© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

27. Циркуляция воздушных масс.

Перемещение воздушных масс в атмосфере определяется тепловым режимом и изменением давления воздуха. Совокупность основных воздушных течений над планетой называется общей циркуляцией атмосферы. Основные крупномасштабные атмосферные движения, слагающие общую циркуляцию атмосферы: воздушные течения, струйные течения, воздушные потоки в циклонах и антициклонах, пассаты и муссоны.

Движение воздуха относительно земной поверхности – ветер – появляется потому, что атмосферное давление в различных местах воздушной массы неодинаково. Принято считать, что ветер – это горизонтальное движение воздуха. На самом деле воздух движется обычно не параллельно поверхности Земли, а под небольшим углом, т.к. атмосферное давление меняется и в горизонтальном и в вертикальном направлениях. Направление ветра (северный, южный и т.д.) означает, откуда ветер дует. Под силой ветра подразумевается его скорость. Чем она выше, тем ветер сильней. Скорость ветра измеряют на метеорологических станциях на высоте 10 метров над Землёй, в метрах в секунду. На практике силу ветра оценивают в баллах. Каждый балл соответствует двум-трём метрам в секунду. При силе ветра в 9 баллов его уже считают штормовым, а при 12 баллах – ураганом. Распространённый термин «буря» означает любой очень сильный ветер, независимо от количества баллов. Скорость сильного ветра, например, при тропическом урагане, достигает огромных значений – до 115 м/с и более. Ветер возрастает в среднем с высотой. У поверхности Земли его скорость снижается трением. Зимой скорость ветра в целом выше, чем в летнее время. Наибольшие скорости ветра наблюдаются в умеренных и полярных широтах в тропосфере и нижней стратосфере.

Не совсем ясна закономерность изменения скорости ветра над материками на небольших высотах (100–200 м). здесь скорости ветра достигают самых больших значений после полудня, а самых малых – в ночное время. Это наблюдается лучше всего летом.

Очень сильные ветры, до штормовых, бывают днём в пустынях Центральной Азии, а ночью наступает полный штиль. Но уже на высоте 150–200 м наблюдается прямо противоположная картина: максимум скорости ночью и минимум днём. Такая же картина наблюдается и летом, и зимой в умеренных широтах.

Много неприятностей может принести порывистый ветер пилотам самолётов и вертолётов. Струи воздуха, движущиеся в различных направлениях, толчками, порывами, то ослабевая, то усиливаясь, создают большое препятствие для движения воздушных судов – появляется болтанка – опасное нарушение нормального полёта.

Ветры, дующие с горных хребтов выхоложенного материка в направлении тёплого моря, называются борой. Это – сильный, холодный, порывистый ветер, дующий обычно в холодное время года.

Многим известна бора в районе Новороссийска, на Черном море. Здесь созданы такие природные условия, что скорость боры может достигать 40 и даже 60 м/с , а температура воздуха понижается при этом до минус 20°С. Бора возникает чаще всего в период с сентября по март, в среднем 45 дней в году. Иногда последствия её были такими: замерзала гавань, лёд покрывал корабли, строения, набережную, с домов срывались крыши, опрокидывались вагоны, суда сбрасывались на берег. Бора наблюдается и в других районах России – на Байкале, на Новой Земле. Известна бора на Средиземном побережье Франции (там она называется мистраль) и в Мексиканском заливе.

Иногда в атмосфере возникают вертикальные вихри с быстрым спиралеобразным движением воздуха. Эти вихри называются смерчами (в Америке их называют торнадо). Смерчи бывают диаметром в несколько десятков метров, иногда до 100–150 м. измерить скорость воздуха внутри смерча чрезвычайно трудно. По характеру производимых смерчем разрушений оценочными величинами скорости вполне могут быть 50–100 м/с, а в особенно сильных вихрях – до 200–250 м/с с большой вертикальной составляющей скорости. Давление в центре поднимающегося вверх столба смерча падает на несколько десятков миллибар. Миллибары для определения давления обычно используют в синоптической практике (наряду с миллиметрами ртутного столба). Для перевода баров (миллибаров) в мм. ртутного столба существуют специальные таблицы. В системе СИ атмосферное давление измеряется в гектопаскалях. 1гПа=10²Па=1мб=10^-3бар.

