Неравномерное распределение лучистой энергии солнца, притекающей к поверхности земли, приводит в конечном счете к возникновению и развитию самых разнообразных по характеру и масштабу движений воздуха.
Совокупность основных видов движений, благодаря которым осуществляется обмен больших масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях, составляет общую циркуляцию атмосферы. К основным, крупномасштабным атмосферным движениям относятся: преобладающие в атмосфере воздушные течения, обусловленные разностью температур между экватором и полюсами; муссоны, обусловленные «разностью температур между материками и океанами; пассатные течения в низких широтах и циклоны и антициклоны, являющиеся основными механизмами междуширотного воздухообмена. Именно эти виды воздушных течений являются одним из главных факторов, определяющих формирование климата и погоды земли. Более мелкие по своим масштабам движения, такие как шквалы, смерчи, торнадо, бризы, горно-долинные ветры и т. п., имеют местное значение и хотя характерны для определенных географических районов, однако не могут оказывать существенного влияния на режим общей циркуляции атмосферы.
Изучение общей циркуляции атмосферы всегда привлекало внимание ученых и в настоящее время продолжает оставаться одной из наиболее важных и сложных проблем метеорологии.
Изучение общей циркуляции атмосферы имеет не только познавательное, но и большое практическое значение. В частности, без знания закономерностей развития атмосферных процессов, а следовательно законов общей циркуляции атмосферы, невозможна разработка физически обоснованных методов прогноза погоды или отдельных элементов ее не только на длительный срок (месяц, сезон), но и с меньшей заблаговременностью.
Знания о законах общей циркуляции атмосферы особенно обогатились за последние десятилетия в связи с общим техническим прогрессом и, в частности, усовершенствованием средств метеорологических и особенно аэрологических наблюдений. Достаточно сказать, что если всего два десятилетия назад аэрологические наблюдения носили почти эпизодический характер, то в настоящее время систематическое аэрологическое зондирование производится на всем северном и отчасти в южном полушариях. Появилась возможность судить об особенностях строения атмосферы на больших высотах не только по косвенным данным, но и на основе прямых наблюдений с помощью ракет, поднимаемых до 400—500 км. Однако особенности общей циркуляции атмосферы сравнительно полно изучены в слоях до 20—30 км высоты. О более высоких слоях атмосферы пока имеются лишь приближенные представления, полученные на основании немногочисленных данных непосредственных инструментальных наблюдений или косвенных выводов.
В изучении общей циркуляции атмосферы можно определить три основных подхода:
а) климатологический, связанный главным образом с использованием средних месячных или сезонных карт давления и ветра;
б) синоптический, связанный с использованием ежедневных карт погоды, позволяющих установить перемещение и эволюцию воздушных масс и фронтов, циклонов и антициклонов для определения характера зональной и меридиональной циркуляции, а также вертикальных движений в системе этой циркуляции.
Начиная с середины 1930-х г. синоптический метод изучения общей циркуляции атмосферы обогатился новыми мощными средствами. А именно, средними и ежедневными картами топографии различных изобарических поверхностей, которые в последние годы составляются вплоть до уровней 50 и 25 мб. Это позволило установить ряд новых характерных особенностей атмосферной циркуляции;
в) теоретический, заключающийся в разработке теоретических моделей общей циркуляции атмосферы.
Исследования общей циркуляции атмосферы начались с попыток объяснения (Галлей, Гадлей) пассатной циркуляции в XVII и XVIII вв. В середине XIX в. Мори уже дал схему циркуляции атмосферы на всем земном шаре. В конце XIX и начале XX столетия основой для изучения общей циркуляции атмосферы служили главным образом карты среднего распределения метеорологических элементов. Многочисленные исследования большей частью носили характер обобщения данных наземных метеорологических наблюдений. С помощью средних карт были установлены сезонные характеристики ветра, давления, температуры и общие черты климата в различных географических районах земного шара.
На основе этих климатологических, притом только приземных данных, естественно, не могло быть учтено многообразие периодических и непериодических процессов, которое и образует общую циркуляцию атмосферы. Это особенно относится к тем районам земного шара, где непериодические процессы являются доминирующими. В таких районах, например, над Европой, среднее распределение метеорологических элементов у поверхности земли ни в какой мере не может отражать индивидуальные процессы, происходящие во всей тропосфере и выше. Отсутствие данных о распределении метеорологических элементов на высотах увеличивало трудности изучения общей циркуляции атмосферы.
