21. Атмосферное давление. Нормальное давление. Изменение давления с высотой. Барический градиент.

Атмосферное давление

            Из курса общей физики известно, что всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки. Давление представляет собой результирующую силу ударов молекул об эти стенки, сила направлена нормально. Давление есть сила, приходящаяся на единицу площади, направленная перпендикулярно к ней. Поскольку давление газа обусловлено движениями его молекул, т. е. той бомбардировкой, которой они подвергают стенки, то оно зависит от скорости движений молекул. Известно, что при возрастании температуры и сохранении неизменнымобъема газа скорости молекулярных движений увеличиваются и, следовательно, растет давление.

 В каждой точке атмосферы имеется определенное атмосферное давление, или давление воздуха.           Основным прибором для измерения атмосферного давления является барометр.

Распределение атмосферного давления по высоте зависит от давления у земной поверхности и от распределения температуры воздуха с высотой. Давление убывает примерно в геометрической прогрессии, если высота возрастает в арифметической прогрессии. Действительно, на уровне 5 км давление почти вдвое ниже, чем на уровне моря; на уровне 10 км — почти в четыре раза и т.д.

 Давление меняется не только с высотой. Оно меняется и от места к месту на одном и том же уровне, т. е. оно не везде одинаково.. Непрерывно меняется и распределение его во всей атмосфере. Ясно, что изменения давления в любой точке связаны с изменениями всей массы воздуха над этой точкой. А изменения массы воздуха, в свою очередь, обусловлены движением воздуха.

 Атмосферное давление в каждой точке земной поверхности и в любой точке свободной атмосферы все время

меняется, т. е. либо растет, либо падает. Эти изменения имеют

сложный характер, так как слагаются из периодической составляющей — суточного хода, и непериодических изменений. В умеренных и высоких широтах непериодические изменения выражены значительно сильнее и затушевывают суточный ход. В тропических широтах ярче выражен суточный ход давления, а непериодические изменения давления малы в сравнении с такими же изменениями в умеренных и высоких широтах.

            Периодические изменения давления определяются его суточным ходом. Кривая суточного колебания давления имеет два максимума и два минимума. Максимальные значения наблюдаются перед полуднем и перед полуночью), а минимальные — рано утром и после

полудня Как указывалось, суточный ход давления хорошо выражен в тропиках, От тропиков к полюсам размах суточного хода убывает.

Горизонтальный барический градиент

 Горизонтальным градиентом давления называют вектор, который направлен по нормали к изобаре, в сторону низкого давления.

По смыслу горизонтальный градиент давления представляет собой изменение давления на единицу расстояния в горизонтальной плоскости в направлении наиболее сильного убывания давления.

Оказывается, что вертикальный барический градиент в десятки тысяч раз больше горизонтального барического градиента. Соотношение между вертикальным барическим градиентом и горизонтальным градиентом можно представить следующим образом: если вертикальный барический градиент выразить вертикальной стрелкой длиной 50 м, то значения горизонтального градиента, характерного для различных барических систем атмосферы, нужно выразить стрелками величиной от 0,5 мм до 1 см. Вертикальный барический градиент не оказывает влияния на горизонтальные движения. Однако эти движения происходят так, что вертикальный барический градиент уравновешивается с очень большой точностью силой тяжести, т. е. как в покоящейся атмосфере

Нормальное давление — 760 мм рт. ст. на широте 45°.

Циклоны и Антициклоны. Районы возникновения и метеорологические явления, связанные с ними.

Циклон – область пониженного давления с минимумом в центре, характеризующаяся системой ветров, дующих в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии – по часовой стрелке.

Антициклон – область повышенного атмосферного давления с максимумом в центре, характеризующаяся системой ветров, дующих в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном полушарии – против часовой стрелки

Тропические циклоны

 По большей части атмосферные возмущения возникают и внутри тропиков это слабые тропические депрессии. В некоторых редких случаях (примерно в одном из десяти) тропические возмущения усиливаются настолько, что сила ветра в них достигает 17 м/с и бЪлее. Диаметр такого возмущения — от сотни до нескольких сотен километров. Эти жестокие возмущения со штормовыми или ураганными ветрами носят название тропических циклонов. В зависимости от силы ветра их называют тропическими штормами или тропическими ураганами

 Максимум тропических циклонов приходится на лето и осень данного полушария, когда внутритропическая зона конвергенции находится за пределами 5° от экватора, а поверхность океана особенно нагрета. Указанные условия — удаленность зоны конвергенции от экватора при высокой температуре воды отсутствуют в южном Атлантическом океане и на востоке южного Тихого океана; тропические циклоны здесь никогда не возникают.

 Для развития циклона из первоначальной слабой депрессии нужна большая энергия неустойчивости воздушных масс и близость воздуха к насыщению. Именно неустойчивость стратификации и связанный с нею подъем насыщенного воздуха с выделением огромного количества тепла конденсации определяют кинетическую энергию циклона. Мощный подъем нагретого и влажного воздуха над большой площадью океана в возникшем возмущении является главной причиной развития сильного тропического циклона. Воздух в циклоне конвергируети поднимается вверх, а в высоких слоях вытекает из циклона, что поддерживает в нем длительно существующий дефицит давления

 Тропический циклон сначала перемещается в общем с востока на запад, т. е. в направлении общего переноса в тропической зоне. При этом он отклоняется к высоким широтам (например, в Северном полушарии движется к северо-западу) Если циклон в результате попадает на материк (например, Северной Америки или Азии) еще в тропиках, он быстро заполняется над сушей. Но если циклон достигает широт, близких к тропику (20—30°) над океаном, он огибает с запада субтропический антициклон и выходит из тропиков, меняя направление движения с северо-западного на северо-восточное.

