Тема 3: Барическое поле и ветер. Вода в атмосфере. Барическое поле и ветер.

Важным элементом погоды, обуславливающим циркуляцию атмосферы на Земле, является атмосферное давление. Воздушная оболочка оказывает давление на все предметы, которые находятся в ней, и на земную поверхность в целом. В каждой точке давление определяется массой вышележащего воздуха. Следовательно, величина атмосферного давления зависит от высоты столба воздуха над точкой измерения и плотности самого воздуха.

Из курса общей физики известно, что всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки. Давление представляет собой результирующую силу ударов молекул об эти стенки, вила направлена нормально (перпендикулярно к стенке). Числовое значение (модуль) этой силы F, отнесенной к площади S, и называют давлением. Следовательно, давление есть сила, приходящаяся на единицу площади, направленная перпендикулярно к ней:

p = F / S .

В каждой точке атмосферы имеется определенное атмосферное давление, или давление воздуха.

В СИ (Международная система единиц) давление измеряется в паскалях (Па). Один паскаль - это давление силой в 1 ньютон (Н), приходящееся на площадь 1 м² (1 Па = 1 Н м^-2). В метеорологии до недавнего времени использовалась единица давления, называвшаяся миллибаром (мбар), которая представляет давление силой в 10³ дин, приходящееся на 1 см²; 1 мбар = 100 Па = 1 гПа; 1 гПа = 10²Па.

Следовательно, один миллибар равен ста паскалям, или одному гектопаскалю. Эта единица давления и принята сейчас в метеорологии.

Атмосферное давление измеряется в паскалях или миллиметрах ртутного столба. Его величина зависит от высоты над уровнем моря и температуры. За нормальное принимают атмосферное давление на широте 45⁰ на уровне моря при температуре 0⁰С. Оно равняется 1 013,25 гПа (760 мм рт. ст.).

Для перевода давления из миллиметров ртутного столба в гектопаскали и наоборот используют соотношение между этими единицами измерения:

1 мм рт. ст. = 1,33 гПа или 1 гПа = 0, 75 мм рт.ст.

На метеостанциях в настоящее время атмосферное давление измеряется в гектопаскалях. В связи с тем, что метеостанции расположены на разных абсолютных высотах, результаты измерения атмосферного давления на них приводят к уровню моря, а затем их используют для сравнения и построения синоптических и климатических карт.

С высотой атмосферное давление уменьшается, потому что уменьшается столб воздуха над точкой его измерения.

Изменение атмосферного давления с высотой

Высота, км:	0	10	20	30	40	50
Атмосферное давление, гПа:	1013	280	54,4	12,4	3,1	0,9

У верхней границы стратосферы атмосферное давление составляет всего 0,9 гПа, т.е. менее одной тысячной давления на уровне моря.

Изменение давления с высотой характеризуется барической ступенью. Она показывает расстояние в метрах по вертикали, на котором атмосферное давление уменьшается вверх или увеличивается вниз на единицу давления. На уровне моря барическая ступень равна 8 м на 1 гПа, или 10,5 м на 1 мм ртутного столба. С высотой барическая ступень сильно увеличивается, так как падение давления замедляется. Величина барической ступени зависит также от температуры воздуха. С повышением температуры на 1⁰С она увеличивается на 0,4 %. Величину барической ступени учитывают при барометрическом нивелировании.

Атмосферное давление непрерывно меняется во времени и в пространстве. Главная причина его изменения – это неравномерное нагревание и охлаждение воздуха. При нагревании воздуха и растекании его в стороны давление уменьшается. Понижение температуры воздуха вызывает его уплотнение, приток с соседних территорий и увеличение давления.

Уравнение статики атмосферы

dp = -g  dz.

Уравнение статики атмосферы показывает, как меняется давление при малом приросте высоты.

Основное уравнение статики можно написать еще так:

(-1/)(dp/dz) - g = 0

Основное уравнение статики выражает условие равновесия между двумя силами, действующими на единицу массы воздуха по вертикали, - вертикальным барическим градиентом и силой тяжести.