Попытки Тейсеран-де-Бора и Шоу восполнить этот пробел в построении карт давления для различных уровней на основании данных наземных наблюдений не дали желаемых результатов, так как карты, построенные по наземным данным, отражали самые общие черты полей давления на высотах.
Тейсеран-де-Бор впервые выдвинул понятие о центрах действия атмосферы, считая, что географическое расположение их в среднем определяется устойчивостью отдельных барических систем. Понятие центров действия атмосферы сохраняется и по настоящее время, хотя его введение не помогло уяснению механизма общей циркуляции атмосферы.
Замечательная для того времени работа об общей циркуляции атмосферы принадлежит А. И. Воейкову. Располагая лишь наземными, данными, А. И. Воейков сумел выдвинуть ряд положений об особенностях циркуляции атмосферы, которые нашли подтверждение и в более поздних исследованиях других ученых. В частности, большого внимания заслуживает его определение климатообразующих факторов.
Стало очевидным, что для объяснения многих особенностей атмосферных процессов необходимо изучить индивидуальные процессы, из которых получается среднее, в известной степени неточное отображение действительности. В результате переоценки роли средних карт приземного давления и ветра долгое время главенствовало неправильное представление о малой изменчивости характера атмосферных процессов в низких широтах, об устойчивости субтропических антициклонов, зимнего сибирского антициклона и т. п.
С развитием синоптической метеорологии циркуляция атмосферы, особенно в средних широтах, стала изучаться с помощью ежедневных карт погоды. Появилась возможность изучать непериодические процессы, хотя из-за отсутствия достаточных данных аэрологических наблюдений исследование циркуляции атмосферы в значительной мере тормозилось. С введением анализа атмосферных фронтов и фронтологического анализа в целом было сделано много попыток создать схемы общей циркуляции атмосферы, описывающих горизонтальную и вертикальную составляющие основных движений воздуха. При этом учитывалось, что на земном шаре существуют районы и даже широтные зоны большего и меньшего увлажнения. С зонами большого увлажнения совпадали области пониженного давления на средних месячных картах приземного давления, а с зонами засушливыми — области повышенного давления.
На такой основе был составлен ряд схем общей циркуляции атмосферы. В частности, в схеме В. Бьеркнеса, созданной в 1921 г., также представлено, что между экватором и полюсом существуют так называемые колеса циркуляции: колесо тропического воздуха в пассатной циркуляции, колесо тропического воздуха, оттекающего в нижних слоях из субтропической зоны в умеренные широты, колесо полярного воздуха и т. п. (рис. 1).
Я. Бьеркнес и Сольберг (1922) дали более детализированную схему междуширотного обмена воздушных масс в северном полушарии. Затем Бержерон и Свобода (1930) еще более усложнили
схему общей циркуляции атмосферы. Однако усложнение схемы, вносимое видными норвежскими метеорологами, мало способствовало успеху расширения познаний в этой области. Не внесла существенных изменений в представление об общей циркуляции атмосферы и схема, предложенная в 1939 г. Роосби.
Во всех упомянутых схемах большое значение в междуширотном обмене придавалось вертикальной циркуляции, которая представлялась в виде нескольких замкнутых и незамкнутых «колес». При изображении междуширотного обмена между экватором и тропиками всеми исследователями принималось классическое представление о пассатной циркуляции, основу которого дали Галлей (1686) и Гадлей (1735).
Как показали средние карты абсолютной и относительной топографии мира, а также ежедневные карты погоды, составляемые в настоящее время для различных уровней (до 25—30 км), междуширотный обмен осуществляется путем горизонтального переноса при меридиональных преобразованиях высотных деформационных полей. В этих случаях потоки холодных масс воздуха нередко бывают направлены из арктической области в низкие широты и, наоборот, теплые массы воздуха перебрасываются в высокие широты. При движении воздух испытывает вертикальные перемещения, наибольшие величины которых наблюдаются в районах активной цикло- и антициклонической деятельности.
При этом вдоль одной и той же широты в одних районах резко преобладает циклоническая, в других антициклоническая деятельность.
В соответствии с этим, даже в одном и том же сезоне, вертикальные слагающие циркуляции на одних и тех же широтах, но на разных географических меридианах будут иметь разные знаки. Поэтому, очевидно, невозможно построить одну схему общей циркуляции атмосферы, которая отображала бы многообразие характера ее над материками и океанами, да еще в различные сезоны года.
