Термический режим тропосферы

Распределение температур воздуха по поверхности земли (в тро­посфере), в общем виде, зависит от широтной зональности, т. е. тем­пературы пони/каются от экватора к северу и югу по направлению к полюсам. Устойчиво высокие температуры сохраняются в течение года в тропических широтах, в умеренных и полярных они под­вержены значительным сезонным колебаниям: меньшим над морем и большим над материками. Обусловлено это особенностями нагре­вания суши и моря. Для суши характерно сильное и быстрое про­гревание летом и сильное охлаждение зимой; воды океана медлен­нее и слабее нагреваются и медленнее остывают. Над ледяными щитами Гренландии и особенно Антарктиды круглый год удержи­ваются низкие отрицательные температуры. В зимние месяцы се­верного полушария центры очень низких температур возникают на северо-востоке Сибири (г. Верхоянск, Оймяконское нагорье) и над Канадой. Распределение температур воздуха является основ­ной причиной распределения давления и ветров по поверхности зем­ного шара.

Давление воздуха и образование ветров

На уровне моря при температуре 0° С 1 м³ воздуха весит 1,3 кг. На больших высотах плотность воздуха соответственно и вес его в 1 м³ уменьшаются, и все же суммарный вес всей атмосферы оказы­вается весьма значительным. На уровне моря атмосфера оказывает давление на 1 м², равное 10 333 кГ. Это давление равно давлению столба воды высотой в 10,3 м, или столбику ртути в 760 мм, и его принято считать единицей давления, т. е. 1 ат = 760 мм рт. ст. В настоящее время часто приводят давление в миллибарах: 1 мб = = 0,75 мм рт. ст.; давление в 1 ат — 1013 мб. С поднятием над уровнем моря давление падает (на небольших высотах оно па­дает на 1 мб при поднятии на 8 ж). Количество метров, на которое необходимо подняться для того, чтобы давление упало на 1 мб, называют барометрической ступенью.

137

В одной и той же точке земной поверхности давление воздуха меняется. Различают периодические (суточные, годовые) и непери­одические изменения, основной причиной которых являются нагре­вание и охлаждение воздуха (или приток теплых или холодных воз­душных масс). Летом над сильно прогретым материком давление падает, при сильном зимнем охлаждении оно повышается.

Общие сведения о динамике воздушных масс

От распределения давления зависит распределение ветров, так как воздушные массы перемещаются_из областей повышенного да-вления в области пониженного. На Земле наблюдается пояс устой­чивого низкого давления в приэкваториальных широтах и две области

повышенного давления в зонах 30—35° северных и южных широт (наибо­лее отчетливо выражены над океанами). От этих областей повышенного дав­ления к экватору дуют устойчивые ветры — пас­саты, а от 30-х широт в более высокие широ­ты направляются менее устойчивые, но достаточно отчетливо выраженные ветры западных румбов, западные ветры (рис. 35). В случае воз­никновения в полярных широтах областей высоко­го давления, где скапли­вается тяжелый холодный воздух, в область умерен­ных широт устремляются воздушные массы в виде восточных ветров. Зона контакта западных и восточных ветров характе­ризуется несколько пониженным давлением, большой подвижностью и носит название полярного фронта. Более холодным, сухими тяжелым является полярный воздух, стелющийся по подстилающей поверхности. Более теплый, влажный и легкий воздух, пришедший в виде западных ветров, поднимается вверх, наползает на холодный, при поднятии расширяется и охлаждается сам, отдает большое количество влаги, выпадающей в виде дождя и снега. В зоне полярного фронта происходят частые прорывы воздушных масс, выражающиеся то в да­леком распространении в высокие широты теплых воздушных масс, то наоборот — в распространении холодного воздуха в широты, более низкие.

