Географическая оболочка

10.3 Общая циркуляция  атмосферы. Ветры местной и  общей циркуляции.

Разность атмосферного давления между  двумя областями как у земной поверхности, так и выше нее вызывает горизонтальное перемещение воздушных масс – ветер. С другой стороны, сила тяжести и трение о земную поверхность удерживают массы воздуха на месте. Следовательно, ветер возникает только при таком перепаде давления, который достаточно велик, чтобы преодолеть сопротивление воздуха и вызвать его движение.  Очевидно, что разность давлений должна быть отнесена к единице расстояния. В качестве единицы расстояния раньше принимали 1⁰ меридиана, то есть 111 км. В настоящее время для простоты расчетов условились брать 100 км.

Горизонтальным барическим градиентом называется падение давления в 1 мб на расстояние в 100 км по нормали к изобаре в сторону убывающего давления.

Скорость ветра всегда пропорциональна  градиенту: чем больше избыток воздуха  на одном участке в сравнении с другим, тем сильнее его отток. На картах величина градиента выражается расстояниями между изобарами: чем ближе одна к другой, тем градиент больше и ветер сильнее.

Кроме барического градиента на ветер действуют вращение Земли, или сила Кориолиса, центробежная сила и трение.

Вращение Земли (сила Кориолиса) отклоняет  ветер в северном полушарии вправо (в южном полушарии влево) от направления  градиента. Теоретически рассчитанный ветер, на который действуют только силы градиента и Кориолиса, называется геострофическим. Он дует по касательной к изобарам.

Чем сильнее ветер, тем больше его  отклонение под действием вращения Земли. Оно нарастает с увеличением  широты. Над сушей угол между направлением градиента и ветром достигает 45-50⁰, а над морем – 70-80⁰; средняя величина его равна 60⁰. 

Центробежная сила действует на ветер в замкнутыхбарических системах – циклонах и антициклонах. Она направлена по радиусу кривизны траектории в сторону ее выпуклости.

Сила трения воздуха о земную поверхность всегда уменьшает скорость ветра. Скорость ветра обратно пропорциональна величине трения. Трение сказывается в нижнем, примерно 1000 – метровом, слое, называемом слоем трения. Выше ветры геострофические.

Направление ветра определяется стороной горизонта, откуда он дует. Для обозначения его обычно принимается 16-лучевая роза ветров: С, CCЗ, CЗ, ЗСЗ, З, ЗЮЗ, ЮЗ, ЮЮЗ, Ю, ЮЮВ, ЮВ, ВЮВ, В, ВСВ, СВ, ССВ.

Иногда вычисляется угол (румб) между направлением ветра и меридианом, причем север (С) считается за 0⁰ или 360⁰, восток (В) – за 90⁰, юг (Ю) – 180⁰, запад (З) – 270⁰.

У земной поверхности единой барическое поле дифференцируется на пояса и  регионы.

В экваториальном поясе (около 10⁰ с.ш. – 10⁰ ю.ш.) в течение всего года существует низкое давление – экваториальная депрессия (1 000 – 1 008 мб). Движущей силой ее формирования является скрытая теплота парообразования. Экваториальный минимум -  это далеко не однообразная сплошная лента низкого давления. На фоне общей депрессии непрерывно возникают и исчезают области повышенного давления, хотя, конечно, по интенсивности они не сравнимы с антициклонами умеренных широт. С переменой давления связаны изменения погоды, грозы, шквалы ветров.  Ветры в этой полосе случайны и кратковременны, господствует безветрие, и вся полоса называется штилевой.

При восходящей конвекции происходит конденсация пара, и влага, как  принесенная на экватор из тропических  поясов, так и испарившаяся на месте, выпадает обильными экваториальными  дождями, которые называются зенитальными (по положению Солнца в зените).

В тропических широтах (между 35⁰ и 20⁰ обоих полушарий) на океанах располагаются тропические, или субтропические, барические максимумы с нисходящими воздушными токами: Азорский и Гавайский в северном полушарии, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский в южном. Давление воздуха в них составляет около 1 022 – 1 026 мб. Эти области высокого давления держатся весь год.

Механизм образования  тропических максимумов может быть описан в виде следующей схемы. На материках в соответствии с их термическим режимом барическая система меняется от зимы к лету. В летнюю часть года каждого полушария на суше давление нормальное или пониженное (в Австралии, в Южной Африке и т.д.). В тропиках Южной Азии, например, стоит глубокий Ирано-Тарский минимум (994 мб).

