big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Давление атмосферы, ветер, воздушные массы и фронты

Давление атмосферы постоянно изменяется во времени. Главная причина этого — неравномерное нагревание воздуха. Изменение давления носит преимущественно непериодический характер.

Распределение давления в слое атмосферы можно наглядно показать с помощью поверхностей, проведенных через точки с одинаковым давлением и называемых изобарическими поверхностями (рис. 17).

Линии, образующиеся от пересечения изобарических поверхностей с земной поверхностью, называются изобарами. Прямолинейные изобары возникают от пересечения поверхности земли параллельными изобарическими поверхностями под некоторым углом. Замкнутые изобары образуются при пересечении поверхности земли выпуклыми или вогнутыми изобарическими поверхностями.

Система замкнутых изобар с пониженным давлением в центре образует барометрический минимум, или циклон, система замкнутых изобар с повышенным давлением в центре — барометрический максимум, или антициклон. Незамкнутые системы изобар образуют барическую ложбину, гребень и седловину (рис. 18).

Изобарические поверхности в циклоне и антициклоне в вертикальном разрезе

Густота расположения изобар зависит от изменения давления на единицу расстояния. Это изменение в сторону убывающего давления перпендикулярного к изобаре называется барическим градиентом.

Изобара циклона и антициклона

Представление о распределении давления по земной поверхности в определенный период времени можно получить по картам изобар (рис. 19, 20). Анализ карт показывает выраженную весь год зональность в распределении давления, особенно над океаном. Над экватором расположена зона пониженного давления. В субтропиках — зона повышенного давления, которая над океаном распадается на отдельные максимумы. В умеренных широтах — зона пониженного давления, над полюсами — зона повышенного давления.

В зависимости от сезона зоны высокого и низкого давления смещаются к северу и югу, а над материками они, кроме того, меняют знак на обратный.

Давление воздуха на уровне моря и ветры в январе

Давление воздуха на уровне моря и ветры в июле

Барические максимумы и минимумы оказывают большое влияние на погоду и климат, поэтому их называют центрами действия атмосферы.

Сравнение карт распределения давления на уровне моря с картами давления на разных высотах показывает, что неравномерности в распределении давления у поверхности Земли с высотой постепенно сглаживаются. Чередование поясов высокого и низкого давления исчезает; область высокого давления расположена над экватором, к полюсам давление убывает.

Ветер, или горизонтальное перемещение воздуха, характеризуется скоростью и направлением. Скорость ветра измеряется в метрах

Роза ветров

в секунду, в километрах в час и в баллах шкалы Бофорта (от 0 до 12 баллов). Шкала Бофорта связывает силу ветра с различными эффектами (степень волнения на море, качание деревьев и ветвей и т. п.).

Направление ветра определяется положением той точки горизонта, от которой он дует. Направление ветра можно выразить азимутом или румбом. Наглядное представление о повторяемости того или иного направления ветра дают розы ветров (рис. 21). Розу ветров строят, откладывая по направлению румбов повторяемость соответствующего ветра в процентах и соединяя концы полученных отрезков.

Направление ветра зависит от направления барического градиента, отклоняющего действия вращения Земли, трения, а при движении по криволинейным изобарам — от центробежной силы.

У поверхности Земли обычная скорость ветра порядка 4 — 8 м/сек и редко превышает 15 м/сек. В штормах и ураганах умеренных широт скорости могут превышать 30 м/сек и достигать в порывах 60 м/сек. В тропических ураганах скорости доходят до 65 м/сек, а в отдельные порывы до 100 м/сек. В так называемых струйных течениях в верхней тропосфере и нижней стратосфере средняя скорость ветра за длительное время и на большой площади может доходить до 70—100 м/сек.

Если на карте короткими стрелками показать направление ветра в разных точках, а затем провести сплошные линии так, чтобы стрелки, показывающие направление ветра, были к ним касательными, получаются линии токов. При прямолинейных изобарах линии токов прямые. В циклонах они имеют вид спиралей, сходящихся в центре, в антициклонах — расходящихся от центра (рис. 22).

Простейший вид движения воздуха — прямолинейное равномерное. Оно происходит под действием двух сил: градиента и отклоняющей вращения Земли. Так как движение предполагается равномерным, то обе силы должны быть равны по величине и направлены взаимно противоположно. Поэтому движение воздуха в этом случае будет вдоль изобар, оставляя низкое давление в северном полушарии слева, а в южном — справа.

Если движение воздуха происходит криволинейно, то появляется еще центробежная сила. Тогда в случае равномерного движения должны уравновешиваться три силы, действующие на воздух — градиента, отклоняющая вращения Земли и центробежная. Допустим, что траектории движения являются окружностями. Скорость

Изобары и линии тока в циклоне и антициклоне

в любой точке траектории направлена по касательной к окружности. Отклоняющая сила направлена под прямым углом к скорости, т. е. по радиусу окружности вправо (в северном полушарии). Центробежная сила также направлена по радиусу круговой траектории в сторону ее выпуклости. Сила градиента должна уравновешивать геометрическую сумму этих двух сил и лежать на одной прямой с ними, т. е. на радиусе окружности. Поскольку под прямым углом к градиенту лежит касательная к изобаре, то ветер направлен по изобаре. Такой ветер называется градиентным (рис. 23).

