а циркулировать вокруг него по окружности. Огромные массы воздуха, измеряемые триллионами тонн, кружатся вокруг центра тропического циклона, оставляя в покое относительно небольшую область в центре – тот самый глаз тайфуна. Разумеется, это кружение не бесконечно. Когда тропический циклон, использовав запасы кинетической энергии, постепенно затухает, он превращается сначала в обычный циклон, а затем и вовсе исчезает.

Стремясь заполнить зону депрессии, воздушные массы устраивают карусель вокруг ее центра. Заполнению зоны депрессии препятствуют центробежные силы инерции, действующие на движущиеся частицы воздуха. Каждая частица, подобно камню в праще, стремится прочь от центра такой карусели. Эти центробежные силы инерции как бы отсасывают воздух и еще более понижают давление в зоне депрессии.

Напомним, что основной причиной понижения давления (обусловившей возникновение зоны депрессии) являются восходящие воздушные потоки, т. е. конвекция. Она происходит благодаря нагреванию поверхности вод океана в тропическом поясе и усиливается вследствие выделения тепла при конденсации водяного пара и образовании огромной массы облаков в процессе подъема воздушных масс. Понятно, что восходящие воздушные потоки необходимо принимать во внимание, рассматривая в целом картину тропического циклона. Одновременно с кружением масс воздуха вокруг центра депрессии происходит их подъем от земной поверхности к верхней тропосфере, так что фактически движение частиц воздуха происходит не по окружности, а по восходящей винтовой линии (спиральной кривой, располагающейся на поверхности круглого цилиндра).

Вблизи земной поверхности воздушные массы движутся по скручивающейся спирали, превращающейся в окружность (вернее окружности) вокруг центра депрессии. Затем начинается подъем воздушных масс по восходящей винтовой линии. Этот подъем сопровождается образованием большой облачности и обильными осадками.

Смерчи (тромбы, торнадо)

Циркуляция атмосферы включает в себя и смерчи. Смерч – атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и затем распространяющийся в виде темного рукава или хобота по направлению к поверхности суши или моря; в верхней части имеет воронкообразное расширение, сливающееся с облаком.

Внешний вид и основные характеристики смерчей

Смерч выглядит устрашающе. Из очень темной, почти черной тучи опускается к земной поверхности сужающийся книзу хобот; он представляет собой вихрь. Вместе с тучей этот хобот-вихрь движется со скоростью поезда вдоль земной поверхности, случайным образом меняя направление движения.

Можно рассматривать смерч как часть грозового облака, быстро вращающуюся вокруг вертикальной оси. Впрочем, эта часть облака весьма специфична. Она не только быстро вращается, но и при этом, подобно сверхмощной вытяжной трубе, втягивает в себя и поднимает вверх воду, песок, камни, а также различные предметы, нередко тяжелые. Поэтому такой удивительной части грозового облака дают отдельное название – смерч. А все остальное облако, откуда опустился смерч, называют материнским облаком, подчеркивая тем самым происхождение смерча.

Термин «смерч» происходит от русского слова «сумрак» – ведь смерчи рождаются из грозовых облаков мрачного вида, создающих при своем появлении сумерки.

Если смерч возникает над морем, его называют водяным смерчем (или просто смерчем). Смерчи над сушей называют тромбами (от французского tromb, означающего «труба»). В Северной Америке тромбы принято называть торнадо (от испанского tornados, означающего «вращающийся»).

Рис. 22. Торнадо

Внешний вид смерчей может быть различным. Часто смерч напоминает свисающий из материнского облака хобот. Но можно видеть конус, широкую вверху и узкую у поверхности воронку, которая может принимать форму бокала. Смерч бывает похож на простую колонну, которая может слегка расширяться вверху и внизу и даже превращаться в подобие песочных часов.

Смерч характеризуется двумя скоростями – скоростью его перемещения вдоль земной поверхности и скоростью вращения частиц воздуха, участвующих в вихревом движении. Первая соответствует скорости перемещения материнского облака. Она изменяется от нуля (когда смерч на какое-то время зависает неподвижно) до 150 км/ч (40 м/с). В среднем она составляет 20-50 км/ч (5-15 м/с). Вторая скорость (скорость вихревого движения) значительно больше – от 50 м/с до 200 м/с.

