Движение воздуха

Воздух движется непрерывно: он поднимается (восходящее движение), опускается (нисходящее движение) и перемещается в горизонтальном направлении (ветер).

Ветер – перемещение масс воздуха в горизонтальном направлении из областей высокого давления в области низкого. Характеризуется скоростью, силой и направлением.

Скорость ветра измеряется в м/с или в баллах (1 балл — приблизительно 2 м/с). Скорость ветра зависит от разницы давлений.

Направление ветра определяется той стороной горизонта, с которой дует ветер (северный, северо-западный, западный и т.д.). Направление зависит от распределения давления и от отклоняющего действия вращения Земли (ускорения Кориолиса). Воздух стремится перемещаться от большего давления к меньшему по кратчайшему пути, отклоняясь влево в Южном полушарии и вправо — в Северном. При этом на экваторе отклонение отсутствует, а чем ближе к полюсам, тем оно больше.

Ветры у земной поверхности различают по происхождению: местные ветры; ветры циклонов и антициклонов; муссоны; ветры общей циркуляции атмосферы.

Местные ветры: возникают в зависимости от местных условий (рельеф, растительность, водоемы)

• Бризы дуют днем с водоема (море, озеро, большая река) на берег, ночью, наоборот, с берега на водоем. Они могут возникать также на опушке леса, на окраине города. В горах ветер днем дует вверх по склонам и по дну долины, ночью, наоборот, вниз.

• Фён - теплый, сухой и порывистый ветер с гор. Он дует, когда по одну сторону хребта давление ниже, чем по другую.

• Бора - сильный, холодный, порывистый ветер. Образуется в том случае, когда холодный воздух устремляется через невысокие хребты к теплому морю.

Ветры циклонов и антициклонов

0бширная (диаметром в несколько сотен, а то и тысяч километров) область пониженного давления воздуха называется циклоном, область повышенного давления — антициклоном.

Циклоны и антициклоны могут перемещаться над поверхностью Земли и приводят к изменению погоды.

Циклон характеризуется системой ветров, направленных к центру, но под действием ускорения Кориолиса ветры приобретают направление против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном. В центральной части циклона наблюдаются интенсивные восходящие потоки воздуха. Воздушные массы поднимаются вверх, остывают, встречаясь с более холодными слоями атмосферы, и выпадают осадки. В центре циклона очень значительная облачность. Циклон способствует наступлению влажной погоды, зимой теплой, летом прохладной.

Циклон образуется следующим образом: при неровной границе атмосферного фронта плотный холодный воздух на каком-то участке оттесняет часть теплого воздуха назад. Повернув вспять и противостоя общему движению теплой воздушной массы, эта часть с повышением атмосферного давления вынуждена отклоняться в сторону и завихряться. При этом возникает эллипсоидное вращение воздуха, уплотненного по периферии, во внутренней части с повышенной температурой. Этот вихрь охватывает всю прифронтовую часть теплой воздушной массы, постепенно втягивая всю ее во вращение. Циклон передвигается со скоростью 30-50 км в час в большинстве случаев с запада на восток, согласно вращению 3емли. Диаметр циклона обычно 1000-2000 км, высота — от 2 до 20 км. Циклон может существовать только до тех пор, пока в слоях атмосферы происходит отток поднявшегося воздуха.

С возникновением циклона резко меняется погода. Усиливается ветер, так как в центре циклона низкое давление и, следовательно, сюда будут дуть ветры. Циклон обязательно связан с выпадением осадков, так как в его центре воздух теплый, а окружающий холодный воздух старается его вытеснить, поэтому и образуются восходящие потоки воздуха.

Циклонов обычно возникает в году до нескольких сотен, и они становятся главным звеном в общей циркуляции атмосферы чаще всего в полярных и умеренных широтах. Вихри, образующиеся вокруг центров пониженного давления, между 5° и 20° широтами в каждом полушарии, называются тропическими циклонами. Они отличаются от циклонов умеренных широт меньшими размерами (диаметр их не превосходит 1000 км) и значительно большей скоростью ветра. Скорость перемещения тропического циклона — 10-12 км/ч. Причина их возникновения еще недостаточно ясна.

Во всей системе тропического циклона воздух поднимается, и только в его центре существует нисходящее движение. Этим объясняется тот факт, что в центре тропического циклона, диаметр которого 18-55 км, тихо и можно видеть чистое небо, тогда как для всей системы типична ненастная погода с ураганными ветрами, сильнейшими ливнями и грозами. Центр тропического циклона называется «глазом бури». Особенно характерны ветры и ливневые осадки для зоны, непосредственно примыкающей к «глазу бури».