158

Движущиеся воздушные массы, как и любое движущееся тело на Земле, отклоняются под действием силы Кориолиса в северном полушарии вправо, а в южном полушарии влево от направления действующей силы. В результате такого отклонения растекающиеся в стороны от центра высокого давления ветры в северном полушарии образуют систему, вращающуюся по часовой стрелке (в южном — против часовой стрелки). Направляющиеся к центру низкого да­вления ветры образуют систему с общим движением против часовой стрелки в северном полушарии и с обратным движением в южном.

Система, у которой в центре давление понижено, называется ц и к л о-ном, если же в центре давление повышено, — а н т и ц и к л о -н о м (рис. 36).

Упрощенная и обобщенная схема распределения ветров у по­верхности земли представлена на рис. 35. В природе циркуляция воздушных масс отличается большой сложностью и изучение ее за­кономерностей еще не завершено. Крупные нарушения в схему распределения ветров вносит неравномерное нагревание и охлажде­ние подстилающей поверхности, часто приводящее к возникновению местных ветров.

Местные ветры охватывают незначительные территории, отличаются малой устойчивостью. К ним относятся, например, бере­говые бризы (рис. 37), возникающие на берегах морей и крупных озер. Днем ветер направлен с более прохладного моря на сильно нагретую сушу, ночью — с остывшей суши на теплое море. В горах распространены горно-долинные ветры (горные бризы), дующие днем из долин в сторону сильно нагретых солнцем горных склонов, а ночью с холодных горных вершин в долины. В условиях горного рельефа возникают фены и бора. Обусловлены они разностью да-вления воздуха по сторонам горного хребта и переходом воздуха через горные перевалы. При этом происходит изменение темпе­ратуры воздушной массы, на наветренном склоне выпадают оса­дки, на подветренном — может сильно повыситься температура,

159

возникнуть сильный ветер. Схема фена представлена на рис. 38 *; бора является холодной разновидностью фена.

Крупные нарушения схемы циркуляции атмосферы возникают в связи с неравномерным нагреванием и охлаждением моря и боль­ших материковых масс. В летние месяцы относительно холодный и влажньй воздух с моря устрем-ляется в стopoнy сильно нагретой суши, над которой формируются мощные облачные системы и выпа­дают обильные осадки. Зимой направление меняется: холодные массы воздуха стекают к более теплому морю. Ветры этого типа называются муссонами.

Смена направлений ветра про-исходит при развитии и прохожде­нии циклонов и антициклонов. При циклоне происходит вторжение

тедлых и влажных масс на территорию, занятую до этого более холодным и сухим воздухом (рис. 39). Вторгающийся теплый воз­дух оттесняет холодные массы и частично наползает на них по по­лого наклоненной границе раздела (теплый фронт). При поднятии он охлаждается, водяные пары конденси­руются, возникает сплош­ная облачность и выпадают осадки. Выделяющаяся при конденсации скрытая теплота парообразования частично передается приземному слою холодного воздуха, темпера­тура его несколько повы­шается. Поскольку у места встречи холодных и теплых масс происходит потепление, особенно заметное зимой, границу раздела, на которой развивается этот процесс, принято называть теплым фронтом циклона.

* При поднятии влажный воздух расширяется и охлаждается на 0,5—• 0,6° С на каждые 100 м поднятия, а опускаясь на те же 100 м, сжимается и на­гревается на 1° С. Разность в охлаждении и нагревании обусловлена тем, что при охлаждении происходит конденсация водяного пара и выделение в воздух скрытой теплоты парообразования.

160

Вторгшиеся теплые массы воздуха захватывают ограниченную, хотя иногда и очень обширную территорию. Оттесненный холод­ный воздух обтекает ее (см. схему) и заходит в тыл вторг­шимся теплым массам, оттесняет их и частично смешивается с ними. Возникающая здесь граница раздела получила назва­ние холодного фронта циклона, так как прохождение ее сопровождается резким падением температуры, порывистыми ветра­ми, шквалистыми (проходящими при резких порывах ветра) осадками.