Барическая ступень

Напишем основное уравнение статики

dp = -(gdz)/(R_dT_m)

в иной форме:

- (dz/dp) = (R_dT_m) / g .

Выражение -(dz/dp) называется барической ступенью (или барометрической ступенью). Следовательно, барическая ступень - это приращение высоты, в пределах которого давление падает на единицу. Барическая ступень - величина, обратная вертикальному барическому градиенту -(dp/dz) . Из формулы видно, что барическая ступень прямо пропорциональна температуре воздуха и обратно пропорциональна давлению. При одном и том же давлении барическая ступень тем больше, чем выше температура. Чем больше высота и чем, следовательно, ниже давление, тем больше барическая ступень.

Суточные колебания давления воздуха выражены слабо и выражены на ограниченных участках земной поверхности, потому что нагревшийся в дневные часы воздух не успевает растекаться на соседние территории. Расширяясь, он в основном сохраняет свое воздействие на земную поверхность, над которой находится. Сезонные колебания атмосферного давления выражены хорошо, так как длительный нагрев больших воздушных масс обуславливает их подъем, растекание на соседние участки земной поверхности и понижение давления в районах устойчивого прогрева. И наоборот, при длительном охлаждении воздушных масс уменьшается объем воздуха, увеличивается его плотность, и возникают очаги повышенного давления.

В тропосфере чередуются области высокого и низкого атмосферного давления, которые называются барическими системами. Системы, имеющие в центральной части наименьшее давление, являются областями низкого давления, или барическими минимумами, а имеющие наибольшее давление – областями высокого давления, или барическими максимумами.

Распределение атмосферного давления на земном шаре имеет четко выраженную зональность.

По обе стороны от экватора в полосе шириной около 10⁰ преобладает в течение года низкое атмосферное давление (1000 – 1008 гПа). Оно объясняется поступлением огромного количества тепла от Солнца, сильным нагреванием воздуха, его поднятием и растеканием в более высокие широты.

В тропических и субтропических поясах постоянно сохраняется высокое давление (1022 – 1026 гПа). В северном полушарии особенно выделяются Азорский и Гавайский максимумы, а в Южном – Южно- Атлантический, Южно – Индийский и Южно – Тихоокеанский.

В умеренных широтах северного и южного полушарий наблюдаются минимумы атмосферного давления, но они менее выражены, чем в экваториальном поясе. В южном полушарии пояс низкого давления проходит в основном над однородной поверхностью Мирового океана и сохраняется в течение года. В северном полушарии низкое наблюдается постоянно над океанами: Исландский минимум в Северной Атлантике и Алеутский минимум в Тихом океане. Над материками в умеренных широтах минимумы атмосферного давления возникают летом в результате значительного нагревания воздуха, его подъема и растекания на прилегающие территории. Зимой материки сильно охлаждаются, и над ними формируются плотные, холодные воздушные массы с очень высоким атмосферным давлением. Так, над Азией летом наблюдается низкое давление (994 гПа), которое зимой сменяется обширной областью высокого давления (1040 гПа) – Азиатским (Сибирским) максимумом с центром над Монголией.

Над полярными областями земного шара постоянно преобладают низкие температуры. Они обеспечивают существование там областей высокого давления.

В зависимости от высоты Солнца над горизонтом и количества поступающего тепла на земную поверхность пояса высокого и низкого атмосферного давления над океаном несколько смещаются к северу и югу по сезонам года, а над материками наблюдается даже смена летнего барического минимума на зимний максимум.

Постоянные и сезонные пояса и области высокого и низкого давления называются центрами действия атмосферы. Они располагаются на обширных территориях и оказывают огромное влияние на формирование их климата.

Атмосферное давление отображается на картах изобарами – линиями, соединяющими точки земной поверхности с одинаковым давлением. На синоптических картах изобарами показывают атмосферное давление на определенное время – время наблюдения. На климатические карты наносят средние многолетние показатели атмосферного давления по сезонам года, обычно января и июля.