Существует несколько очагов наиболее частого за_: рождения тропических циклонов: в Атлантическом океане — Карибское море и Мексиканский залив; здесь тропические циклоны называют ураганами. Больше всего тропических циклонов возникает над Тихим океаном; у юго-восточных берегов Азии возникает в среднем 20 циклонов в год. 3десь их называют тайфунами. Третье место по количеству тропических циклонов занимает Индийский океан.

Образовавшиеся тропические циклоны в Северном полушарии движутся сначала на северо-запад, а затем на широте 25-30° поворачивают на северо-восток. Приходя в умеренные широты, тропические циклоны часто затухают.

В центральной части циклона может образоваться сильнейший атмосферный вихрь, который называется смерчем. При вращении воздуха со скоростью 100 м в секунду создается воздушная воронка диаметром не менее 200 метров с разреженным внутри нее воздухом. Центробежные силы отгоняют к периферии воронки тяжелые капли воды и града, которые создают ее «стенки» толщиной 10-20 метров. Утяжеление такой воронки заставляет ее спускаться с высоты 1,5-2 км до земли в виде пустотелого столба. Присасываясь к земле, это образование, несущееся со скоростью курьерского поезда, своей уплотненной дожде-градовой оболочкой сметает все на своем пути.

Смерчи, проносящиеся над сушей, называются тромбами (в Северной Америке — торнадо). Они иногда поднимают в воздух дома вместе с жителями, перенося их на некоторое расстояние. По статистике ежегодно от смерча погибает в среднем 400 человек. В нашей стране самый памятный смерч обрушился на Ивановскую и Костромскую области в 1984 году. Он переворачивал подъемные краны, поднимал в воздух автомобили и вагоны, разрушал постройки, ломал деревья. Его диаметр достигал 2 км. Смерч бушует от нескольких секунд до нескольких часов. Предсказать смерч сегодня практически невозможно.

Антициклон - это атмосферный вихрь, в котором все иначе, чем в его антиподе - циклоне. Воздушная спираль раскручивается в Северном полушарии по часовой стрелке, в Южном - против часовой стрелки. В циклоне воздух не поднимается, а опускается, и, как правило, он достаточно сухой. Поэтому погода в этот период всегда ясная, сухая, малооблачная. Температура летом высокая, погода жаркая, зима - морозная. Атмосферные фронты, в отличие от циклонов, никогда не бывают в центре антициклонов. В центре антициклона стоит штиль. В области этого атмосферного вихря, в отличие от циклона, заметны колебания температуры в течение суток. Особенно они велики на материках: в Центральной России день нередко теплее ночи на 10°-15°С, в Сахаре после дневной температуры, равной 40°С, возможны ночные заморозки. Все это можно объяснить отсутствием осадков, оказывающих смягчающее влияние на климат местности.

Антициклоны, в отличие от циклонов, образуются при вторжении холодных воздушных масс в теплые. Так же как и циклоны, антициклоны перемещаются со скоростью 30 км/час с запада на восток, отклоняясь к юго-востоку.

Главные области формирования антициклонов - субтропические и приполярные широты.

Антициклоны способствуют возникновению круговых океанических течений: в Северном полушарии по часовой стрелке, а в Южном полушарии - против часовой стрелки.

Муссоны – переменные ветры, возникающие в системе материк – океан.

На границе материков и океанов ветры зимой дуют с материка на океан, летом, наоборот, с океана на материк. Эти муссонные ветры особенно хорошо выражены в умеренных широтах, где разница в температуре зимы и лета велика.

Ветры общей циркуляции атмосферы – ветры, вызванные общим зональным распределением давления атмосферы.

Распределение атмосферного давления определяет направление ветров, господствующих в нижней тропосфере на разных широтах. От тропических поясов повышенного давления в каждом полушарии воздух направляется с одной стороны к экватору, с другой - к умеренным широтам. При этом он отклоняется под действием ускорения Кориолиса. Между тропиками и экватором дуют пассаты. Это в основном северо-восточные ветры в Северном и юго-восточные в Южном полушарии, переходящие у экватора в восточные.

Воздух, направляющийся от тропических широт в умеренные, отклоняется к востоку. Поэтому в умеренных широтах господствуют западные ветры — западный перенос воздуха.