Многие работы по типизации атмосферных процессов внетропических широт, выполненные преимущественно в 30-х гг., имели положительное значение в познании особенностей атмосферной циркуляции в средних и высоких широтах. Они не только расширили (представления о многообразии процессов, но в известной мере вскрыли сезонные особенности атмосферных процессов над различными крупными географическими районами. Кроме того, они показали взаимосвязь между процессами, развивающимися над районами, значительно удаленными от средних широт. В частности, широкие исследования атмосферной циркуляции принадлежат Б. П. Мультановскому. В его работах, как и в работах его последователей, в соответствии с задачей прогнозов погоды, изучалась циркуляция над так называемым естественным районом. Центральное место в этих исследованиях было отведено «центрам действия» атмосферы и условиям погоды над Европой.
Не менее интересны работы Э. С. Лир, изучавшей макроциркуляционные процессы с точки зрения установления закономерностей между меридиональными и зональными слагающими общей циркуляции атмосферы. Широкой известностью пользуются исследования Б. П. Алисова, посвященные установлению связей между особенностями циркуляции атмосферы и климата, и др.
Много полезного в изучении общей циркуляции атмосферы содержится в работах Г. Я. Вангенгейма и А. А. Гирса, начатых ещё в 30-х гг. Г. Я. Вангенгеймом, построенных на принципе удачно выявленных основных форм циркуляции. После 1945 г. на базе высотных карт погоды северного полушария Г. Я. Вантенгеймом и А. А. Гирсом установлены различные формы циркуляции и статистически определена их преемственность. Полученные результаты успешно используются при составлении долгосрочных прогнозов погоды и ледового режима в Арктике.
Одновременно с качественно физическими исследованиями общей циркуляции атмосферы велись и теоретические исследования. Прошло более ста лет после первой попытки Ферреля (1856) создать теорию общей циркуляции на основе комплекса представлений своих предшественников.
Теоретические работы, основывающиеся в известной мере на классических представлениях системы общей циркуляции, обычно содержали ряд неизбежных упрощений. Отдельные частные вопросы циркуляции нашли освещение в работах Г. Г. Гельмгольца, В. Бьеркнеса, Прандтля, Г. Джеффриса, К. Россби и др.
Существенные результаты получены школой динамической метеорологии Фридмана — Кожина. Основополагающими в этой области являются труды (1935) Н. Е. Кочина. Применив метод пограничного слоя и учитывая влияние турбулентной вязкости на циркуляцию атмосферы по заданному распределению температуры на земном шаре, Н. Е. Кочин и его последователи получили распределение давления и соответствующее полю давления движение атмосферы. Была доказана возможность существования стационарной зональной циркуляции с вертикальной и меридиональной составляющими воздушных течений. Практическую возможность расчета распределения температуры с высотой с учетом совместного влияния лучистого обмена и вертикального турбулентного обмена показал И. А. Кибель.
Теория Н. Е. Кочина получила развитие в работах А. А. Дородницына, Б. И. Извекова и М. Е. Швеца в 1939 г., Е. Н. Блиновой и др. В частности, Е. Н. Блинова в 1947 г. на основании работ Н. Е. Кочина и И. А. Кибеля разработала теоретическую модель общей циркуляции атмосферы, близкую к действительным средним условиям. Ряд существенных уточнений в решении И. А. Кибеля и Е. Н. Блиновой ввели О. С. Берлянд, С. А. Машкович, Л. Р. Ракипова.
Новое теоретическое решение задачи о циркуляции атмосферы в экваториальной зоне выполнено М. Е. Швецом.
Среди исследований последних лет видное место занимают исследования по тепловому балансу земли, ведущиеся в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова под руководством М. И. Бгудыко.
Еще в 1884 г, в «Климатах земного шара» А. И. Воейков писал: «Одна из важнейших задач физических наук в настоящее время — введение приходо-расходной книги солнечного тепла„ получаемого земным шаром с его воздушной и водной оболочкой. Нам нужно знать: сколько получается солнечного тепла у верхних границ атмосферы; сколько его идет на нагревание атмосферы, на изменение состояния примешанного к ней водяного пара; затем — какое количество поверхности суши и вод, какое идет на нагревание различных тел, какое на изменение их состояния (из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное); на химические реакции, особенно сопряженные с органической жизнью; затем нужно знать, сколько тепла Земля теряет посредством излучения в небесное пространство и как идет эта потеря…».
Теперь можно сказать, что уже создана основа и ведутся исследования по уточнению и определению других составляющих теплового баланса земля — атмосфера.
