книги из ГПНТБ / Чандлер Т. Воздух вокруг нас

Стадии развития волн в верхних слоях атмосферы. Граница меж ду холодным сухим полярным воздухом и теплым влажным тропиче­ ским постепенно искривляется. По мере того как образуются и разви­ ваются волны, полярный воздух проникает на юг, а тропический дви­ жется к северу. Волны в западном переносе распадаются на изолиро­ ванные ячейки теплого (с высоким давлением) и холодного (с низким

давлением) воздуха, которые со временем исчезнут.

вает. Наконец, известно, что в очень высоких широтах имеется очень небольшая полярная ячейка циркуляции, состоящая из опускающегося воздуха над полюсами и поднимающегося над умеренными широтами. Однако эта циркуляция весьма слаба и и возникающая при этом кинетическая энергия мала по сравне­ нию с энергией в пассатах.

Основную долю создаваемой в тропиках кинетической энер­ гии и скрытого тепла горизонтальные потоки воздуха в тропо­ сфере и нижней стратосфере переносят в средние и высокие ши­ роты. Самый лучший способ представить себе это явление — рассмотреть его размеры. Наибольшими являются два потока западных ветров в верхней тропосфере, которые дуют вокруг каждого полушария. Западные ветры, кроме того, участвуют в волнообразных движениях. Эти волны располагаются, как пра­ вило, в умеренных широтах и либо очень медленно движутся, либо стоят на месте. Особенно хорошо они выражены в северном полушарии. Большие горные хребты Западных Кордильер (вклю-

40

чая Скалистые горы и Сьерра-Невада), Анды и высокое плато Центральной Азии определяют, как думают некоторые метеоро­ логи, положение этих гигантских волн, проявляющихся в свобод­ ной атмосфере в температуре и давлении. Вокруг каждого полу­ шария обычно образуются 2—4 волны. Теплые гребни высокого давления обнаруживаются часто над восточной частью Тихого океана, западом Северной Америки и Центральной Азией; впадины низкого давления, заполненные холодным воздухом, наблюдаются над Восточной частью Северной Америки и запад­ ной частью Атлантического океана, восточной частью Азии и за­ падной частью Тихого океана. Форма и положение йолн давле­ ния меняются в зависимости от скорости западного потока, тог­ да общий характер распределения давления периодически меня­ ется, что в свою очередь влияет на распределение погод на зем­ ном шаре. Малые волны в давлении чаще, чем большие, хотя именно в больших генерируется основная часть кинетической энергии, являются нестационарными перемещающимися волна­ ми. Они распространяются вдоль более длинных волн, которые мы только что описали, и создают сложные формы циркуляции в средней тропосфере. На уровне земли гребни высотных

41

ратной циркуляции). Выше. оставляя область низкого давления слева 20 км атмосфера, по-види­ (в северном полушарии).

мому, приводится в движе­ ние новым независимым источником потенциальной энергии,

создаваемым неравномерным нагреванием озонного слоя Солнцем.

Везде и при всех условиях потенциальная энергия атмосфер­ ных слоев превращается в кинетическую энергию ветра. Прежде чем объяснить, как движения воздуха перераспределяют тепло, водяной пар и момент количества движения, познакомимся

43

сзакономерностями общей циркуляции, а также с основными

ееособенностями.

Как мы уже видели, атмосфера приводится в движение бла­ годаря тому, что Солнце неравномерно нагревает Землю в высо­ ких и низких широтах, а также разные подстилающие поверх­ ности — поля, леса, горы, океаны, ледники. В результате обра­ зуются области повышенного и пониженного давления, которое

над земной поверхностью и создаются области высокого и низко­ го давления, и если отсутствуют другие усложняющие карти­ ну факторы, на больших высотах возникают потоки от теплых масс воздуха к холодным, а на низких — от холодных к теплым. Ячейку циркуляции можно считать завершенной, если включить поднимающиеся вверх потоки в теплом воздухе и опускающи­ еся — в холодном воздухе.