Смерчи существуют недолго – от нескольких минут до нескольких часов. Но и за это небольшое время они успевают натворить много бед. При подходе смерча (над сушей смерчи иногда называют тромбами) к зданиям разница между давлением внутри здания и в центре тромба приводит к тому, что здания как бы взрываются изнутри – разрушаются стены, вылетают стекла и рамы, срываются крыши, иногда не обходится и без человеческих жертв. Бывают случаи, когда людей, животных, а также различные предметы смерч поднимает в воздух и переносит на десятки, а то и сотни метров. В своём движении смерчи продвигаются на несколько десятков километров над морем и ещё больше – над сушей. Разрушительная сила смерчей над морем меньше, чем над сушей. В Европе тромбы редки, чаще они возникают в азиатской части России. Но особенно часты и разрушительны торнадо в США. О смерчах и торнадо читайте дополнительно на нашем сайте в разделе Смерчи (торнадо), ураганы и тайфуны.

Атмосферное давление

Атмосферное давление очень изменчиво. Оно зависит от высоты столба воздуха, его плотности и ускорения силы тяжести, которое изменяется в зависимости от географической широты и высоты над уровнем моря. Плотностью воздуха называется масса единицы его объёма. Плотность влажного и сухого воздуха заметно отличается только при высокой температуре и большой влажности. При понижении температуры плотность увеличивается, с высотой плотность воздуха уменьшается медленнее, чем давление. Плотность воздуха обычно непосредственно не измеряют, а вычисляют по уравнениям на основе измеренных величин температуры и давления. Косвенно плотность воздуха измеряют по торможению искусственных спутников Земли, а также из наблюдений за расплыванием искусственных облаков из паров натрия, создаваемых метеорологическими ракетами.

В Европе плотность воздуха у поверхности Земли равна 1,258 кг/м³, на высоте 5 км – 0,735, на высоте 20 км – 0,087, а на высоте 40 км – 0,004 кг/м³.

Чем короче столб воздуха, т.е. чем выше место, тем давление меньше. Но уменьшение плотности воздуха с высотой усложняет эту зависимость. Уравнение, выражающее закон изменения давления с высотой в покоящейся атмосфере, называется основным уравнением статики. Из него следует, что с увеличением высоты изменение давления отрицательное, и при подъёме на одну и ту же высоту падение давления тем больше, чем больше плотность воздуха и ускорение силы тяжести. Основная роль здесь принадлежит изменениям плотности воздуха. Из основного уравнения статики можно вычислить значение вертикального градиента давления, показывающего изменение давления при перемещении на единицу высоты, т.е. убывание давления на единицу расстояния по вертикали (мб/100 м). Градиент давления – это и есть сила, приводящая в движение воздух. Кроме силы градиента давления в атмосфере действуют силы инерции (сила Кориолиса и центробежная), а также сила трения. Все воздушные течения рассматриваются относительно Земли, которая вращается вокруг своей оси.

Пространственное распределение атмосферного давления называется барическим полем. Это система поверхностей равного давления, или изобарических поверхностей.

Вертикальный разрез изобарических поверхностей над циклоном (Н) и антициклоном (В).
Поверхности проведены через равные интервалы давления p.

Изобарические поверхности не могут быть параллельны друг другу и земной поверхности, т.к. температура и давление постоянно изменяются в горизонтальном направлении. Поэтому изобарические поверхности имеют разнообразный вид – от прогнутых вниз неглубоких «котловин» до выгнутых вверх растянутых «холмов».

При пересечении горизонтальной плоскостью изобарических поверхностей получаются кривые – изобары, т.е. линии, соединяющие пункты с одинаковыми значениями давления.

Карты изобар, которые строятся по результатам наблюдений в определённый момент времени, называются синоптическими картами. Карты изобар, составленные по средним многолетним данным за месяц, сезон, год, называются климатологическими.

Многолетние средние карты абсолютной топографии изобарической поверхности 500 мб за декабрь — февраль.
Высоты в геопотенциальных декаметрах.

На синоптических картах между изобарами принят интервал, равный 5 гектопаскалям (гПа).

На картах ограниченного района изобары могут обрываться, но на карте всего Земного шара каждая изобара, естественно, замкнута.

Но и на ограниченной карте часто бывают замкнутые изобары, ограничивающие участки низкого или высокого давления. Области с пониженным давлением в центре – это циклоны, а области с относительно повышенным давлением – это антициклоны.

Под циклоном понимают огромный вихрь в нижнем слое атмосферы, имеющий в центре пониженное атмосферное давление и восходящее движение воздушных масс. В циклоне давление возрастает от центра к периферии, а воздух движется против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном полушарии. Восходящее движение воздуха приводит к образованию облачности и к осадкам. Из космоса циклоны выглядят в виде закручивающихся облачных спиралей в умеренных широтах.

