Динамика атмосферы
Под этим термином понимается вся совокупность движения воздуха, будь то_легкий ветерок, мощные потоки большой скорости и_силы, перемещение огромных по_объему воздушных масс. Ученые установили десятки различной формы механизмов передвижения воздуха_— от_простого линейного движения до_сложнейших вихрей. Атмосфера_— наиболее подвижная и_неустойчивая из_всех оболочек Земли. Лучше изучена динамика атмосферы в_нижнем, наиболее плотном её_слое_— тропосфере.
Муссонные области земного шара.
Строение тропического циклона — тайфуна.
Атмосферное давление.
Антициклон. Опускающиеся воздушные массы (а) и система изобар (б) в антициклоне.
Схема движения воздуха в циклоне. Буквами обозначено направление ветров.
Образование циклона.
Пути тропических циклонов.
Так возникает фен.
Образование ветра — бриза.
Различают местную динамику воздуха на_небольших пространствах и_общую циркуляцию атмосферы, охватывающую весь земной шар или его крупные части. Изучение той и_другой чрезвычайно важно для понимания характера погод, господствующих в_той или иной местности, разнообразия и_особенностей климатов всего земного шара. Общая циркуляция атмосферы зависит от_распределения солнечной радиации и_давления воздуха по_земной поверхности, от_условий нагревания нижних слоев воздуха подстилающей поверхностью, распределения воды и_суши на_Земле и_других причин глобального масштаба. Она_представляет собой крупномасштабные движения (течения) воздуха: пассатов и_антипассатов, муссонов, циклонов и_антициклонов, струйных течений в_верхних слоях атмосферы.
Пассаты. В_экваториальной зоне теплый воздух поднимается вверх на_4–8_км, растекается по_направлению к_полюсам. На_широтах 30–35° он_опускается к_поверхности (см._Атмосфера). На_этих широтах расположена зона высокого давления атмосферы. От_нее поток воздуха потечет в_нижнем слое тропосферы к_экватору, отклоняясь в_северном полушарии вправо, в_южном_— влево (см._Годовое и_суточное вращение Земли). Под_действием силы Кориолиса движение воздуха приобретает направление с_востока на_запад в_виде постоянно дующих и_примерно с_одинаковой скоростью пассатов. Над_ними вверху дуют постоянные ветры противоположного направления_— антипассаты.
Муссоны. В_общую циркуляцию атмосферы входят и_муссоны, дующие в_основном между полюсами высокого давления_— между 30–35° с._и_ю. ш. Муссон_— это воздушный поток устойчивого направления в_нижних слоях тропосферы, действующий лишь в_пределах основных сезонов года_— лета и_зимы. Направление муссонов по_этим сезонам года изменяется на_180° в_соответствии с_изменением давления над океанами и_материками.
Зимой воздух переносится с_материка, где при низких температурах давление высокое, а_летом_— с_океана на_материк, где давление ниже. Дождливый сезон на_суше совпадает, таким образом, с_летним муссоном, а_сухой_— с_зимним. Причина смены муссонов в_конечном счете_— в_различной теплоемкости суши и_воды. В_океане накапливается за_лето много тепла, а_зимой вода отдает его в_атмосферу медленно_— океан оказывается зимой гораздо теплее остывшей суши, где давление выше. Возникает поток воздуха на_океан. Летом теплее суша и_движение воздуха направлено с_океана на_сушу. Особенно ясно муссоны выражены в_Южной и_Юго‑Восточной Азии, Японии, на_восточном берегу Азии, постепенно ослабевая к_северу. Смена ветров приобретает муссоноподобный характер (Сахалин, Приморье, побережье Охотского моря, юг_Камчатки).
Центры действия атмосферы. На_фоне общего распределения давления атмосферы некоторые области Земли выделяются особенно повышенным или пониженным давлением, существующим в_течение всего года или возникающим периодически по_основным сезонам года (зима, лето).
Область постоянно повышенного давления_— над Азорскими островами и_окружающими их_водами Атлантики в_широтах 30–35° с._ш. На севере Атлантического океана располагается область исландского минимума, иногда смещающаяся от_своего среднего положения по_широте то_к_югу, то_к_северу (до_Канадской Арктики и_даже до_Карского моря). Давление в_январе здесь обычно ниже 996_миллибар. Над_северной частью Тихого океана располагается область постоянно пониженного давления_— алеутский минимум. В_южном полушарии повышенное давление постоянно держится над Антарктидой. Все_эти области называются центрами действия атмосферы (ЦДА). С_ними связано возникновение множества подвижных циклонов и_антициклонов, они оказывают сильное влияние на_характер погоды обширных территорий (например, азорский максимум и_исландский минимум всей Западной и_Восточной Европы). Подобные центры действия атмосферы имеются над океанами и_в_южном полушарии. К_периодически возникающим ЦДА, определяющим муссонную циркуляцию, относится сибирский максимум давления, охватывающий зимой Забайкалье, Якутию, Монголию. Среднее давление воздуха зимой достигает 1036_миллибар при очень низких температурах (до_60–70_°C мороза). Здесь в_районе Оймякона находится «полюс холода» северного полушария.