Центробежная сила в действительных атмосферных условиях, как правило, меньше силы градиента. Поэтому для уравновешивания действующих сил нужно, чтобы отклоняющая сила вращения Земли была направлена так же, как и центробежная сила, и чтобы они вместе уравновешивали силу градиента. Это значит, что отклоняющая сила должна быть направлена также наружу, от центра циклона. Скорость же ветра должна отклоняться на прямой угол от отклоняющей силы влево (в северном полушарии). Следовательно, ветер должен быть направлен против часовой стрелки. В антициклоне, рассуждая подобным образом, можно доказать, что ветер будет направлен по часовой стрелке.

Градиентный ветер

В нижних слоях атмосферы на движение воздуха влияет еще сила трения. Она замедляет движение воздуха и меняет его направление. Представим себе равномерное прямолинейное движение воздуха при наличии силы трения. В этом случае уравновешиваются три силы: градиента, отклоняющая и трения (рис. 24). Так как сила

Сложение сил градиентной, Кориолиса и трения

трения не лежит на одной прямой с отклоняющей силой, то и сила градиента, уравновешивающая сумму двух остальных сил, не может лежать на одной прямой с отклоняющей силой. Она будет составлять со скоростью ветра острый угол. Другими словами, скорость ветра будет пересекать изобары, отклоняясь от градиента вправо. Скорость ветра можно в этом случае разложить на две составляющие — по изобаре и по градиенту.

Если представить себе равномерное движение воздуха в круговых изобарах при наличии силы трения, то скорость ветра также будет отклоняться от изобар, имея составляющую, направленную по барическому градиенту. Проведя линии тока в нижних слоях циклона, увидим, что они представляют собой спирали, закручивающиеся против часовой стрелки и сходящиеся к центру циклона. В нижних слоях антициклона линии тока представляют собой спирали, расходящиеся по часовой стрелке от центра антициклона (см. рис. 22).

Воздушные массы и фронты. Воздушные массы по своим свойствам носят отпечаток той области Земли, где они сформировались. Перемещаясь в другие области, воздушные массы переносят туда и свой режим погоды. Преобладание в данной области массы определенного типа создает характерный климатический режим области. По географическому принципу можно выделить четыре типа воздушных масс с различным зональным положением очагов: арктический (антарктический), полярный (умеренных широт), тропический и экваториальный. Для каждого типа характерны свой интервал температуры, свои значения влажности, дальности видимости и пр. Основные типы воздушных масс подразделяются на морской и континентальный подтипы, различающиеся между собой прежде всего по влажности.

Воздушные массы, перемещающиеся с более холодной поверхности на более теплую, называют холодными; они вызывают похолодание в тех районах, куда они приходят. Но в пути холодная масса прогревается от земной поверхности. Поэтому в ней возникают большие вертикальные градиенты температуры и развивается конвекция с кучевыми и кучево-дождевыми облаками и ливневыми осадками. Воздушные массы, перемещающиеся на более холодную поверхность, называются теплыми. Они приносят потепление, но сами охлаждаются внизу, отчего в их нижних слоях создаются малые вертикальные градиенты температуры. Конвекция в них не развивается, преобладают слоистые облака и туманы.

Воздушные массы разделены между собой сравнительно узкими переходными зонами, сильно наклоненными к поверхности Земли (угол их наклона меньше 1°). Эти зоны называются фронтами. Длина фронтов — тысячи километров, ширина — десятки километров. Вверх фронты прослеживаются на несколько километров, нередко до стратосферы.

Фронты между указанными выше географическими типами воздушных масс называют главными. Фронт между арктическим и полярным воздухом называется арктическим, между полярным и тропическим — полярным, между тропическим и экваториальным — тропическим.

С фронтами связаны особые явления погоды. Восходящие движения воздуха в зонах фронтов приводят к образованию обширных облачных систем с осадками. Атмосферные волны, возникающие в воздушных массах по обе стороны от фронта, приводят к образованию атмосферных возмущений — циклонов и антициклонов, определяющих режим ветра и другие особенности погоды. Фронты постоянно размываются и возникают вновь вследствие особенностей атмосферной циркуляции. Вместе с ними формируются, трансформируются и теряют свою индивидуальность воздушные массы.

Если же воздушные течения имеют составляющую, перпендикулярную к фронту, происходит его смещение в ту или другую сторону. В соответствии с этим фронты делятся на теплые и холодные.

Теплый фронт перемещается в сторону холодного воздуха. В этом случае теплый воздух натекает на отступающий холодный, поднимаясь вверх по поверхности раздела. При отступлении холодного воздуха нижние его слои в результате трения о поверхность несколько отстают, и фронт поднимается очень полого. При медленном поднятии теплого воздуха формируются типичные облачные системы.

Холодный фронт перемещается в сторону теплого воздуха. В этом случае холодный воздух движется быстрее теплого, подтекая под него и выталкивая его вверх. При этом нижние слои холодного воздуха отстают в своем движении от верхних, и фронтальная поверхность круто поднимается над поверхностью земли. При смыкании теплого и холодного фронтов возникает фронт окклюзии.

Фронты воздуха в вертикальном разрезе

Теплый воздух, оказавшийся в пространстве между двумя фронтами, вытесняется вверх, и холодные воздушные массы двух фронтов соединяются (рис. 25).

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.