Из высоких широт в умеренные дуют ветры с преобладанием восточной составляющей Смещение поясов высокого и низкого давления вызывает смещение поясов господствующих на разных широтах ветров. Создаются промежуточные пояса, направление ветров в которых по сезонам меняется. Это хорошо заметно у экватора, когда пояс низкого давления смещается из одного полушария в другое. В этом случае пассаты одного полушария переходят в другое, меняя по сезонам направление на противоположное. Возникают тропические (экваториальные) муссоны.

Атмосферные осадки

Вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся непосредственно из воздуха на поверхность Земли, называется атмосферными осадками.

Осадки, выпадающие из облаков, могут быть жидкими (дождь) и твердыми (снег, крупа, град). По характеру выпадения они бывают моросящими, обложными, ливневыми.

Измеряются осадки слоем воды (в мм), который образуется, если выпавшая вода не стекает и не испаряется. В среднем за год на Землю выпадает 1130 мм осадков, из них почти половина — в экваториальных широтах, где они выпадают с удивительной периодичностью: в течение суток — после полудня, в течение года — после равноденствий. В направлении от экваториальных широт к тропическим количество осадков убывает. В умеренных широтах их количество снова увеличивается, в полярных — убывает, и выпадают они там преимущественно в твердом виде.

Над океаном осадков в общем больше, чем над сушей, и зависимость их от широты выражена лучше. Нарушают ее течения: над холодными течениями осадков меньше, чем над теплыми. Много осадков на островах, особенно на наветренных склонах. На характер распределения осадков на суше влияет удаленность от океана и рельеф. Больше всего осадков на наветренных склонах гор. С высотой их количество заметно убывает. Выше снеговой линии твердые осадки не успевают таять и накапливаются в виде снежников и ледников. Твердые осадки, накапливающиеся в полярных широтах, а Зимой и в умеренных, образуют снежный покров. Обладая малой теплопроводностью, снег предохраняет почву от промерзания, а растения от гибели. В нем накапливаются запасы воды, расходуемые летом. Талые воды пополняют грунтовые воды, озера и реки, для которых в этих условиях характерны весенние разливы.

Абсолютный максимум осадков зарегистрирован на острове Гавайи (Тихий океан) — 11684 мм/год и в Черапунджи (Индия) — 26 461 мм/год. Абсолютный минимум — в пустынях Атакама и Ливийская, где осадки вообще выпадают не каждый год.

Значение атмосферных осадков огромно. Они снабжают пресной водой реки, озера, грунтовые воды. Без них жизнь и деятельность людей невозможны. В связи с загрязнением атмосферы «промывающие» ее осадки тоже загрязняются, становятся кислотными, радиоактивными. Поэтому все острее встает вопрос об охране атмосферы от загрязнения.

По количеству выпадающих осадков еще нельзя судить об обеспеченности территории влагой. Необходимо учитывать возможное испарение, то есть испаряемость, которая зависит от количества солнечного тепла: чем тепла больше, тем больше может испариться влаги, если она есть. Испаряемость может быть большой, а испарение маленьким. Например, в Сахаре испаряемость достигает 4500 мм/год, а испарение всего 100 мм/год. По соотношению испаряемости и испарения судят об увлажнении территории и определяют нормы орошения. Увлажнение = испаряемость - испарение.

Для определения увлажнения пользуются также коэффициентом увлажнения. Коэффициент увлажнения (К) — отношение суммы осадков к испаряемости вычисленных за один и тот же промежуток времени (сезон, год). Он выражается дробью или в процентах: К>1; К>100% — увлажнение избыточное; К = 1; К=100% — увлажнение нормальное (лесостепь, степь); К<1, К<100% — увлажнение недостаточное (пустыни).

По степени увлажнения выделяются влажные (гумидные) и сухие (аридные) области. Но даже в областях с достаточным увлажнением (степи и лесостепи) бывают длительные периоды с очень малым количеством осадков при высокой температуре — засухи. Катастрофические засухи продолжаются несколько лет подряд (в Африке,в Австралии). Их возникновению способствует деятельность людей, уничтожающих растительный покров.

Погода

Погода — состояние тропосферы в данной местности в данный момент или за какой-то промежуток времени (сутки, неделю, месяц).

Погода характеризуется элементами и явлениями. Элементы погоды — температура воздуха, влажность, давление.

К явлениям погоды относятся ветер, облака, атмосферные осадки. Иногда явления погоды носят необычайный и даже катастрофический характер, например ураганы, сильные грозы, ливни, засухи.