В умеренных широтах северного полушария, где большинство циклонов развивается в результате вторжения воздушных масс зоны западных ветров, общее смещение циклонов происходит с запада (точнее — с западных румбов) на восток. В силу этого на теплом фронте преобладают встречные движения теплых и холодных масс, а на холодном — согласованные. Здесь на место уходящего теплого воздуха приходит холодный, фронт имеет небольшую ширину и быстро продвигается к востоку, постепенно догоняя медленно двигающийся теплый фронт. Через некоторое время фронты сбли­жаются и, наконец, смыкаются. Смыкание происходит раньше у по­верхности земли, подтекающие холодные массы сливаются вместе и вытесняют вверх более легкие теплые массы воздуха. Этот про­цесс называют оклюзией; он знаменует собой рассасывание циклона. При оклюзии теплые массы воздуха находятся еще на не­которой высоте над землей, продолжают охлаждаться, что сопро­вождается сплошной облачностью и выпадением осадков, но призем­ные слои остаются холодными. Из приведенной схемы описания циклона видно, что его прохождение будет сопровождаться неустойчи­вой погодой, большой облачностью и выпадением осадков, сменой направления ветров, образующих систему с общим движением про­тив часовой стрелки вокруг центра циклона (в северном полушарии). В тропических и субтропических широтах над сильно прогретыми водами Мирового океана возникают циклональные системы с огром­ными (до 200—300 км/час) скоростями ветров, известные под назва­нием ураганов и тайфунов.

Антициклональные системы противоположны циклонам и возни­кают в умеренных широтах при прорывах холодных масс воздуха (обычно в тылу циклона). В антициклоне воздух опускается к земле и растекается у ее поверхности в разные стороны. Антициклоны более устойчивые образования, чем циклоны, и удерживаются над за­нятой ими территорией многие недели, тогда как циклоны переме­щаются быстро. При антициклонах осадков (дождь, снег) не вы­падает.

Влажность воздуха, образование облачности и осадков

Содержание в воздухе водяных паров находится в прямой зави­симости от температуры. При температуре воздуха —30 в 1 м³ его может содержаться всего 0,38 г водяных паров (предельное насыще­ние), при температуре — 10° уже 2,15 г/м³, при 0° до 4,57 г/м³, при +10° до 9,14 г/м³, при +30° до 31,51 г/м³. Насыщенный водяными

161,

парами воздух при понижении температуры перенасыщается, избы­ток водяного пара должен выделиться, конденсироваться (превратиться в капельки воды) и выпасть в виде осадков. При этом из теплого воздуха, даже при небольшом охлаждении, выделится осадков больше, чем из холодного, что можно видеть из приведенных выше цифр. (При охлаждении воздуха от +30° до +10° из него должно выделиться 22,37 г воды из каждого куби­ческого метра, а при охлаждении от — 10° до — 30° выделится всего 1,77 г.) При отрицательных температурах выделение избытка влаги из воздуха возможно путем сублимации- прямого перехода из парообразной фазы в твердую (снег, лед).

