Глава 8. Атмосфера.

Атмосфера стала более или менее понятной, когда было найдено отличие воздуха от пустоты, когда с помощью прообраза барометра была измерена нагрузка атмосферного воздуха. Вскоре были замечены возможности барометра предсказывать ветер "падением" столбика ртути. Однако идея связи между направлением ветра и градиентом давления не возникала почти 200 лет после изобретения замечательного ртутного прибора, наряду с появившимся термометром ставшим главным инструментом метеорологов.

Распределение атмосферного давления на горизонтальной плоскости называют барическим полем. Как всякое скалярное поле его можно изобразить поверхностями равных значений данного скаляра, а на плоскости линиями равных значений, то есть - изобарическими поверхностями и изобарами. Если представить себе изобарический рельеф атмосферы, пересекаемый каждой из поверхностей уровня, отсчитываемых от поверхности Мирового океана, то изобарические поверхности будут изображаться на плоскости синоптической карты в виде линий изобар. На хорошо знакомым всем картах барической топографии особенно наглядно изображаются замкнутые области низкого и высокого атмосферного давления, которые характеризуют соответственно циклоны и антициклоны.

Воздушные массы тропосферы, характеризуемые циклоническими и антициклоническими схемами, разделяются климатологическими фронтами, представляющими собой средние положения главных фронтов в разные сезоны. Главные фронты возникают, перемещаются и размываются в связи с активной циклонической деятельностью атмосферы.

В северном полушарии специалисты выделяют два арктических фронта (на севере Атлантики и Евразии и на севере Америки), цепь полярных фронтов, отделяющих воздух умеренных широт от тропического, пассатные фронты, разделяющие массы тропического воздуха, и тропические фронты, сливающиеся в один общий фронт, который в самом зимнем для северян месяце январе смещается в сторону южного полушария.

Атмосферные циклоны проходят следующие стадии: 1) начальную, которая связана с волновой деформацией поверхности раздела тёплой и холодной воздушных масс; 2) молодого циклона, характеризуемую наличием тёплого сектора; 3) окклюдированного циклона, когда холодный фронт, двигающийся быстрее, догоняет тёплый фронт, замыкает тёплый сектор и возникает фронт окклюзии, 4) затухания - от начала «заполнения» (нивелирование контрастной разницы атмосферного давления между центром циклона и его периферией) до полного исчезновения циклона.

Помимо фронтальных циклонов, которые наблюдаются главным образом в умеренных широтах, бывают и нефронтальные циклоны, возникающие в одной воздушной массе: а) термические, б) полярные, г) орографические и д) тропические (ураганы, тайфуны, вилли-вилли). В средних широтах над Атлантикой наблюдаются океанские быстро «углубляющиеся» полярнофронтальные циклоны, называемые метеорологическими бомбами. Падение давления в них превышает 1 гПа/час. Эти атмосферные образования связывают с "глубокими" вихрями, возникающими в нижней тропосфере, при этом отмечается, что они сходны с тропическими ураганами и случаются в холодные периоды года, т. е. в сезоны наибольшей активности энерго- и влагообмена между океаном и атмосферой.

Выделяют ещё центральные циклоны (обширные, глубокие, малоподвижные и устойчивые, прослеживающиеся до самого верха тропосферы), которые обычно имеют несколько центров низкого давления, объединённых общей барической депрессией. Серии циклонов, возникающих на одном и том же главном (полярном или арктическом) фронте, способствуют активному междуширотному обмену воздуха в общей циркуляции атмосферы.

Антициклоны бывают подвижные и стационарные. Стадии развития антициклона: 1 - молодой антициклон - возникает у поверхности земли между двумя циклонами и имеет вид гребня высокого давления, сформированного в холодном воздухе; 2 - антициклон, достигший максимального развития - нисходящие движения воздуха становятся значительными, особенно над областью роста давления и 3 - разрушающийся, старый антициклон - давление уменьшается, сокращается количество замкнутых изобар, антициклон становится малоподвижным, термически симметричным высоким барическим образованием.

На обращённых к экватору перифериях субтропических антициклонов наблюдаются пассаты - круглогодично устойчивые северо-восточные в северном и юго-восточные в южном полушарии ветры, захватывающие большие пространства океанов между 25-30 ° широты и экватором. Пассаты двух полушарий сходятся (конвергируют) во внутритропической зоне конвергенции. Антипассаты - западные ветры, дующие там, где пассаты ограничены по высоте.

Муссоны - воздушные течения, характеризующиеся высокой повторяемостью почти противоположно направленных ветров в течение зимнего и летнего сезонов. Естественные полугодовые смещения экваториальной депрессии становятся причиной смены направлений зимнего и летнего тропических муссонов. Внетропические муссоны связаны с сезонным широтным перемещением субтропических антициклонов и внетропических депрессий (области низкого давления), а также с преобладанием над материками зимой антициклонов и летом - депрессий.