Погода характеризуется не отдельно взятыми элементами явлениями, а их совокупностью. При одинаковой температуре (высокой или низкой), но при разной влажности воздуха, с осадкам или без осадков, с ветром или без него, погода не будет одинаковой. Разным будет и ее воздействие на растения, на человека. Известно, что морозная погода без ветра переносится людьми значительно легче, чем даже менее морозная, но с сильными ветрами. Растения по-разному переносят одинаково жаркую, но влажную или сухую погоду.

Погода изменчива. Главные причины — изменение количеств; солнечного тепла, перемещение воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов. Изменения погоды в течении суток хорошо выражены в экваториальных широтах. Утром солнечные лучи начинают нагревать поверхность, от нее нагревается воздух. Усиливается испарение. Возникает сильная конвекция. В поднимающемся влажном воздухе образуются мощные кучевые облака. После полудня выпадают ливневые осадки. Вечером и ночью ясно и тихо.

В умеренных широтах закономерные изменения погоды в течение суток, зависящие от поступления солнечного тепла, часто нарушаются сменой воздушных масс, прохождением атмосферных вихрей и фронтальными процессами.

Смена циклональной и антициклональной погоды характерна для умеренных широт. В этих широтах хорошо выражены изменения погоды по сезонам. Летом погоды теплые, безморозные, в течение суток даже минимальная температура выше 0°С. Зимой погоды холодные, морозные, максимальная температура ниже 0°С. Для весны и осени характерны погоды с переходом температуры через 0°С. Это значит, что при положительной средней суточной температуре минимальная температура отрицательная, а при отрицательной — положительная. Погода с переходом через 0°С (с оттепелью) бывает и зимой. Безморозные, морозные погоды, погоды с переходом через 0°С могут быть с ветром и без ветра, облачные и безоблачные, с осадками и без осадков.

В полярных широтах весь год преобладают морозные погоды, особенно суровые у Южного полюса.

В экваториальных и тропических широтах морозных погод не бывает, там нет холодного времени года.

Предсказания погоды важны для народного хозяйства и всех областей деятельности людей. Уточнить прогноз погоды для данной территории помогают местные признаки. Срок их действия максимум 24 часа. Необходимо пользоваться не одним, а рядом признаков (изменение температуры, облачности, вид облаков, направление ветра, поведение животных и растений).

Научные предсказания погоды требуют большого количества данных, глубоких знаний и использования самой современной техники. Для того чтобы предсказать погоду, например, для Москвы на срок до трех суток, нужны данные со всего Северного полушария, а на срок 5—7 суток — со всей Земли.

Существует Всемирная служба погоды (ВСП), объединяющая Национальные службы погоды. Она имеет три мировых центра: Москва, Вашингтон и Мельбурн. Данные о состоянии атмосферы собирают и передают 10 000 метеорологических станций, 7000 морских судов, 3000 самолетов, метеоспутники, дрейфующие в океане буйковые станции. Обработка огромного количества данных стала возможной только после появления быстродействующих ЭВМ. Для составления прогнозов вычерчиваются карты погоды (синоптические) на момент наблюдений, моделируются возможные изменения состояния атмосферы (решаются гидродинамические уравнения). Анализ полученных результатов производится при непосредственном участии специалиста-синоптика, без которого составление прогноза пока невозможно. Оправдываемость прогнозов погоды тем больше, чем короче срок предсказания. Предсказания на срок до трех суток оправдываются на 87—89%. Наибольшей точностью отличаются специализированные прогнозы, например авиационные.

Климат

Климат — это многолетний режим погоды, характерный для какой-либо местности. Он проявляется в закономерной смене всех наблюдаемых в этой местности погод. Как и погода, климат зависит от количества солнечной радиации (от широты), от перемещения воздушных масс, атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов (от циркуляции атмосферы) и от свойств подстилающей поверхности.

Основные показатели климата: температура воздуха (средняя годовая, января и июля), преобладающее направление ветров, годовое количество и режим осадков. Карты, на которых нанесены показатели климата, называют климатическими, например карта распределения температуры (карта изотерм) или карта распределения осадков (карта изогнет). Существуют также карты климата, на которых выделяются пространства с более или менее одинаковыми показателями климата: климатические пояса, области и т.д. Основных климатических поясов семь: экваториальный, два тропических, два умеренных, два полярных (арктический и антарктический). В основе их выделения — тепловые пояса и пояса господства зональных типов воздушных масс.