Вне экваториальных областей, однако, крупномасштабные движения воздуха, обусловленные температурными различия­ ми, усложняются другими факторами. Основное влияние ока­ зывает вращение Земли с запада на восток, создающее отклоняю­ щую силу, известную под названием кориолисовой. Эта сила от­ клоняет ветер вправо относительно направления его движения в северном полушарии, и влево — в южном полушарии. В резуль­ тате воздух, который движется первоначально от области высо­ кого давления к области низкого, т. е. в соответствии с градиен­ том давления, постепенно все больше отклоняется в одну сторо­ ну. Но этот эффект исчезает (если не действует поверхностное трение), как только воздух начинает дуть под прямым углом к градиенту давления, т. е. параллельно изобарам — линиям, ко­ торые соединяют точки с одинаковым давлением. В результате такого равенства сил, называемого геострофическим равновесием, возникает устойчивый ветер, дующий параллельно изобарам,— геострофический ветер.

Когда изобары сильно искривлены (например, вблизи центра циклона и особенно в тропических штормах и торнадо), на поток воздуха влияет еще и третий фактор — центробежная сила. Она заставляет воздух двигаться от центра с силой, пропорциональ­ ной квадрату скорости ветра, определяемой градиентом давле­ ния, и обратно пропорциональной радиусу вращения. Но в боль­ шинстве самых больших антициклонов градиент давления меня­ ется медленно, и изобары имеют малую кривизну, поэтому вет­ ры там весьма слабые, а вблизи центра они могут быть даже слишком слабыми, чтобы их можно было измерить.

В приземном слое воздуха, толщиной около 1 км, в отличие от верхних слоев атмосферы, на ветер действует еще сила тре­ ния, возникающая между движущимся воздухом и шероховатой

U

поверхностью Земли. Торможение за счет трения замедляет ветер и заставляет его дуть поперек изобар по направлению к области низкого давления. Причем над различными формами рельефа направление и скорость меняются по-разному: над очень неров­ ной поверхностью на высоте 1 км скорость ветра может снизить­

подтверждаются синоптическими картами и сводками погоды, которые появляются в газетах и демонстрируются по телевиде­ нию. Если же нанести на карты средние за один сезон или даже за целый год значения ветра, температуры и других метеороло­ гических элементов, то более недолговечные характеристики, такие, как движущиеся циклоны или антициклоны, будут от­ фильтрованы и выявятся более простые и яркие характеристики ветров. На такой карте мы найдем обширные области, в кото­ рых атмосфера ведет себя совершенно определенно. Давайте на минуту отбросим мелкие факторы и рассмотрим основные облас­ ти распределения давления, характеризующие атмосферную цир­ куляцию.

Вблизи экватора мы увидим пояс низкого давления, в кото­ ром большую часть года преобладают штиль или слабые ветры,— эту зону во времена парусного флота мореплаватели называли

45

Полярные восточные ветры

Тропопауза

Струйные

течения

Струйные

течения

Преобладающие ветры в тропосфере (поперечный разрез).

экваториальной зоной затишья. В период равноденствия (ког­ да Солнце в полдень стоит вертикально над экватором) здесь

тропическом фронте), где сходятся пассаты двух полушарий. Межтропическая зона конвергенции в зависимости от положения Солнца в разные сезоны года перемещается из северного полуша­ рия в южное и обратно (можно заметить, что над сушей она дви­ жется несколько быстрее, чем над морем). С обеих сторон эту зону окаймляют области высокого давления, известные под назва­ нием конских широт. Ветры, движущиеся от этих областей в сто­ рону экватора, и есть пассаты, имеющие в северном полушарии

46

в обоих полушариях давление понижается по направлению к по­ люсам. В этих зонах преобладают западные ветры от поверхности земли до нижней стратосферы. В приземном слое они более из­ менчивы, чем пассаты, особенно в северном полушарии, где в этих широтах сильно развита циклоническая деятельность. Наконец, в очень высоких широтах, около полюсов, лежит не­ большая область высокого давления, из которой ветры направ­ лены к умеренным широтам.

Эта простая схема ветров в приземном слое существенно изме­ няется от сезона к сезону и зависит от неравномерного нагрева­ ния суши и моря солнцем — средний ветер меняет свое направ­ ление, интенсивность и даже характер. Например, в умеренных широтах циклоны чаще возникают зимой и движутся по направ­ лению к экватору. Наоборот, субтропические антициклоны ста­ новятся особенно мощными летом и движутся по направлению к полюсам. Над континентами летом температура повышается, а атмосферное давление падает, тогда как зимой имеет место обратное явление. Более четко давление и ветер изменяются при переходе от зимы к лету над Восточной Азией.