Тропические циклоны (шторма, ураганы) - отличаются от внетропических меньшими размерами, редко достигающими в поперечном сечении 1000 км, значительно большими барическими градиентами, а, следовательно, скоростями ветра (50-100 км/час), обильными ливневыми осадками с сильными грозами.

Бризы - дневной (морской) бриз дует с моря на нагретое побережье, ночной (береговой) - с охлаждённого побережья на море; смена берегового бриза на морской происходит незадолго до полудня, морского на береговой - вечером. Выше нескольких сотен метров над бризом наблюдается антибриз, образующий, таким образом, замкнутую циркуляцию. В похожих на бризы своей суточной периодичностью горно-долинных ветрах ночью движение воздуха следует вниз по охлаждающимся, днём - вверх по нагревающимся горным склонам, как при конвекции в свободной атмосфере.

Ледниковые ветры - дуют вниз по леднику в горах и создаются под охлаждающим влиянием ледовой поверхности (инверсия температуры). Фён - тёплый, сухой и порывистый ветер - возникает, если на пути воздушного течения располагается орографическое препятствие и воздух поднимается по наветренному и опускается по подветренному склону. При нисходящем движении воздуха происходит адиабатическое нагревание; изменение температуры и влажности воздуха могут быть весьма быстрыми и резкими.

Бора - сильный порывистый ветер, приносящий в зимнее время значительное похолодание, наблюдается в местностях, где невысокий горный хребет граничит с морем или разделяет моря с резко различающимися воздушными массами (наиболее известна Новороссийская бора и значительно превосходящая её масштабами и продолжительностью бора западного склона архипелага Новой Земли.

Шквалы - резкое усиление ветра со сменой его направления; внутримассовые шквалы сопровождаются образованием мощных облаков конвекции, фронтальные - предфронтальных кучево-дождевых облаков.

Тромбы (торнадо) - наблюдаются в очень тёплом и влажном неустойчиво стратифицированном воздухе, вращение ветра бывает как в циклоническом, так и в антициклоническом направлениях, хотя давление в тромбе всегда резко понижено, разница его по сравнению с нормальным необыкновенно велика и достигает порядка сотни миллибар. Синонимом тромба над морем является смерч, который может возникнуть среди полного затишья и рождается в условиях особо сильной неустойчивости стратификации атмосферы в нижних слоях, и вращение воздуха в нём тоже может быть как циклоническим, так и антициклоническим.

Воздушные массы атмосферы разделяются на тёплые, холодные и местные (нейтральные), хотя последние, вовсе не привязаны к какому-либо району и бывают очень мобильными. По географическому, точнее, генетическому признаку воздушные массы определяются типами: арктический (антарктический - в южном полушарии) воздух (АВ), умеренный (УВ), полярный (ПВ), тропический (ТВ) и экваториальный (ЭВ). Горизонтальные размеры воздушных масс тропосферы находятся в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, вертикальные - от 1 до 10 км и более.

Расчленение тропосферы на воздушные массы зависит от фронтогенеза, который связывают с появлением резко выраженной градиентной зоны температуры и такого поля ветра, под воздействием которого этот градиент увеличивался бы в некоторой сравнительно узкой зоне, называемой фронтальной. К числу климатообразующих процессов относят: теплооборот, влагооборот и общую циркуляцию воздушных масс. Эти процессы взаимосвязаны и определяют режим каждого элемента климата.

Характеристики климата зависят от широты, долготы, высоты над уровнем моря, а также от особенностей распределения суши и океана, орографии поверхности суши, океанских течений, растительного, снежного и ледового покрова. Особое место занимает деятельность крупных промышленных центров, влияющих на климатообразующие процессы. Микроклимат определяют местные детали режима метеоэлементов, существенно меняющихся уже на небольших расстояниях. Микроклиматические различия зависят от мелкомасштабных различий в строении и свойствах подстилающей поверхности. Когда речь идёт о крупных объектах (побережье, город), говорят о местном климате, к проявлениям которого относят, например, бризы и горнодолиннные ветры. Наиболее привлекательным, для позитивного с точки зрения здоровой экологии отношения, представляется микроклимат леса.

Микроклимат города занимает противоположную негативную часть экологической шкалы. Загрязнение атмосферы увеличивает её мутность и тем самым до 20 % уменьшает приток солнечной радиации. Пелена пыли и дыма снижает эффективное излучение и ночное выхолаживание. Температура воздуха в городе выше, чем в сельской местности за счёт нагревания крыш и стен зданий. Испарение и влажность понижены из-за асфальтового покрытия улиц и стока воды в канализацию. Повышенная турбулентность потоков воздуха усиливает восходящую конвекцию, больше развиваются облака, наблюдается увеличение осадков над городом. В тихую антициклональную погоду наблюдается явление так называемого городского бриза: в дневное время слабые ветры направляются от окружающей местности к центру города. Очевидно, что выхлопные газы и все остальные ингредиенты городского воздуха повышают содержание ядер конденсации, поэтому туманы в городах возникают чаще и бывают интенсивнее.