Циклоны и_антициклоны. На_разделе теплой и_холодной воздушных масс контрасты тепла и_холода создают заряд потенциальной энергии, разряжающейся путем образования крупномасштабных вихрей. В_ячейке пониженного давления относительно более теплый воздух поднимается, двигаясь от_периферии к_центру и_отклоняясь в_северном полушарии вправо, закручивается при этом в_направлении против движения часовой стрелки: развивается циклон. В_ячейке повышенного давления воздух стекает от_центра к_периферии. Воздух в_нем вращается по_часовой стрелке: развивается антициклон.
Воздушные массы с разными температурами и влажностью, перемещаясь, встречаются друг с другом. При их соприкосновении образуются фронтальные разделы, на которых могут возникать циклоны. Теплый воздух образует при этом длинный воздушный язык, вклинивающийся в область, занятую холодным воздухом. При этом на атмосферном фронте возникает возмущение в виде волны, в которой воздушные массы вращаются друг вокруг друга (см. рис.). Диаметр циклона обычно_— 1000–2000_км, его высота_— от_2_до 20_км, перепад атмосферного давления между центром и_окраиной_— от_5_до 30_миллибар. Окружающий циклон холодный воздух старается подавить заключенный в_циклоне очаг тепла, наступая на_него и_на_теплом и_на_холодном фронте. Кольцо холода сжимается, вытесняя теплый воздух вверх, где он_освобождается от_влаги, которой всегда богат циклон, формирующийся обычно над океанами.
Циклон завершает свою деятельность.
Его жизнь продолжается всего несколько суток. Скорость движения 30–40_км/ч.
<addc>l</addc>
Кроме циклонов умеренных широт между широтами 5–20° каждого полушария возникают сильные возмущения, сопровождающиеся ураганными ветрами. Это_тропические циклоны_— тайфуны в_Юго‑Восточной Азии, в_Индии_— циклоны, в_Северной Америке_— торнадо_— сильный атмосферный вихрь, смерч. За_год на_земном шаре случается 40–50_тропических циклонов. Они_несут с_собой сильные грозы и_ливни; да_и_сам такой циклон_— это сплошное гигантское грозовое облако. Тайфуны, возникающие на_западе Тихого океана к_северу от_экватора, перемещаются к_западу и_северо-западу со_скоростью 10–20_км/ч, а_при изменении направления на_северное скорость возрастает до_30–50_км/ч. Они_достигают берегов Индокитая, Китая, Кореи, Японии, а_некоторые заходят на_наш Дальний Восток, в_Приморье, на_Курильские острова, на_Камчатку. Диаметры тайфунов невелики_— до_нескольких сотен километров. В_море они вызывают сильное волнение, на_берегах образуют нагоны морской воды, наводнения, ураганный ветер разрушает селения. Таким мощным тропическим ураганам присваивают собственные имена, обычно женские, например: Глория, Мария, Флора.
В антициклоне устанавливается повышенное давление воздуха, при нисходящем его движении он_приобретает высокую степень устойчивости, рассеиваются облака, наступает ясная, солнечная погода. Летом для антициклонов характерна жаркая погода, зимой_— морозная. Зимой во_внетропических широтах северного полушария антициклоны развиваются над материками Азии (Восточно‑Сибирский антициклон) и_Северной Америки. В_это время над Северной Атлантикой идет интенсивное образование циклонов, связанное с_проникновением теплых течений Гольфстрима в_северные широты. Летом увеличивается повторяемость циклонов над материками.
Циклоны и_антициклоны обычно взаимодействуют, способствуя обострению контрастов температуры и_влажности воздуха. Между ними возникают мощные течения холодного воздуха с_севера на_юг_и теплого_— с_юга на_север. Они_осуществляют между широтный обмен в_атмосфере.
Ежегодно над Европой проносится более 100_серий циклонов (они часто идут как_бы группами, по_2–3_циклона сразу). Если_нанести пути их_движения на_карту, обнаружится своего рода «трасса», начинающаяся на_севере Атлантики. Такие_же закономерности заметны и_в_расположении антициклонов. Но_эта картина сохраняется более или менее постоянной всего 3–5_дней. Циклоны и_антициклоны, холодные и_теплые фронты, очаги тепла и_холода меняются местами, перемещаются, исчезают и_возникают вновь.
Составив календарь смены механизмов динамики атмосферы за_много лет, ученые нашли, что их_можно объединить в_две основные группы: одна определяет в_основном движение воздушных масс с_запада на_восток и_препятствует между широтному обмену воздуха; другая, наоборот, открывает в_северном полушарии широкие возможности для продвижения холода на_юг, а_тепла_— на_север. Первый тип циркуляции называют зональным, второй_— меридиональным. Когда господствует зональная циркуляция, усиливаются на_Земле климатические контрасты, а_это приводит постепенно к_обострению процессов вихреобразования, которые нарушают зональность воздушного переноса.