Характер ветра нарушают также горные хребты, особенно Скалистые горы, Анды и нагорье Тибет. Эти горные области спо­ собствуют превращению высотных западных ветров в серии волн в умеренных широтах. Эти волны, как предполагают, связан­ ные с положением и формой основных высотных антицикло­ нов и семейств циклонов вблизи поверхности земли, вероятно, ответственны в какой-то мере за сезонные изменения давления над континентами и морями.

Чтобы получить некоторые сведения о сезонных изменениях общей циркуляции, рассмотрим общий характер ветров в «лет­ нем» и «зимнем» полушариях одновременно. Летняя полусфера представляет простую картину. В тропических широтах до высо­ ты примерно 18 км наблюдаются слабые и непостоянные восточ­ ные пассаты; на больших высотах скорость их повышается более чем до 100 км/час. Их называют иногда восточными ветрами Кракатау, потому что более трех лет они несли вулканическую пыль, выброшенную в атмосферу во время грандиозного извер­ жения, которое произошло на острове Кракатау в 1883 г., и раз­ веяли вокруг Земли. (Между прочим, эта пыль вызывала очень красивые закаты.) Иногда наблюдают восточные ветры и в поляр­ ных широтах.

Между поясами низкоширотных и высокоширотных восточ­ ных ветров существует система устойчивых западных ветров, которую называют западным переносом. Западные ветры дуют в слое от поверхности земли и до уровня 20 км. В отдельных районах скорость этих ветров резко возрастает, тогда образу­ ются два или три быстро движущихся потока внутри ветровой

47

О

системы. Такие потоки называются струйными течениями, они располагаются на высотах около 10 или 12 км (сразу под тро­ попаузой). Скорость ветров в этих потоках доходит до 400 км/ч и более. Впервые со струйными течениями встретились военные самолеты во время второй мировой войны, и с тех пор они иссле­ дуются с помощью радиозондов, самолетов и ракет. Сегодня са­ молеты, летящие с запада на восток, имеют преимущество перед теми, что летят с востока на запад, поскольку они могут восполь­ зоваться этими струйными течениями. (Лишь одно значительное струйное течение направлено с востока на запад, оно развива­ ется летом над Индийским океаном в северном полушарии.) Длина таких быстро несущихся рек воздуха колеблется от не­ скольких сотен до нескольких тысяч километров. Как правило, струйные течения в атмосфере связаны с резко углубляющими­ ся циклонами, которые, двигаясь к экватору, способствуют уси­ лению западных ветров и превращению их в струйные течения.

Зимой положение и интенсивность различных ветровых си­ стем разнообразнее. В высоких широтах (выше 65°) восточные

48

мб

О

20

50

100

200

500

Прерывистые линии — изолинии температуры в градусах Цельсия, сплош­ ные — скорость западных ветров (в узлах), точечные — восточные ветры.

ветры значительно сильнее, чем летом, и проникают дальше к экватору. Выше 15 км в стратосфере восточные ветры заменя­ ются сильными западными ветрами, которые циркулируют во­ круг полюса и называются западными ветрами полярной ночи.

Обычно различают ось струйного течения и ветры, дующие со скоростями до 300 км/ч на высотах от 25 до 30 км. В середине зимы наблюдаются самые сильные и устойчивые западные вет­ ры в тропосфере, они несут стремительные и глубокие циклоны, гребни и антициклоны и определяют погоду в нижних слоях атмосферы. Если летом они обычно простираются от 35 до 65° широты на уровне моря, то зимой наблюдаются от 30 до 70°. (На высоте примерно 5 км они простираются почти от самого экватора до полюса.) В нижних слоях стратосферы ветры быст­ ро ослабевают с высотой в среднем до 50 км ч на уровне 20 км. Однако в верхних слоях стратосферы они снова набирают ско­ рость, достигая максимума на высоте примерно 55 км, т. е. уже в слоях нижней мезосферы. Эти высотные сильные западные ветры называются мезосферными западными потоками.