Смерчи очень недолговечны. Водяные смерчи существуют обычно несколько минут. Тромбы (торнадо) могут существовать до нескольких десятков минут и даже нескольких часов. Смерчи, как правило, имеют хорошо наблюдаемую боковую стенку. За ней (внутри смерча) давление значительно ниже, чем снаружи. Оно опускается до 800 гПа и даже до 600 гПа. Логичен вопрос: как измеряют давление внутри смерча? Сразу заметим, что бесполезно пытаться поместить туда измерительный прибор.

И дело не в том, что практически невозможно угадать ту точку земной поверхности, над которой пройдет неожиданно опустившийся из грозового облака смерч. Даже если бы это удалось, ураганные вихри внутри смерча тут же уничтожили бы измерительный прибор. Смерч наблюдают и изучают его последствия, т. е. характер и степень произведенных им разрушений. И уже на этом основании делают более или менее достоверные выводы о динамике вихрей внутри смерча.

Смерчи наблюдаются во многих странах – в США, Австралии, Новой Зеландии, Японии, Индии, Аргентине, а также в Южной Африке и Европе. Они появляются во время грозы или перед грозой в жаркие весенние или летние дни. В течение года на земном шаре возникает около 1500-2000 смерчей. Примерно половина из них приходится на территорию США.

В США существует так называемая аллея торнадо – полоса наиболее частых смерчей, проходящая через штаты Техас, Оклахома, Канзас, Миссури. Она начинается от побережья Мексиканского залива и проходит к северу и северо-востоку между Скалистыми и Аппалачскими горными хребтами. Влажный и теплый летний муссон с залива встречается здесь с прохладными воздушными массами, дующими от Скалистых и Аппалачских гор.

При прохождении достаточно мощного смерча возникает полоса серьезных разрушений на местности шириной до 100-200 м. На своем пути смерч вырывает с корнями деревья, разрушает дома, мосты, металлические опоры линий электропередачи.

Он поднимает на десятки и сотни метров тяжелые объекты (людей, животных, автомобили, крыши домов) и отбрасывает их в сторону или переносит на некоторое расстояние, которое тем больше, чем легче объект. Песок, камни и относительно мелкие предметы втягиваются смерчем внутрь облака и выпадают затем оттуда, после того как смерч истощит свою энергию. Смерч может полностью высосать пруд или небольшое озеро, оголить на время дно реки.

Все это указывает на то, что область внутри смерча является зоной глубокой депрессии и характеризуется мощными вихревыми движениями, направленными по винтовой линии от земной поверхности к материнскому облаку. То, что область внутри смерча имеет значительно более низкое давление по сравнению с давлением вне этой области, подтверждается характером разрушений домов, задетых смерчем. Они взрываются изнутри.

В момент прохождения смерча давление воздуха внутри дома внезапно оказывается существенно больше, чем снаружи (т.е. давление внутри смерча). Возникновение резкого перепада давлений разрывает дом (иначе говоря, взрывает его изнутри). Но одного лишь низкого давления в смерче недостаточно, чтобы он мог действовать подобно мощной вытяжной трубе.

Сам по себе перепад давлений не смог бы поднять воду по трубе смерча выше 10 м (напомним известный опыт Торричелли). Для подъема воды (и не только ее) на высоту материнского облака необходимо мощное восходящее вихревое движение воздушной массы внутри трубы смерча.

Как можно судить об огромной скорости вихря внутри смерча? В настоящее время предпринимаются попытки локационных измерений этих скоростей. Они подтверждают значения скорости порядка 100 м/с. Но еще до этих исследований было установлено, что скорости могут быть в полтора-два раза больше. Эти данные получили специалисты по сопротивлению материалов, изучавшие изгибы и разрушения различных предметов, «обработанных» смерчем.

Вот, например, куриное яйцо пробито сухим бобом так, что скорлупа вокруг пробоины осталась невредимой, как при прохождении револьверной пули. Часто наблюдались случаи, когда мелкая галька проходила через оконные стекла, не нанося повреждений кроме пробоин. Зафиксированы многочисленные факты пробивания летящими досками деревянных стен домов, досок и даже железных листов. Соломинки втыкались как иглы в подушку в различные деревянные предметы (доску, дерево, щепку). Все подобные случаи указывают на то, что скорость ветров в смерчах может быть более 200 м/с.

