Глобальная циркуляция атмосферы. Ветер

1. Циркуляция атмосферы

Циркуляция атмосферы – это система крупных воздушных течений Земли: пассаты, западные ветры (перенос воздушных масс с умеренных широт) и восточные ветры (перенос воздушных масс с приполярных широт). Она обусловлена неравномерным распределением атмосферного давления над земной поверхностью. Установлены так называемые пояса атмосферного давления (рис. 1) (области повышенного и пониженного давления).

Над прогретыми участками, как правило, устанавливаются области пониженного давления, а над более прохладными – повышенного. Вследствие этого возникает горизонтальное перемещение воздуха (ветер) из области высокого давления в область низкого.

Ветром называется горизонтальное движение воздуха. При этом воздух движется из области высокого давления в область низкого. Ветры, наблюдаемые у земной поверхности, весьма разнообразны. Их обычно делят на группы: местные ветры, вызванные местными условиями (температурой, орографией); ветры циклонов и антициклонов и ветры, являющиеся частью общей циркуляции атмосферы.

Рис. 1. Общая циркуляция атмосферы

2. Местные ветры

Под местными ветрами понимают ветры, характерные только для определенных географических районов. Происхождение их различно.

Во-первых, местные ветры могут быть проявлением местных циркуляции, возникающих в системе общей циркуляции атмосферы при слабых и крупно масштабных воздушных течениях.

Во-вторых, местные ветры могут представлять собой местные изменения (возмущения) течений общей циркуляции атмосферы под влиянием орографии или топографии местности.

3. Шкала Бофорта

Шкала Бофорта – это условная 12-балльная шкала для визуального определения силы и скорости ветра по его воздействию на наземные объекты и на водную поверхность. Шкала Бофорта определяет установленное международным соглашением соотношение между скоростью ветра в м/с (км/ч, в морских узлах) и силой ветра, выраженной в условных единицах – баллах (от 0 до 12). Скорость ветра замеряется анемометрами над открытой ровной поверхностью моря и суши на стандартной высоте 10 м. Шкала Бофорта была разработана в 1806 году английским морским гидрографом и мореплавателем контр-адмиралом Ф. Бофортом, предложившим таблицу для оценки силы ветра в зависимости от его скорости.

Таблица

Сила ветра у земной поверхности по шкале Бофорта (на стандартной высоте 10м над открытой ровной поверхностью)

4. Бризы

К местным ветрам термического происхождения относятся бризы (франц. – brise – легкий ветер). Бризами называют ветры у береговой линии морей и больших озер, имеющие резкую суточную смену направления. Бризы бывают морскими (дневными) и береговыми (ночными).

Днем морской бриз дует в направлении на берег, а ночью береговой бриз дует с берега на море (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования бриза

Скорость ветра при бризах 3–5 м/с, в тропиках и больше. Бризы отчетливо выражены в тех случаях, когда погода ясная и общий перенос воздуха слабый, как это бывает, например, во внутренних частях антициклонов. В противном случае общий перенос воздуха в определенном направлении маскирует бризы, как это всегда бывает при прохождении циклонов.

Причиной возникновения бризов является то, что вода обладает большей теплоёмкостью, поэтому она длительно нагревается и долго остывает. Днём воздух над сушей быстро прогревается и поднимается вверх, а ему на смену приходит более холодный воздух с моря, начинает дуть морской бриз, который понижает температуру воздуха на побережье, а также увлажняет воздух. После захода солнца суша начинает остывать быстрее, чем вода. В это время и начинает формироваться береговой бриз, он слабый и без вертикального движения. Ранним утром и вечером температуры поверхности моря и земли выравниваются, при этом движение воздуха отсутствует, ветер утихает, море становится спокойным.

Скорость бриза небольшая, и составляет 1–5 м/с, редко больше. Бриз заметен только в условиях слабого общего переноса воздуха – в тропиках, а в средних широтах – в устойчивую безветренную погоду. Вертикальная высота (мощность) воздушного слоя – днем до 1–2 км, ночью – несколько меньше. Чередование дневного и ночного ветра называется бризовой циркуляцией. Бризовая циркуляция затрагивает области побережья и моря шириной 10–50 км.

Морской бриз понижает температуру воздуха в дневное время и делает воздух более влажным. Бриз чаще бывает летом, когда разница температур между сушей и водоёмом достигает наибольших значений. В умеренном поясе обычно бриз ярко выражен в теплое время года и в малооблачную погоду при наибольшем контрасте температур суша – вода (порядка 20 °С). В тропических странах бризы наблюдаются круглый год.