Местная динамика атмосферы. Если_муссоны, циклоны и_антициклоны охватывают обширные территории, то_есть виды движений воздуха, проявляющиеся на_сравнительно небольших пространствах. Рельеф местности или неодинаковые условия нагревания и_охлаждения отдельных участков земной поверхности вызывают местную динамику атмосферы; она выражается местными ветрами. Это,_например, сильные, жаркие и_сухие африканские ветры, связанные с_нагреванием воздуха над пустыней; в_Алжире_— сирокко, в_Аравии_— самум, в_Египте_— хамсин. Когда воздушные течения общей циркуляции пересекают горные хребты, возникают порывистые ветры, например фён_— сухой и_теплый ветер, дующий временами с_гор в_долины во_всех горных странах. Возникает фён, когда по_одну сторону гор повышенное давление, а_по_другую_— сильно пониженное. Пока_воздух течет вверх по_склону, его температура на_каждые 100_м подъема понижается на_0,6_°C, что вызывает конденсацию водяных паров. При_спуске сухого воздуха с_хребта его температура повышается не_на_0,6 °C на_100_м, а_на_целый градус. Спустившись, скажем, с_высоты в_3000_м, воздух нагревается на_30 °C. Особенно сильными бывают фёны в_Альпах, на_Кавказе, в_Средней Азии. Длительность ветра обычно менее суток, но_бывает до_5_и больше.
К порывистым, сильным ветрам относится и_бора. Она_дует преимущественно в_холодное время года с_невысокого горного хребта на_побережье водного бассейна. Здесь тоже перепад давления: с_одной стороны гор_— высокое, а_с_другой_— пониженное. Бора_образуется при вторжении масс холодного воздуха, перетекающих через невысокие хребты. Низвергающийся на_побережье с_большой скоростью воздух оказывается значительно холоднее, чем теплый воздух, ранее занимавший приморский район. Скорость ветра при боре достигает иногда 40_и более м/с. Очень сильная бора наблюдается на_Адриатическом побережье Югославии. На_средиземноморском побережье Франции бывает ветер типа бора, дующий с_гор в_долину Роны. Его_называют мистраль. В_России бора бывает в_районе Новороссийска, на_Новой Земле. На_берегах Байкала ветер, сходный с_борой, называется сармой.
Типичны местные ветры с_суточной сменой направления и_небольшой скоростью. К_ним относятся бризы и_горнодолинные ветры. Бриз_дует на_побережьях морей, больших озер и_водохранилищ. Днем_суша нагревается быстрее, чем море, и_над ней устанавливается более низкое давление, чем над морем. Поэтому дневной (морской) бриз дует с_моря на_нагретое побережье; ночной (береговой)_— с_охлажденного побережья на_море. Проникает бриз от_береговой линии на_десятки километров. Хорошо выражены эти ветры во_время устойчивой антициклональной погоды.
Местные ветры очень большой силы принято называть бурями. Во_время бури скорость ветра превышает 20_м/с. Обычно бури связаны с_прохождением энергично развивающегося циклона, когда на_его окраинах образуется резко выраженные атмосферные фронты. Ветер со_скоростью 17–24_м/с называется штормовым или штормом, более сильный_— свыше 32_м/с_— ураганом. Кратковременные порывы ветра, достигающие 30–40 и более м/с, — шквалы. Снежные бури имеют несколько названий. Метель_— перенос снега ветром вблизи земной поверхности. Различают: поземку, когда снежинки поднимаются на_несколько сантиметров над землей, низовую метель_— до_2_м и_выше. Эти_два вида метели происходят без выпадения снега из_облаков. И_наконец, общая, или верхняя, метель_— выпадение снега при сильном ветре. Другие названия метели_— вьюга, буран, пурга. Если_при сильном ветре переносится песок, то_такую бурю иногда называют песчаным бураном. А_если ветер развевает и_переносит мельчайшие частицы почвы, особенно чернозема, в_степях, то_говорят о_черных (пыльных) бурях. Они_наносят большой ущерб народному хозяйству, унося плодородный слой почвы и_откладывая его в_других местах. Меры_борьбы с_ними: полезащитные лесонасаждения, снегозадержание, занятые пары, высокая агротехника. Существуют еще местные, нигде больше не_встречающиеся ветры, как, например, афганец_— сухой юго‑западный ветер в_верховьях Аму‑дарьи, несущий много пыли и_сильно понижающий относительную влажность воздуха, по_характеру и_губительному воздействию на_растительность близкий к_суховею_— ветру с_высокой температурой воздуха (20–25 °C), возникающему на_южной периферии антициклона над степями юга и_особенно юго‑востока европейской части страны.