. Охлаждение воздуха происходит при его поднятии вверх, при встрече и смешивании с холодным воздухом и путем излучения тепла в мировое пространство. При охлаждении воздуха водяные пары достигают точки насыщения и должна начаться конденсация или суб­лимация. Однако в чистом воздухе температура может сильно по­нижаться, водяные пары будут находиться в переохлажденном со­стоянии, но конденсации происходить не будет. Для конденсации и сублимации необходимо наличие твердых частичек (пыль, кристал­лики соли и т. д.). Конденсация наступает легче на пористых частич­ках и на частичках, несущих электрический заряд. На нейтральных частичках и молекулах воздуха конденсация наступает только в слу­чае сильного перенасыщения. Наглядно конденсацию можно наблю­дать ясными летними ночами при образовании тумана. Возникает он в результате охлаждения приземных слоев воздуха, соприкасающихся с быстро остывающей сушей. Этот тип туманов называется радиаци­онным (туман излучения) в отличие от адвективных туманов, обра­зующихся при притоке теплых воздушных масс, движущихся над хо­лодной поверхностью. Если конденсация (или сублимация) проис­ходит на некоторой высоте над поверхностью земли, то образуются облака. При положительных температурах облака состоят из мел­ких водяных капелек, при низких отрицательных температурах (ниже минус 18—20°) — из кристалликов льда, при отрицательных (минус 7—18°) — из смеси водяных капель и кристалликов льда. Формы облаков очень разнообразны, но различают основные четыре типа: облака перистые, слоистые, кучевые и дождевые. Дальнейшее уточ­нение характеристики облачного слоя делается путем указания высоты (например, высокие и низкие кучевые облака), сочетанием основных названий (например, слоистодождевые) и т. д. По между­народной классификации облака подразделяют на высокие, находящиеся выше 6 км. К ним относятся перистые, перистокуче-вые и перистослоистые; средние — высота 2—6 км: высококу­чевые и высокослоистые; низкие — обычно высота меньше 2 км: слоистодождевые, слоистые и слоистокучевые и облака вер­тикального развития. Эти облака имеют основание, расположенное обычно на уровне низких облаков, но могут быть развиты до уровня средних и даже высоких облаков. К этим облакам относятся кучевые, ливневые и грозовые облака.

162

Виды осадков и их распределение по земной поверхности

Осадки выпадают в виде дождя, снега, крупы, града. Необхо­димым условием для выпадения осадков является увеличение ка­пель или кристалликов льда до таких размеров, при которых эти образования уже не могут удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии. Такие условия в облачных системах разного типа воз­никают тогда, когда действующие в этой системе воздушные течения, особенно восходящие воздушные токи, оказываются недостаточными для поддержания растущих капель. Поскольку наиболее сильные восходящие токи развиваются в жаркое время года, постольку именно летом возникают мощные облачные системы, несущие ливни и град. Количество осадков выражается толщиной слоя воды в мил­лиметрах. Если осадки выпадают в виде снега, то их переводят в воду и затем измеряют полученный слой воды.

В распределении облачности и осадков по земной поверхности намечаются некоторые закономерности, обусловленные общей цир­куляцией атмосферы, распределением суши и моря, действием мор­ских течений, рельефом и т. д. Приэкваториальный пояс низкого давления и мощных восходящих токов воздуха характеризуется большим количеством осадков (1000—2000 мм в год и более). К се­веру и югу от экватора количество осадков постепенно падает и в субтропической зоне высокого давления достигает низкого зна­чения (менее 250 мм/год), возрастая вновь в умеренных широтах (500—1000 мм/год). В полярных областях количество осадков вновь уменьшается до 300—100 мм/год. Эта закономерность нарушена там, где схема циркуляции атмосферы осложнена муссонами, где на пути влажных ветров стоят мощные горные системы. Примером могут служить южные склоны Гималаев, где в период летних муссонов выпадает более 2000—3000 мм, достигая в горах Шелонгского на­горья (Чаррапунжда) более 12 000 мм. Большое количество осадков (в ряде случаев более 12 000 мм/год) выпадает на гористых островах.

Количество осадков имеет важное, часто определяющее, значение в развитии того или иного комплекса экзогенных процессов, оказы-, вает огромное влияние на растительный и животный мир, на условия жизни и хозяйственной деятельности человека. При этом важное значение имеет не только количество, но также время и форма выпа­дения осадков. Для многих частей территории СССР, имеющих кон­тинентальный климат, характерен летний максимум, совпадающий с периодом гроз и ливневых осадков, для ряда районов Средней Азии характерны весенние дожди. В умеренных и низких широтах осадки выпадают зимой в виде снега (в высоких горах снег идет и ле­том), который накапливается большими массами, а весной (в высоких горах и летом) быстро тает. Такая аккумуляция осадков и продол­жительное сохранение их в твердом виде с последующим быстрым переходом в жидкую фазу оказывает большое влияние на развитие природных процессов.

163.