 Точка траектории, в которой перемещение циклона меняется с северо-западного на северо-восточное, называется точкой поворота. Типичная траектория тропического циклона, перемещающегося сначала внутри тропиков, а затем выходящего во внетропические широты, будет, таким образом, напоминать параболу с вершиной, обращенной к западу. Конечно, в отдельных случаях пути циклонов бывают очень разнообразными.

Районы возникновения тропических циклонов лежат между 20 и 5° широты в каждом полушарии Ближе 5° широты к экватору тропические циклоны наблюдаются исключительно редко, так как отклоняющая сила вращения Земли здесь слишком мала, чтобы могла развиться сильная циклоническая циркуляция: возникающие здесь разности давления должны быстро выравниваться

 В указанных широтных зонах тропические циклоны развиваются только над морем. Над сушей они никогда не образуются, а если уже возникший тропический циклон попадает на сушу, он быстро заполняется в связи с увеличенным трением и соответствующим увеличением притока сухого континентального воздуха внутрь циклона в нижних слоях. По новейшим данным, полученным с помощью спутников, тропические циклоны Северной Атлантики могут возникать из слабых депрессий, образовавшихся

Скорость перемещения тропических циклонов внутри тропиков мала, всего 10—20 км/ч (не следует смешивать ее со скоростями ветра в циклоне!). При выходе циклона во внетропические широты она возрастает до обычных скоростей внетропических циклонов.

Внетропические циклоны

 Возникновение Подавляющее число циклонов умеренных широт возникает на главных атмосферных фронтах тропосферы, т. е. либо на полярном фронте, разделяющем тропический воздух и воздух умеренных широт, либо на арктическом фронте, разделяющем воздух умеренных широт и арктический воздух. В эволюции циклона выделяется ряд стадий.

 Начальная стадия циклона — это стадия волны. Процесс зарождения циклонов можно рассматривать как возникновение на поверхности главного фронта огромных волн с длинами порядка1000 км и более.. Возникшее волновое возмущение распространяется вдоль фронта в виде волны. Сама поверхность фронта и линия фронта у земной поверхности испытывают волнообразную деформацию. В начальной стадии развития циклон выглядит как волнообразное возмущение на к фронте, причем амплитуда возмущения мала по сравнению с длиной волны. С появлением волны теплый воздух начинает продвигаться к высоким широтам в сторону холодного воздуха в передней части волны, а холодный воздух — к низким широтам в сторону теплого воздуха в тыловой части. Как правило, возникает одна замкнутая изобара. Однако уже на небольшой высоте изобары над центром волны размыкаются и во фронтальной зоне, в которой развивается волна, они образуют лишь небольшой волнообразный прогиб

 Облачная система фронтов в стадии волны, уплотняется у вершины волны. В передней части волны облачная система расширяется в сторону холодного воздуха, а ее границы как со стороны холодной воздушной массы, так и со стороны теплой воздушной массы волнообразно изгибаются в связи с тем, что в стадии волны воздушные течения во фронтальной зоне приобретают волнообразную форму.

 Эволюция циклона продолжается обычно несколько суток. В первой половине своего существования циклон углубляется, во второй — заполняется и, наконец, исчезает (затухает).

 В течение года во внетропических широтах каждого полушария возникают сотни циклонов самых разных размеров: от 1000 и до 2—3 тыс. км диаметром. Хорошо развитые циклоны могут одновременно захватывать несколько областей России или же несколько западноевропейских стран и определять режим погоды на такой огромной территории.

 Вертикальное распространение (вертикальная мощность) циклона меняется по мере его развития. В первое время циклон заметно выражен лишь в нижней части тропосферы. Распределение температуры в первой стадии жизни циклона, как правило, асимметричное относительно центра. В передней части циклона с притоком воздуха из низких широт температуры повышены, в тыловой части с притоком воздуха из высоких широт понижены. При последующем развитии циклон становится высоким, т. е. замкнутые изобары обнаруживаются в нем и в верхней половине тропосферы. Температура воздуха в циклоне в общем понижается, а температурный контраст между передней и тыловой частью более или менее сглаживается: высокий циклон является в общем холодной областью тропосферы. Возможно и проникновение циклона в стратосферу.

 Тропопауза над хорошо развитым циклоном прогнута вниз в виде воронки; сначала понижение тропопаузы наблюдается над холодной тыловой (западной) частью циклона, а потом, когда циклон становится холодным во всей своей области, снижение тропопаузы наблюдается над всем циклоном. Температура нижней стратосферы над циклоном при этом повышена.

 Таким образом, в хорошо развитом высоком циклоне наблюдается над холодной тропосферой низко начинающаяся теплая стратосфера.

 Центральные циклоны в Северном полушарии чаще всего образуются в северных частях Атлантического и Тихого океанов. На климатологических картах в этих районах отмечаются известные центру действия — Исландская и Алеутская депрессии.

и развитие антициклонов тесно связано с развитием циклонов. Это единый процесс, происходящий во фронтальной зоне, в результате которого в одном районе создается недостаток массы воздуха и возникает циклон, а в другом районе — избыток массы воздуха и возникает антициклон. Так же как и циклоны антициклоны в своем развитии проходят ряд стадий: это низкий - холодный подвижной антициклон, теплый высокий, так называемый блокирующий антициклон и разрушающийся антициклон Как правило, антициклон возникает в тылу холодного фронта, молодого циклона (в холодной воздушной массе).