Между основными расположены переходные климатические пояса: два субэкваториалъных, два субтропических и два субполярных. Они отличаются сменой воздушных масс: зимой господствует воздушная масса основного пояса, соседнего со стороны полюса, летом — со стороны экватора.

Экваториальный пояс — пояс господства экваториального воздуха. Преобладает его восходящее движение. Температура весь год высокая. Суточные ее колебания больше годовых. Осадков много.

Тропические пояса — пояса формирования тропических воздушных масс. Преобладает нисходящее движение воздуха. Воздух теплый (особенно летом) и сухой (особенно над материками). Господствующие ветры — пассаты.

Умеренные пояса — пояса господства воздушных масс умеренных широт. Преобладают западный перенос, фронтальные процессы, циклоны, антициклоны. Температура летом положительная, зимой — отрицательная. Годовые амплитуды ее колебаний больше суточных. Осадки преимущественно фронтальные, зимой— в твердом виде

Полярные пояса (арктический и антарктический) — пояса формирования холодных и сухих воздушных масс. Для них характерно опускание воздуха в центре областей высокого давления, преобладание отрицательных температур. Осадков мало. Постоянный снежный покров.

Для субэкваториальных поясовхарактерен летом экваториальный воздух, зимой — тропический. Соответственно погода летом такая же, как в экваториальном поясе, зимой — как в тропическом.

В пределах субтропических поясов летом тропический воздух, зимой — умеренный. Лето жаркое, сухое. Зимой выпадают осадки, связанные с фронтальными процессами. В субполярных поясах (субарктическом и субантарктическом) зимой арктический (антарктический) воздух, летом — умеренный. Лето значительно теплее зимы. Со слабыми, непродолжительными осадками. Зима суровая, сухая.

В одном и том же поясе климат на океане и на материке неодинаков. Соответственно выделяются материковые и морские (океанические) климаты. Они различаются годовыми амплитудами колебания температуры и количеством осадков. Эти различия резко проявляются в тех поясах, где есть суша и хорошо выражены сезоны года: в тропических, субтропических, умеренных Северного полушария, субарктических. В экваториальном, субэкваториальном, умеренном Южного полушария, субантарктическом полярных поясах различия эти слабо выражены. Климат Антарктиды полностью материковый, Арктики, за исключением Гренландии и крупных островов, — океанический. На границе материков и океанов, там, где по сезонам ветры изменяют направление почти на противоположное (зимой с суши, летом с океана), господствует муссонный климат. Его характеризует теплое, дождливое лето и холодная, сухая зима. Особенно хорошо этот климат выражен на востоке Евразии, на границе с Тихим океаном.

На материках на климат влияет рельеф. В горах чем выше, тем холоднее. Даже на экваторе вершины гор покрыты снегом. В поднимающемся по склонам воздухе количество осадков сначала увеличивается, а затем, когда влага выпадает, начинает убывать. Поэтому для гор характерна высотная поясность климата. Однако на любой высоте климат будет зависеть от широты. Даже в поясе вечных снегов высота Солнца и продолжительность дня такие же, как в климатическом поясе у подножия.

Климат не остается неизменным. О том, что он изменяется, свидетельствуют данные систематических инструментальных наблюдений над состоянием атмосферы почти за 200 лет. Сведения о погоде и о климате есть в летописях, в трудах ученых Древнего мира. О климате доисторического прошлого позволяют судить некоторые горные породы (коралловые известняки, каменный уголь, соли, ленточные глины и др.), формы рельефа, остатки организмов, пыльца растений. Причин изменения климата много, они накладываются друг на друга, и поэтому определить их бывает, трудно. Ясно, например, что изменение угла наклона земной оси к орбите вызывает изменение положения границ тепловых, а значит, и климатических поясов. Изменение площадей и расположения материков и океанов влечет за собой значительные изменения климатов на всей Земле. Влияют на климат сильные извержения вулканов, выбрасывающих в атмосферу огромное количество пыли, пепла и водяного пара. Растет антропогенное воздействие на климат. В процессе своей деятельности люди влияют на состояние атмосферы (увеличение содержания СО₂, запыленность, выбросы тепла и т.д.). Большое влияние на климат оказывает изменение подстилающей поверхности: сведение лесов, создание водохранилищ, орошение и осушение территории, сокращение площадей, покрытых льдом, как на суше, так и в океане.