Антициклон – это область высокого давления. Он возникает одновременно с развитием циклона и представляет собой вихрь с замкнутыми изобарами и самым высоким давлением в центре. Ветры в антициклоне дуют по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки – в Южном. В антициклоне всегда существует нисходящее движение воздуха, что препятствует возникновению мощной облачности и продолжительных осадков.

Таким образом, крупномасштабная циркуляция атмосферы в умеренных широтах постоянно сводится к образованию, развитию, движению, а затем к затуханию и исчезновению циклонов и антициклонов. Циклоны, возникающие на фронте, разделяющем тёплую и холодную воздушные массы, движутся в сторону полюсов, т.е. переносят тёплый воздух в полярные широты. Наоборот, антициклоны, возникающие в тылу циклонов в холодной воздушной массе, движутся в субтропические широты, перенося туда холодный воздух.

Над европейской территорией России в год возникают в среднем 75 циклонов. Диаметр циклона достигает 1000 км и более. В Европе за год бывает в среднем 36 антициклонов, часть из которых имеет давление в центре более 1050 гПа. Среднее давление в Северном полушарии на уровне моря равно 1013,7 гПа, а в Южном полушарии – 1011,7 гПа.

В январе в северных частях Атлантики и Тихого океана наблюдаются области низкого давления, названные Исландской и Алеутской депрессиями. Депрессии, или барические минимумы, характеризуются минимальными значениями давления – в среднем около 995 гПа.

В такой же период года над Канадой и Азией возникают области высокого давления, названные Канадским и Сибирским антициклонами. Самое высокое давление (1075–1085 гПа) регистрируется в Якутии и Красноярском крае, а минимальное – в тайфунах над Тихим океаном (880–875 гПа).

Депрессии наблюдаются в районах, где часто возникают циклоны, которые по мере продвижения на восток и северо-восток постепенно заполняются и уступают место антициклонам. Азиатский и Канадский антициклоны возникают благодаря наличию на этих широтах обширных континентов Евразии и Северной Америки. В этих районах зимой антициклоны преобладают над циклонами.

Летом над этими материками схема барического поля и циркуляции коренным образом меняется, и зона образования циклонов в Северном полушарии смещается в более высокие широты.

В умеренных широтах Южного полушария циклоны, возникающие над однородной поверхностью океанов, двигаясь на юго-восток, встречают льды Антарктиды и здесь застаиваются, имея в своих центрах низкое давление воздуха. Зимой и летом Антарктида окружена поясом низкого давления (985–990 гПа).

В субтропических широтах циркуляция атмосферы различна над океанами и в районах соприкосновения материков и океанов. Над Атлантическим и Тихим океанами в субтропиках обоих полушарий имеются области высокого давления: это Азорский и Южноатлантический субтропические антициклоны (или барические минимумы) в Атлантике и Гавайский и Южнотихоокеанский субтропические антициклоны в Тихом океане.

Пассаты

Наибольшее количество солнечного тепла постоянно получает экваториальная область. Поэтому в экваториальных широтах (до 10° северной и южной широты вдоль экватора) в течение круглого года удерживается пониженное атмосферное давление, а в тропических широтах, в полосе 30–40° с. и ю.ш. – повышенное, вследствие чего образуются постоянные потоки воздуха, направленные от тропиков к экватору. Эти воздушные потоки называются пассатами. Пассатные ветры дуют в течение всего года, меняя лишь в незначительных пределах свою интенсивность. Это самые устойчивые ветры на Земном шаре. Сила горизонтального барического градиента направляет потоки воздуха из областей повышенного давления в область пониженного давления в меридиональном направлении, т.е. на юг и на север. Примечание: горизонтальный барический градиент – это разность давлений, приходящаяся на единицу расстояния по нормали к изобаре.

Но меридиональное направление пассатов изменяется под действием двух сил инерции – отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса) и центробежной силы, а также под действием силы трения воздуха о земную поверхность. Сила Кориолиса воздействует на каждое тело, движущееся вдоль меридиана. Пусть 1 кг воздуха в Северном полушарии расположен на широте µ и начинает двигаться со скоростью V вдоль меридиана на север. Этот килограмм воздуха, как и любое тело на Земле, имеет линейную скорость вращения U=ωr, где ω – угловая скорость вращения Земли, а r – расстояние до оси вращения. По закону инерции этот килограмм воздуха будет сохранять линейную скорость U, которую он имел на широте µ. Продвигаясь на север, он окажется на более высоких широтах, где радиус вращения меньше и линейная скорость вращения Земли меньше. Таким образом это тело опередит неподвижные тела, расположенные на том же меридиане, но в более высоких широтах.