Рис. 23. Торнадо прошёл, Оклахома

Следует обратить внимание на то, что область произведенных смерчем разрушений нередко оказывается четко отграниченной. Известен случай, когда налетевший смерч поднял в воздух корову, а женщина, доившая ее, так и осталась сидеть на месте и возле нее стояло ведро с молоком. Подобных удивительных случаев наблюдалось немало.

Из двух находящихся рядом объектов один уносится смерчем, а другой остается совершенно невредимым. Это означает, что вихри в смерче весьма четко локализованы. Вне стенки смерча, снаружи, они отсутствуют. Таковы обычные смерчи, их называют гладкими смерчами. Заметно реже появляются расплывчатые смерчи, обладающие нерезкими, расплывчатыми очертаниями. Ограничимся лишь упоминанием о них.

Но оставим разрушения, производимые смерчами, и познакомимся с наблюдениями самих смерчей, сделанными очевидцами. Сохранилось описание смерча, появившегося на окраине Москвы в июне 1904 г.:

«Огромная грозовая туча надвинулась, и наступили сумерки. На нижней поверхности тучи беспорядочно двигались небольшие светлые облака. Постепенно в этих беспорядочных движениях стало проявляться вращение значительной массы облака вокруг общего центра. С земли поднялась пыль и вместе с травой и листьями, крутясь, устремилась вверх, к этому центру. Вдруг из тучи свесилась серая остроконечная воронка, которая быстро увеличилась в размерах и отвисла к земле. Еще немного, и окончание воронки соединилось с концом столба пыли, поднимавшегося с земли навстречу воронке. Образовалась колонна смерча, протянувшаяся от тучи до земли. В воздух полетели обломки строений и сломанные деревья. Начался сильный дождь».

Рис. 24. Циркуляция атмосферы. Места проявления смерчей.
Автор: Runningonbrains

Заслуживают внимания свидетельства редких случайных наблюдателей, над головой которых прошел, не касаясь земли, хобот смерча. В штате Канзас в США в 1930 г. невольно оказался таким наблюдателем один из фермеров. Вот как он писал позднее:

«Конец воронки повис прямо над моей головой. Из конца воронки шел гудящий звук. Я взглянул вверх и к своему удивлению увидел само сердце смерча. В его середине была полость диаметром 30-70 м, которая шла кверху на расстояние около километра. Стены полости были образованы вращающимися облаками, а сама она была освещена блеском молний, перескакивающих с одной части стены на другую. Полость казалась пустой…»

А вот свидетельство другого наблюдателя, случайно оказавшегося под воронкой смерча (штат Техас, 1951 г.):

«Воронка прошла в шести метрах над моей головой. Ширина внутренней полости была около 150 м, толщина стенки — всего 3 м. Стенка быстро вращалась. Вращение было видно до самого верха и, очевидно, уходило в тучу. Когда смерч прошел надо мной и, опустившись, коснулся дома соседа, он в одно мгновение смахнул его».

Обратим внимание: внутри смерча могут сверкать молнии. Они бывают многочисленными и отличаются разнообразием, могут иметь вид изогнутых светящихся поверхностей. Иногда они окружают смерч. Иногда вся его поверхность светится желтоватым сиянием. Неоднократно в смерчах наблюдались шаровые молнии.

Установлено, что смерчи в одном и том же полушарии вращаются в одних случаях против часовой стрелки, а в других — по часовой стрелке. Отсюда следует, что возникновение вихревого движения в смерчах не связано с вращением Земли вокруг своей оси (в отличие от циркуляций воздушных масс в тропических и внетропических циклонах). Это вполне естественно — ведь смерч представляет собой локальный вихрь.

Наконец, отметим, что появление смерчей часто сопровождается выпадением не только дождя, но и града, притом очень крупного. Неоднократно наблюдались градины, имеющие в поперечнике до 30 см. Нетрудно подсчитать, что подобная градина должна иметь массу до 15 кг. Был случай, когда внутри одной гигантской градины оказалась черепаха размерами 5х15х20 см.

Источник