Трудно переоценить значение этих работ в изучении различных закономерностей общей циркуляции атмосферы, включая длительные аномалии процессов и погоды, причина которых до настоящего времени не выяснена. Работы по тепловому балансу открывают новые перспективы не только в изучении общей циркуляции атмосферы, но и в разработке физически обоснованных методов долгосрочных прогнозов погоды.
Интересные исследования выполнены и по муссонной циркуляции. В этой области значительный вклад внесли В. В. Шулейкин, С. П. Хромов, Г. Флон и др.
Изучение сложной проблемы общей циркуляции атмосферы можно вести успешно лишь в сочетании теоретических исследований с качественными физическими приемами анализа атмосферных процессов.
Несмотря на достигнутые успехи, проблема создания теории общей циркуляции атмосферы остается еще далеко не решенной. Это связано не только с математическими трудностями, возникающими при решении указанной задачи, но часто и с отсутствием таких исходных данных, которые правильно отображали бы действительность. До настоящего времени исследователи еще не располагают данными широкого комплекса метеорологических и аэрологических наблюдений, проводимых во всех частях земного шара. Кроме того, несовершенны и способы измерения отдельных характеристик земной атмосферы, в частности больших горизонтальных скоростей ветра, вертикальных движений воздуха, влажности и др.
Пробел в организации широкого комплекса метеорологических и аэрологических наблюдений одновременно на всем земном шаре в значительной мере будет восполнен в связи с проведением Третьего международного геофизического года, начатого 1 июля 1957 г.
Полученные данные наблюдений позволят исследовать процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере. Особенно важно, что систематические наблюдения проводятся в таких мало изученных районах земного шара, как Антарктика и экваториальная зона. Большую помощь в метеорологических исследованиях наряду с радиозондами оказывают новые средства наблюдений: радиопилоты, метеорологические ракеты и искусственные спутники Земли.
С запуском первого в мире советского искусственного спутника Земли в верхние слои атмосферы началась новая эра в изучении не только атмосферы, но и космического пространства. Спутники помогут получить новые данные о верхних слоях атмосферы и решить много сложнейших вопросов, относящихся к сфере, лежащей между атмосферой и космическим пространством. В изучении атмосферных процессов искусственные спутники имеют значительное преимущество перед метеорологическими ракетами. Последние, будучи очень дорогими и сложными, позволяют получить сведения лишь над немногими пунктами их выпуска и притом в течение короткого промежутка времени. Для систематического исследования атмосферных процессов необходима широкая сеть станций, одновременно выпускающих ракеты, — подобие существующей сети аэрологических станций, что пока трудно осуществимо.
Между тем искусственные спутники, несмотря на большие трудности запуска их на орбиту, обладают рядом преимуществ. Представляя из себя научную лабораторию, спутник в ходе своего многодневного движения регистрирует и передает по радио сведения о составе атмосферы, космическом излучении, напряженности магнитного поля Земли, корпускулярном излучении Солнца и т. п. Первый искусственный спутник Земли был запущен 3 октября 1957 г. в Советском Союзе на высоту около 900 км, второй — 4 ноября 1957 г. на высоту 1700 км, третий — 15 мая 1958 г. на высоту около 1900 км. В 1958 г. спутники были выпущены и в США.
Очевидно, серия искусственных спутников может быть одновременно запущена на различные высоты, что позволит получить данные об особенностях процессов в верхних слоях атмосферы многократно и на протяжении длительного промежутка времени. Правда, у искусственного спутника также имеются недостатки. В частности, для длительного его существования необходимо, чтобы орбита его располагалась выше плотных слоев атмосферы, т. е. выше 200 км. Поэтому для получения данных о верхних слоях атмосферы и в будущем будет целесообразно пользоваться такими средствами наблюдений, как спутники и ракеты, в сочетании с косвенными методами (изучении полярных сияний, метеоров, ночного свечения неба и т. п.).
Несмотря на отмеченные выше недостатки ракетного зондирования, сведения о верхних слоях атмосферы, полученные при помощи ракет, являются более надежными, чем по косвенным методам.