Для наблюдателя это будет выглядеть как отклонение этого тела вправо под действием какой-то силы. Эта сила и есть сила Кориолиса. По этой же логике килограмм воздуха в Южном полушарии отклонится влево от направления движения. Горизонтальная составляющая силы Кориолиса, действующая на 1 кг воздуха, равна СК=2wVsinY. Она и отклоняет воздух, действуя под прямым углом к вектору скорости V. В Северном полушарии она отклоняет этот вектор вправо, а в Южном полушарии – влево. Из формулы следует, что сила Кориолиса не возникает, если тело покоится, т.е. она действует только тогда, когда воздух движется. В атмосфере Земли величины горизонтального барического градиента и силы Кориолиса имеют один порядок, поэтому иногда они почти уравновешивают друг друга. В таких случаях движение воздуха почти прямолинейно, и он движется не вдоль градиента давления, а вдоль изобары или близко к ней.

Воздушные течения в атмосфере обычно имеют вихревой характер, поэтому в таком движении на каждую единицу массы воздуха действует центробежная сила P=V/R, где V- скорость ветра, а R – радиус кривизны траектории движения. В атмосфере эта сила всегда меньше силы барического градиента и поэтому остаётся, так сказать, силой «местного значения».

Что касается силы трения, возникающей между движущимся воздухом и поверхностью Земли, то она в определённой мере замедляет скорость ветра. Происходит это так: нижние объёмы воздуха, снизившие свою горизонтальную скорость из-за неровностей земной поверхности, переносятся с нижних уровней вверх. Таким образом трение о земную поверхность передаётся вверх, постепенно ослабевая. Замедление скорости ветра заметно в так называемом планетарном пограничном слое, составляющем 1,0 – 1,5 км. выше 1,5 км влияние трения незначительно, поэтому более высокие слои воздуха называют свободной атмосферой.

В экваториальной зоне линейная скорость вращения Земли наибольшая, соответственно здесь и сила Кориолиса наибольшая. Поэтому в тропическом поясе Северного полушария пассаты дуют почти всегда с северо-востока, а в Южном полушарии – с юго-востока.

Низкое давление в экваториальной зоне наблюдается постоянно, зимой и летом. Полоса низкого давления, охватывающая по экватору весь Земной шар, называется экваториальной ложбиной.

Набрав силу над океанами обоих полушарий, два пассатных потока, двигаясь навстречу друг другу, устремляются к центру экваториальной ложбины. На линии низкого давления они сталкиваются, образуя так называемую внутритропическую зону конвергенции (конвергенция означает «сходимость»). В результате этой «сходимости» происходит восходящее движение воздуха и его отток выше пассатов к субтропикам. Этот процесс и создаёт условия для существования зоны конвергенции постоянно, в течение года. Иначе сходящиеся воздушные потоки пассатов быстро заполнили бы ложбину.

Восходящие движения влажного тропического воздуха приводят к образованию мощного слоя кучево-дождевых облаков протяженностью 100–200 км, из которых обрушиваются тропические ливни. Таким образом получается, что внутритропическая зона конвергенции становится местом, где дожди выливаются из пара, собранного пассатами над океанами.

Так упрощенно, схематично выглядит картина циркуляции атмосферы в экваториальной зоне Земли.

Муссоны

Ветры, изменяющие своё направление по сезонам, называют муссонами. Арабское слово «маусин», означающее «время года», дало название этим устойчивым воздушным течениям.

Муссоны, в отличие от струйных течений, возникают в определённых районах Земли, где дважды в год преобладающие ветры движутся в противоположных направлениях, образуя летний и зимний муссоны. Летний муссон – это поток воздуха с океана на материк, зимний – с материка на океан. Известны тропические и внетропические муссоны. В Северо-Восточной Индии и Африке зимние тропические муссоны складываются с пассатами, а летние юго-западные полностью разрушают пассаты. Самые мощные тропические муссоны наблюдаются в северной части Индийского океана и в Южной Азии. Внетропические муссоны зарождаются в возникающих над континентом мощных устойчивых областях повышенного давления в зимнее время и пониженного – в летнее время.

Типичными в этом отношении являются районы русского Дальнего Востока, Китая, Японии. Например, Владивосток, лежащий на широте Сочи из-за действия внетропического муссона зимой холоднее Архангельска, а летом здесь часто бывают туманы, осадки, с моря поступает влажный и прохладный воздух.