5. Фён

Фён (нем. Fohn, от лат. favonius – теплый западный ветер) – теплый, сухой порывистый ветер, дующий временами с гор в долины (рис. 3).

Рис. 3. Схема образования фёна

Температура воздуха при фёне значительно и быстро повышается, а относительная влажность резко падает, иногда до одного – двух десятков процентов. В начале фёна могут наблюдаться резкие и быстрые колебания температуры и влажности вследствие встречи теплого воздуха фёна с холодным воздухом, заполняющим долины. Порывистость фёна указывает на сильную турбулентность его потока. Продолжительность фёна может быть от нескольких часов до нескольких суток, иногда с перерывами (паузами).

Фёны с давних времен известны в Альпах. Они очень часты на Западном Кавказе как на северных, так и на южных склонах хребта. Фены наблюдаются и под обрывистой стеной Яйлы на Южном берегу Крыма, в горах Средней Азии и Алтая, в Якутии, западной Гренландии, на восточных склонах Скалистых гор и во многих других горных системах.

6. Бора

Бора (итал. bora от греч. «бореас» – север, северный ветер) – сильный холодный и порывистый ветер, дующий с низких горных хребтов в сторону достаточно теплого моря (рис. 4).

Рис. 4. Направление воздушных масс бора

Образуется преимущественно в холодную часть года при вторжениях масс холодного воздуха, который, переваливая через невысокие хребты (обычно 300–600 м), сравнительно мало нагревается и с большой скоростью «падает» по подветренному склону под действием градиента давления и силы тяжести. Температура воздуха в районе вторжения понижается. Наблюдается преимущественно зимой в местностях, где хребты отделяют внутренние равнины и плоскогорья от теплых морей или крупных водоемов. Например, на Адриатическом побережье бывшей Югославии близ Триеста, на севере Черноморского побережья Кавказа близ Новороссийска – новороссийская бора.

7. Горно-долинные ветры

В долинах горных систем наблюдаются ветры с суточной периодичностью, сходные с бризами. Это горно-долинные ветры. Горно-долинные ветры отчетливее всего выражены в теплые, ясные летние ночи. Скорость горного ветра зависит от крутизны склона, а также от ширины и глубины долины. Днем долинный ветер дует из устья долины вверх по долине, а также вверх по горным склонам. Ночью горный ветер дует вниз по склонам и вниз по долине, в сторону равнины. Горно-долинные ветры хорошо выражены во многих долинах Альп, Кавказа, Тянь-Шаня, Памира и в других горных странах, главным образом в теплое полугодие. Вертикальная мощность их значительная и измеряется средней высотой хребтов, образующих борта долины: ветры заполняют все поперечное сечение долины, сильные, но иногда достигают 10 м/с и более.

Можно указать, по крайней мере, две независимо действующие причины возникновения горно-долинных ветров. Одна из них − дневной подъем или ночное опускание воздуха по горным склонам − ветры склонов. Другая создает общий перенос воздуха вверх по долине днем и вниз ночью − горно-долинные ветры в тесном смысле слова. Днем поверхность склонов гор теплее прилегающего воздуха. Поэтому воздух в непосредственной близости к склону нагревается сильнее, чем воздух, расположенный дальше от склона, и в атмосфере устанавливается горизонтальный градиент температуры, направленный от склона в свободную атмосферу.

8. Глобальная (общая) циркуляция атмосферы

Глобальной циркуляцией атмосферы называют круговорот воздуха на земном шаре, приводящий к переносу его из низких широт в высокие и обратно. В тропосфере к циркуляции атмосферы относятся: циклоны и антициклоны, пассаты, западные воздушные течения умеренных широт, муссоны. Перемещение воздушных масс происходит как в широтном, так и в меридиональном направлениях. Причина перемещения воздушных масс состоит в неодинаковом распределении атмосферного давления и нагревании солнцем поверхности суши, океанов, льда на разных широтах, а также в отклоняющем воздействии на воздушные потоки вращения Земли.

Главные закономерности циркуляции атмосферы в основном постоянны: в нижней тропосфере преобладающие направления переноса воздуха различаются по географическим поясам. В полярных широтах – восточные ветры; в умеренных − западные ветры с частым нарушением циклонами и антициклонами, наиболее устойчивы пассаты и муссоны в тропических широтах.

