Динамика атмосферы

Подписаться на эту рубрику по RSS

05
янв 10

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.

04
янв 10

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.

03
янв 10

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.

02
янв 10

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.

02
янв 10

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.

01
янв 10

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.

01
янв 10

Общее распределение ветра на высотах

Пассаты в разных районах и в разное время года простираются от земной поверхности до высоты 1—4 км. Метеорологи обнаружили, что над слоем пассатов дуют противоположные ветры. Они называются антипассатами и имеют переменный характер. В основном они направлены с запада. По мере удаления от экватора воздух в антипассатах выхолаживается и в субтропическом поясе высокого давления развивается уже нисходящее движение его, направленное к земной поверхности.

В обоих полушариях в поясе от 20° широты и вплоть до полюса имеет место западный перенос. Воздух вращается вокруг субполярной области низкого давления, образуя иногда весьма устойчивое круговое движение.

Западные ветры наблюдаются до очень большой высоты, причем примерно до 13 км скорость их увеличивается. Выше 13 км температурный контраст экватор — полюс сглаживается, поэтому скорость западных ветров уменьшается.

31
дек 09

Ветер на высотах

Хотя сведения о высоких слоях атмосферы до сих пор менее полны, чем о нижних, метеорологи все же знают, что циркуляция атмосферы происходит не только у поверхности Земли, но и на высотах. О существовании контрастов давления в верхней атмосфере можно судить по движению облаков, которые переносятся ветром.

На движение воздуха в высоких слоях атмосферы не влияет сила трения и потому там ветер близок к геострофическому.

31
дек 09

Струйное течение

Во время второй мировой войны, когда самолеты военно-воздушных сил США бомбили японские острова, пилоты случайно сделали открытие, которое имело большое значение для метеорологии. Самолеты, летевшие на запад, попадали в очень сильное воздушное течение, направленное с запада на восток и тормозившее их   движение.   Во многих   случаях летчики вынуждены были прервать полет, сбрасывать бомбы в море и возвращаться на свои базы, не выполнив задания.

Открытие области очень сильных ветров на высоте 13 км породило целую серию исследований. Эти ветры, известные теперь под названием струйных течений, обычно имеют место в умеренных широтах, где составляют часть общего западного переноса. Земной шар опоясывает несколько струйных течений.

В годы войны в Японии был разработан план воздушных налетов на территорию США с использованием струйных течений. В течение 1944 г. японцы запустили в направлении США свыше 10 000 воздушных шаров с зажигательными бомбами. Они рассчитывали на то, что шары, подхваченные струйными течениями, перенесутся на территорию США. Специальные устройства автоматически поддерживали нужную высоту полета этих шаров. Лишь около 10% шаров достигло цели, и нанесенный ими ущерб оказался незначительным.

Изучение данных о струйных течениях показало, что они представляют собой сильно турбулизированные движения воздуха, характеризующиеся увеличением скорости в направлении к оси течения. Струйное течение имеет ширину 40—160 км и вертикальную протяженность около 2 км. На оси течения скорость ветра достигает 400—500 км/ч. Столь большие скорости ветра возможны потому, что струйные течения зарождаются на полярном фронте, где велики контрасты температур воздуха.

Полные взаимосвязи между струйными течениями и погодой, а также и климатическими условиями еще неизвестны. Но во всяком случае струйные течения используются в авиации. Так, скорость самолета, летящего на восток, за счет струйного течения несколько возрастет, и, наоборот, летчики, совершающие полет на запад, стараются уклониться от встречи со струйным течением, уменьшающим скорость полета.

31
дек 09

Местные ветры

Ветер всегда — следствие разницы в температуре и давлении между соседними воздушными массами, причем эти температуры никогда не бывают одинаковыми. Однако эти разности сильно зависят от особенностей рельефа каждой данной местности, от относительной доли площадей суши и водоемов, а также от действия силы тяжести.