В  январскую часть года Азорский и Гавайский минимумы сливаются  с Сибирским (1040 мб) и Северо-Американским ( 1022 мб), образуя над субтропическими  и умеренными широтами всего северного  полушария непрерывную полосу высокого давления.

В зиму южного полушария (июнь-юиль-август) над материком Австралии формируется незначительный Австралийский максимум (1 020 мб).

В центре тропических максимумов, или антициклонов, стоит безветрие, а на периферии дуют ровные ветры  во все стороны от центра. Те из них, которые переносят воздух в экваториальный минимум, называются пассатами.  Они четко выражены на океанах и не всегда четко на материках. Под влиянием силы Кориолиса пассаты отклоняются вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии и приобретают направление с востока на запад, образуя восточный перенос.

В умеренных широтах северного  и южного полушарий находятся  вторые (после экватора) минимумы атмосферного давления. Однако барическое поле диссимметрично. В южном полушарии в соответствии с его океаничностью Антарктический пояс низкого давления (до 984 мб) описывает Землю сплошным кольцом и существует весь год. В северном полушарии в связи с чередованием материковых и океанских секторов барические минимумы выражены только на океанах (Исландский и Алеутский минимумы с давлением в январе около 998 мб). На материках давление сезонно меняется по термической причине.

Не трудно видеть, что несмотря на сезонные колебания барического  поля северного умеренного пояса, генеральная  закономерность – образование полосы низкого давления – отчетлива: летом она опоясывает все полушарие, зимой прерывиста, на океанах выражена достаточно глубоко.

Из тропических барических максимумов воздух стекает не только в экваториальную депрессию, но и в пояса низкого  давления умеренных широт, хотя и в меньшем количестве, около 25 % общей их массы. Он отклоняется вправо в северном полушарии и влево в южном полушариях, он включается в западный перенос и образует характерные для умеренных широт западные ветры. Их действию подвержены Европа севернее Средиземного моря, Северная Америка к северу от Калифорнии, Южная Америка южнее города Сантьяго, то есть всюду между умеренным и арктическим (антарктическим) фронтами.

В Арктике и Антарктике по термическим  причинам атмосферное давление высокое. Холодный воздух полярных максимумов стекает в минимумы умеренных широт. Отклоняясь под действием вращения Земли, эти ветры образуют арктические норд-осты и антарктические зюйд-осты.

На арктическом и антарктическом фронтах холодные арктические (антарктические) массы воздуха встречаются со сравнительно теплыми умеренными воздушными массами. Столкновение и борьба арктических (антарктических) и умеренных воздушных масс разрешается образованием циклонов и антициклонов.

Таким образом, атмосферное давление на Земле распределено зонально-регионально.

Общая циркуляция атмосферы – совокупность основных движений воздуха планетарных размеров, посредством которых осуществляется обмен воздушных масс в горизонтальном и в вертикальном направлениях в тропосфере и нижней стратосфере до высоты примерно 20 км (гораница географической оболочки).

Общая схема циркуляции атмосферы  может быть представлена в следующем  виде. В каждом полушарии имеется  три кольца движения воздуха:

Первое кольцо охватывает тропические широты и включает  восходящие токи воздуха над экватором (барический минимум), перенос его к тропикам ветрами западно-северо-западного направления в северном полушарии и западно-юго-западного направления в южном полушарии, опускание на широтах около 30⁰ (барические максимумы) и возвращение воздуха пассатами к экватору.

Второе кольцо находится в умеренных широтах и состоит из западных ветров, дующих из тропических барических максимумов, подъема воздуха на умеренном и арктическом фронтах и переноса его вверху, с одной стороны, в тропические широты, а с другой – к полюсам.

Третье, полярное, кольцо включает опускание воздуха близ полюсов, перенос его к Арктическому и Антарктическим максимумам и восходящие движения на фронтах.

Главная движущая сила циркуляции атмосферы  заключается в подъеме теплого экваториального воздуха. Основной движущей силой циркуляции воздуха служит скрытая теплота испарения. Преимущественно именно она, а не турбулентный теплообмен вызывает восходящие токи воздуха в барических минимумах.

Самое большое количество солнечной энергии (тепла) усваивают тропические пояса океанов. Небо здесь безоблачное, напряжение солнечной радиации большое. Альбедо воды при высоком положении Солнца составляет всего около 2-8 %. В этих условиях с поверхности океанов испаряется огромное количество воды.