Вращение земли отклоняет эти движущиеся массы в северном полушарии вправо, и влево − в южном. Воздух, таким образом, стремится не на север, а на северо-восток и где-то на расстоянии 30 градусов от экватора идет уже не по меридиану, а по широте с запада на восток. Накопление воздуха в районе 30 градуса широты приводит к образованию пояса повышенного давления над поверхностью Земли (рис. 5). От этого пояса воздух растекается в обе стороны, подвергаясь действию отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса). Одни воздушные массы, охлаждаясь, поворачивают назад к экватору и имеют севера – восточное направление (пассаты), другие – юго−западное, замыкая, таким образом, кольца циркуляции атмосферы.

Рис. 5. Расположение элементов общей циркуляции атмосферы

9. Ветры циклонов и антициклонов

Циклоны − это атмосферные вихри, которые зарождаются над относительно теплой поверхностью, имеют систему ветров, вращающихся против часовой стрелки в северном полушарии (рис. 6, а). В вертикальном разрезе циклон представляет собой восходящие токи воздуха. Формируются циклоны над поверхностью Северной Атлантики, в Исландском минимуме (центр пониженного давления) и далее перемещаются на запад.

Рис. 6. Циклоны (а) и антициклоны (б)

Антициклоны являются противоположной «копией» циклонов, они формируются над охлажденной поверхностью (рис. 6, б). Нисходящие токи воздуха создают области повышенного атмосферного давления. При этом складывается система ветров, направленных по часовой стрелке от центра повышенного давления на периферию (т.е. из области более высокого давления − в область пониженного). Преимущественная область действия антициклонов − Центральная Сибирь (так называемый Азиатский максимум).

Сложные процессы формирования, развития, трансформации циклонов и антициклонов принято называть циклонической деятельностью. Восточное направление ветров преобладает в приполярных областях Земли. Тропические циклоны образуются там, где наблюдается высокая температура поверхности воды (выше 26 °С), а разность температур вода-воздух более 2. Это приводит к усилению испарения, увеличению запасов влаги в воздухе. Появляющаяся мощная тяга увлекает все новые и новые объемы воздуха, нагревшиеся и увлажнившиеся над водной поверхностью. Вращение Земли придает подъему воздуха вихревое движение, и вихрь становится подобным гигантскому волчку, энергия которого грандиозна.

10. Пассаты

Пассаты – это воздушные течения в тропических широтах океанов, сравнительно устойчивые в течение всего года. В Северном полушарии зимой пассатная зона простирается от экватора до 28° с.ш. Летом, когда экваториальная ложбина перемещается в Северное полушарие, зона пассатов располагается между 18 и 31° с.ш. (рис. 1). Таким образом, площадь, охватываемая пассатной циркуляцией, от зимы к лету уменьшается вдвое. В Южном полушарии положение пассатной зоны более стабильное. В северном полушарии летом под влиянием хорошо развитой муссонной циркуляции пассатная зона приобретает сложную структуру.

Скорость пассатных ветров у земной поверхности составляет в среднем 5−8 м/с. На земном шаре эти системы ветров наиболее устойчивы: с вероятностью 80−90% их можно встретить в любой момент года, а не только на средних картах. Во времена парусного флота ветер имел первостепенное значение для мореплавания. Такой ветер испанские мореплаватели окрестили «viento de asade» – благоприятствующий перемещению.

11. Муссоны

Муссон (от араб. «mawsim» – время года, посредством фр. Mousson) – устойчивые ветра, периодически меняющие свое направление, летом дуют с океана, зимой – с суши; свойственны тропическим областям и некоторым приморским странам умеренного пояса (Дальний Восток). Возникновение муссонов связано с неравномерным прогреванием суши и океана в течение года. Океан значительно медленнее нагревается солнцем, однако и отдает тепло тоже очень медленно, а вот суша очень быстро остывает и также быстро охлаждается. При этом получается так, что летом, температура суши, нагретой солнцем, оказывается выше температуры океана. Нагретый воздух над сушей устремляется вверх, формируя область пониженного давления. Над более холодным, относительно суши, океаном, давление получается выше, чем над прогретой сушей (рис. 7).

Рис. 7. Направление муссонов в жаркий (лето) и холодный сезоны (зима)

Устойчивость муссонов связана с устойчивым распределением атмосферного давления в течение каждого сезона, а их сезонная смена – с коренными изменениями в распределении давления от сезона к сезону. Преобладающие барические градиенты резко меняют направление от сезона к сезону, вместе с этим меняется и направление ветра.

Муссоны наблюдаются в тех районах, где циклоны и антициклоны обладают достаточной устойчивостью и резким сезонным преобладанием одних над другими. В тех же областях Земли, где циклоны и антициклоны быстро сменяют друг друга и мало преобладают одни над другими, – режим ветра изменчив и не похож на муссонный. Так обстоит дело и в большей части Европы.