Ветер, его скорость, направление, влияние трения на ветер. Сила Кориолиса.

Движение воздуха относительно земной поверхности называется ветром. Ветер хара

ктеризуется вектором скорости. Следовательно, ветер определяется скоростью и направлением. Когда говорят о скорости ветра, имеют в виду только числовое ее значение, т. е. путь, проходимый индивидуальным объемом воздуха за единицу времени относительно земной поверхности. Направлением вектора скорости называется направлением ветра. За направление ветра принимается азимут точки, откуда дует ветер, отсчитываемый от точки севера через восток.

Скорость ветра выражается в метрах в секунду (м/с). При обслуживании авиации скорость ветра выражают в километрах в час (км/ч) а при обслуживании морского флота - в узлах, т. е. в морских милях в час. Чтобы перевести скорость ветра из метров в секунду в узлы, достаточно умножить число метров в секунду на 2.

Ветер возникает из-за неравномерного распределения атмосферного давления, т. е. благодаря существованию горизонтальных разностей давления.

Мерой неравномерности давления является горизонтальный барический градиент (-др/дn). Воздух стремится двигаться от высокого давления к низкому по наиболее короткому пути, т. е. по нормали к изобаре, а это и есть направление барического градиента. При этом воздух получает ускорение тем больше, чем больше барический градиент. Следовательно, барический градиент есть сила, сообщающая воздуху ускорение, т. е. вызывающая ветер и меняющая его направление.

Тело, движущееся во вращающейся системе координат, получает относительно этой системы поворотное ускорение, или ускорение Кориолиса, направленное под прямым углом к скорости. Таким образом, поворотное ускорение не меняет модуль скорости, а только меняет направление скорости, т. е. направление движения.

Горизонтальная составляющая поворотного ускорения на вращающейся Земле имеет вид

А = 2  v sin ,

где  - угловая скорость вращения Земли,  - географическая широта и v - скорость ветра. Эта составляющая направлена под прямым углом к скорости ветра вправо в Северном полушарии и влево - в Южном.

ГЕОСТРОФИЧЕСКИЙ ВЕТЕР

При геострофическом движении вектор силы градиента и вектор силы Кориолиса равны по модулю и направлены взаимно противоположно, а воздух совершает равномерное и прямолинейное движение. Отклоняющая сила вращения Земли в Северном полушарии направлена вправо под прямым углом к направлению скорости движения частицы воздуха; следовательно, сила градиента давления должна быть направлена под прямым углом влево от направления скорости движения и равна по величине отклоняющей силе. Сила градиента давления направлена по нормали к изобаре, следовательно, под прямым углом к силе градиент давления лежит изобара. Это значит, что скорость геострофического ветра направлена вдоль изобар, оставляя в Северном полушарии низкое давление слева.

Для скорости геострофического ветра получим выражение

v_g = (-1/2  sin )  (др/дn).

Это выражение показывает, что скорость геострофического ветра прямо пропорциональна барическому градиенту. Чем больше градиент, т. е. чем гуще проходят изобары, тем сильнее ветер.

СИЛА ТРЕНИЯ

Движущийся воздуха испытывает трение о земную поверхность. Можно говорить о силе трения в атмосфере, которая сообщает уже существующему в атмосфере движению отрицательное ускорение, т. е. замедляет движение воздуха, а также меняет его направление.

Влияние трения о земную поверхность с высотой будет уменьшаться и на уровне около 1000 м сила трения становится незначительной по сравнению с другими силами, действующими на движение воздуха.

Скорость ветра уменьшается вследствие трения настолько, что у земной поверхности (на высоте флюгера) над сушей она примерно вдвое меньше, чем скорость геострофического ветра.

Сила трения влияет на направление ветра. У земной поверхности ветер отклоняется от изобар на угол 15-30°.

БАРИЧЕСКИЙ ЗАКОН ВЕТРА

Если в Северном полушарии встать спиной к ветру, а лицом туда, кода дует ветер, то наиболее низкое давление окажется слева и несколько впереди, а наиболее высокое давление справа и несколько позади.