Здесь образуется первый импульс циркуляции  атмосферы. Из тропиков около ¾ водяного пара переносится пассатами к  экватору, а ¼ в умеренные широты.

Воздушные массы пассатов северного  и южного полушарий сходятся на экваторе в зоне конвергенции – сходимости, где воздух нагревается теплотой фазового перехода пара в воду при конденсации. Этот процесс протекает по принципу «цепной реакции»: по мере поднятия воздух охлаждается, пар конденсируется, выделяется теплота, которая дает толчок к подъему на следующую высоту. Затем опять происходит некоторое охлаждение (около 0,6⁰ С на 100 м высоты) и т.д. вплоть до верхней тропосферы (10-15 км).

Испарение, как известно, происходит повсеместно, но  особенно интенсивно в низких экваториальных и тропических широтах. В умеренные пояса поступает около 25 % воздушных масс тропического пояса, а с ними – и солнечной энергии, усвоенной океанами в тропиках. Гольфстрим и Куросиво – это не только теплые течения в океанах, но и пути переноса теплого воздуха, насыщенного  влагой. На огромной площади океанов и влажной суши умеренных поясов происходит испарение, дающее атмосфере теплоту фазового перехода при конденсации пара.

Теплые воздушные массы встречаются  с холодными, идущими от Арктики  и Антарктики. При их встрече образуются фронты, возникает циклоническая циркуляция воздуха. И во фронтогенезе, ив циклогенезе решающую роль играет скрытая теплота парообразования. Следовательно, движущая сила циркуляции атмосферы – скрытая теплота парообразования – работает в трех влажных зонах земли – экваториальной и двух умеренных. Одновременное приложение силы в трех поясах способно привести в движение всю систему «атмосфера-гидросфера».

10.3.1 Западный перенос

Благодаря зональному распределению  тепла барический градиент в большей  части тропосферы направлен по меридианам от экватора к полюсу. На вращающейся планете основная масса тропосферного воздуха переносится с запада на восток. Это – западный перенос воздушных масс. Он включает в умеренных широтах всю тропосферу, начиная от земной поверхности; в полярных широтах – верхнюю тропосферу, начиная от нижнего слоя норд-остов и зюйд-остов.

10.3.2 Пассатная циркуляция

В низких широтах циркуляция воздуха  обусловлена существованием экваториального  минимума и тропических барических максимумов.

Пассаты – ветры довольно устойчивого  направления с ССЗ на ЮЮВ в  северном полушарии и с ЮЮЗ  на ССВ в южном полушариях, дующие из тропических барических максимумов в экваториальный минимум.

Пассатная полоса не сплошная и во времени пассаты не столь постоянны, как считалось раньше. Пассаты отчетливо выражены над океанами, над сушей прослеживаются не всегда достаточно отчетливо. Определенные перерывы вызываются ослаблением субтропических антициклонов.

10.3.3 Полярная циркуляция

В Арктике и Антарктике по термическим причинам образуются крупные барические максимумы. Разница между ними обусловлена характером подстилающих поверхностей – океана в Арктике и материка в Антарктике. В Арктику, особенно западную, с  атлантическим водами проникают тепло и часто возникают циклоны. В Антарктике адвекции тепла не наблюдается, антициклон устойчив.

Норд-осты Арктики не постоянны. Более  того, на берегах Евразии и Америки  выражена муссонная тенденция, указывающая  на то, что над Северным Ледовитым  океаном зимой давление ниже, чем над материками.

Зюйд-осты Антарктики, осуществляющие сток холодного воздуха с материка, устойчивы и очень сильны. Здесь  находится «полюс ветров».

Выше слоя восточных ветров атмосфера  подвержена западному переносу.

Таким образом, на Земле, кроме основного, западного, переноса есть и восточный перенос – движение воздуха с Востока на Запад. Он представлен пассатами тропических широт и ветрами полярных областей в нижней тропосфере.

10.3.4 Цикло-антициклоническая циркуляция

В средних широтах наряду с западным переносом осуществляется циклоническая и антициклоническая циркуляция атмосферы. Она порождается действием не локальных центров, а всего термобарического поля Земли. Для внетропических широт решающим в данном случае оказывается наличие зон резких контрастов температур, приуроченных к Арктическому и Антарктическому фронтам. В них температура падает на 10-15⁰ С и больше на 1000 км. Резкий температурный градиент вызван сближением холодного арктического воздуха и относительно теплого умеренного воздуха. Он поддерживается также теплыми (Гольфстрим и Куросиво) и холодными (Лабрадорское и Ойясио) океанскими течениями.