В послевоенные годы в СССР и США были подняты ракеты на различные высоты. Подъем ракет с научной аппаратурой стал производиться в СССР систематически с 1949 г. В мае 1949 г. был произведен первый вертикальный пуск ракеты на высоту 110 км; общим весом аппаратуры до 120—130 кг. Однако постепенно повышался как уровень подъема, так и вес аппаратуры. Уже в мае 1957 г., как сообщала «Правда» от 27 марта 1958 г. ракета с экспериментальной аппаратурой общим весом 2,2 т поднялась на высоту 212 км. Согласно этому же сообщению, 2 февраля 1958 г. ракета с научной аппаратурой весом 1520 кг поднялась на высоту 473 км. При этом наряду с получением новых данных по составу ионосферы, концентрации метеорных частиц и их энергии, концентрации электронов в ионизированных слоях и пр. было произведено измерение давления до высоты 260 км и зафиксирована величина до 10-7 мм. Триумфом советской науки и техники явился запуск 2 января 1959 г. первой космической ракеты.
Остановимся кратко на современных воззрениях на некоторые вопросы общей циркуляции атмосферы, развившихся в последние годы на основе данных аэрологических наблюдений.
Основной вид циркуляции атмосферы на вращающейся Земле, т. е. западно-восточный перенос и свойственная внетропическим широтам цикло- и антициклоническая деятельность, определяется существованием на земном шаре «нагревателя» и «холодильников», создающих разности температур между экватором и полюсами. Работой такой гигантской тепловой машины первого рода (по В. В. Шулейкину) с «нагревателем», расположенным в экваториальной зоне (и вообще в низких широтах), и «холодильниками», расположенными в высоких широтах северного и южного полушарий, обеспечивается указанный вид циркуляции атмосферы в нижнем 20-км слое.
Конечно, эта тепловая машина имеет несколько условный характер, поскольку источники тепла и холода в атмосфере не строго расположены между экватором и полюсами. В результате меридионального обмена вдоль одного и того же меридиана нередко располагаются перемежающиеся очаги холода и тепла, поэтому термодинамические процессы в атмосфере происходят значительно сложнее, чем в машинах, используемых в технике.
Междуширотный обмен масс воздуха поддерживает почти постоянное распределение температуры, которое значительно отличается от создаваемого радиационным равновесием. Этому способствуют также альбедо и разнообразие видов атмосферного движения, от небольших турбулентных вихрей до таких крупных циркуляционных систем, как циклоны и антициклоны.
При этом в холодном полушарии энергия, расходующаяся на движение воздуха, всегда больше, чем в теплом, поскольку в том полушарии, где имеет место зима, горизонтальные градиенты температуры и давление во всей тропосфере значительно возрастают. Кроме того, существуют и разности температур, возникающие вследствие неодинакового нагревания и охлаждения материков и океанов. Действительно, в холодное полугодие, особенно в средних и низких широтах, материки быстро охлаждаются и являются источниками холода, в то время как океаны вследствие особенностей теплообмена в них и большой теплоемкости воды, накапливая летом тепловую энергию, зимой являются .источниками тепла. В летнее полугодие, наоборот, материки, нагреваясь быстрее, служат источниками тепла, а океаны — холода. Вследствие этого между материками и океанами осуществляется циркуляция, имеющая сезонный характер. Хотя такая циркуляция в значительной мере и поглощается более мощной циркуляцией, создаваемой тепловыми различиями между экватором и полюсами, однако она все же проявляется в сезонной смене воздушных течений у поверхности земли между материками и океанами. Этот процесс действующего в атмосфере теплообмена вследствие температурного различия между материками и океанами в известной мере можно рассматривать как работу тепловой машины второго рода (по В. В. Шулейкину).
Постоянное возникновение, перемещение и разрушение многочисленных циклонов и антициклонов сильно усложняют атмосферную циркуляцию. Поэтому в районах наиболее активной цикле- и антициклонической деятельности невозможно наблюдать работу тепловых машин в сколько-нибудь явном виде. В связи с этим же лишь в отдельных районах земного шара более отчетливо выражены муссонные течения.
В предлагаемой монографии автор поставил себе задачу осветить метеорологическую сторону вопроса общей циркуляции атмосферы, почти не затронув гидродинамической проблемы ее, так как иначе были бы нарушены как система, так и целостность изложения.
Основное внимание уделено анализу данных наблюдений и физических обобщений их. В физической интерпретации данных наблюдений и объяснении многих вопросов общей циркуляции атмосферы автор придерживался своей точки зрения, оформившейся в результате многолетнего синоптико-аэрологического исследования атмосферных процессов.
В книге приведены обширные экспериментальные данные, опубликованные главным образом в периодической печати различных стран. Многие графические и картографические материалы, приведенные в книге, являются авторскими оригиналами.
—Источник—
Погосян, Х.П. Общая циркуляция атмосферы/ Х.П. Погосян.– Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1959.- 259 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