Многие тропические страны Южной Азии получают влагу, приносимую в виде проливных дождей летним тропическим муссоном.

Бризы

Любые ветры являются результатом взаимодействия различных физических факторов, возникающих в атмосфере над определенными географическими районами. К местным ветрам относятся бризы. Они появляются вблизи береговой черты морей и океанов и имеют суточную смену направления: днём они дуют с моря на сушу, а ночью с суши на море. Объясняется это явление разницей температур над морем и сушей в разное время суток. Теплоёмкость суши и моря разная. Днём в тёплую погоду солнечные лучи нагревают сушу быстрее, чем море, и давление над сушей уменьшается. Воздух начинает двигаться в сторону меньшего давления – дует морской бриз. Вечером всё происходит наоборот. Суша и воздух над ней излучают тепло быстрее, чем море, давление становится выше, чем над морем, и воздушные массы устремляются в сторону моря – дует береговой бриз. Бризы особенно отчётливы при тихой солнечной погоде, когда им ничего не мешает, т.е. не накладываются другие потоки воздуха, которые легко заглушают бризы. Скорость бриза редко бывает выше 5 м/с, но в тропиках, где разность температур поверхностей моря и суши значительна, бризы дуют иногда со скоростью 10 м/с. В умеренных широтах бризы проникают в глубь территории на 25–30 км.

Бризы, собственно говоря, те же муссоны, только в меньшем масштабе – они имеют суточный цикл и изменение направления зависит от смены ночи и дня, муссоны же имеют годовой цикл и меняют направление в зависимости от времени года.

Планетарная система ветров в значительной мере определяет и динамику Мирового океана, ибо главными факторами возникновения поверхностных течений являются ветер, отклоняющая сила вращения Земли и конфигурация материков. По обеим сторонам экватора пассаты вызывают северное и южное пассатные течения, имеющие общее направление с востока на запад. Вспомните, как пассаты «помогли» каравеллам Колумба пересечь Атлантический океан. Но это было не просто удачей Колумба. Как мореплаватель он знал закономерности воздушных течений. Чтобы плыть на запад, он пошел по южной периферии субтропического антициклона, где дуют пассаты. Назад в Европу Колумб возвращался по северной периферии субтропического антициклона, где обычно наблюдаются западные ветры умеренных широт. Обратный путь был более трудным, потому что западные ветры менее устойчивы и более изменчивы из-за развивающихся здесь циклонов и антициклонов. (См. Эпоха великих географических открытий, открытие Америки.)

Океанские течения, встречая на своём пути берега материков, разделяются на две ветви, направленные вдоль побережий материков к северу и югу. В Атлантическом океане южная ветвь образует Бразильское течение, омывающее берега Южной Америки, а северная ветвь – тёплый Гольфстрим, переходящая в Североатлантическое течение, и под названием Нордкапского течения достигающая Кольского полуострова.

Тихом океане северная ветвь экваториального течения переходит в Куро-Сиво.

Ранее мы уже упоминали о сезонном тёплом течении у берегов Эквадора, Перу и Северного Чили. Оно возникает обычно в декабре (не каждый год) и вызывает резкое снижение улова рыбы у берегов этих стран из-за того, что в тёплой воде очень мало планктона – основного пищевого ресурса для рыбы. Резкое повышение температуры прибрежных вод вызывает развитие кучево-дождевых облаков, из которых проливаются сильные дожди.

Рыбаки иронически назвали это тёплое течение Эль-Ниньо, что означает «рождественский подарок» (от исп. el ninjo – младенец, мальчик). Но мы хотим подчеркнуть не эмоциональное восприятие чилийскими и перуанскими рыбаками этого явления, а его физическую причину. Дело в том, что повышение температуры воды у берегов Южной Америки вызывается не только тёплым течением. Изменения в общую обстановку в системе «океан-атмосфера» на огромных просторах Тихого океана вносит и атмосферный процесс, названный «Южным колебанием». Этот процесс, взаимодействуя с течениями, определяет все физические явления, происходящие в тропиках. Всё это подтверждает, что циркуляция воздушных масс в атмосфере, особенно над поверхностью Мирового океана, представляет собой сложный, многомерный процесс. Но при всей сложности, подвижности и изменчивости воздушных течений всё же существуют определённые закономерности, в силу которых в тех или иных районах Земли из года в год повторяются основные крупномасштабные, а также местные процессы циркуляции атмосферы.