Циркуляция над однородной поверхностью
Если предположить, что поверхность земли однородная, то распределение температуры и давления в нижней тропосфере должно иметь зональный (широтный) характер: температура должна плавно убывать от экватора к полюсам, а давление – возрастать в том же направлении. Изобары будут совпадать с параллелями, и горизонтальный градиент давления всюду будет направлен строго вдоль меридиана от полюсов к экватору. В верхней тропосфере, начиная из высоты 4-5 км, и в нижней стратосфере до высоте 20 км, распределение давления будет обратным приземному, то есть над экватором, где воздух теплее, оно будет выше, чем над полюсами, где воздух холоднее. Итак, горизонтальный градиент давления на указанных высотах будет направлен от низких широт к полюсам. Возле однородной земной поверхности коэффициент трения был бы постоянным, и потому ветер всюду отклонялся бы от горизонтального градиента давления на одинаковый угол, меньший 90 0. В северном полушарии он принял бы северо-восточное, а в южном – юго-восточное направление. Выше слоя трения ветер в обоих полушариях был бы восточным, а выше уровня 4-5 км, западным. Лишь в узкой экваториальной зоне ветер у земной поверхности почти совпадал бы с направлением горизонтального градиента давления, а выше слоя трения был бы, как и всюду, восточным.
Циркуляция в реальной атмосфере
Рисунок 2.5 – Циркуляция в реальной атмосфере
Данные рисунка 2.5, представленные с учетом того, что в слое трения ветер отклоняется от изобар в сторону горизонтального градиента давления, а с высотой возвращается и приближается к изобарам, так как выше слоя трения наблюдается геострофический ветер.
Струйные течения – это сильный, узкий поток воздуха с почти горизонтальной осью, который имеет место в верхней тропосфере или в стратосфере и характеризуется большими вертикальными и горизонтальными градиентами скорости. Струйные течения получаются над фронтальной зоной, где горизонтальный градиент температуры в особенности большой, так же, как и градиент давления. Направление струйных течений – западное (кроме экваториальных струйных течений, которые имеют восточное направление). Максимальная скорость ветра отмечается на оси течения и составляет в среднем 45-55 м/с. Вертикальная длина течения 8-12 км. В длину струйные течения простираются на несколько тысяч километров.
Пассаты
Пассаты - это стойкие восточные ветры умеренной скорости (в среднем 5-8 м/с у земной поверхности), которые дуют в каждом полушарии на обращенной к экватору стороне субтропической зоны высокого давления. Однако субтропические зоны даже на средних картах (а тем более на картах ежедневных) распадаются на отдельные антициклоны. Таким образом, пассаты - это ветры в обращенных к экватору частях субтропических антициклонов.
Субтропические антициклоны вытянуты по широте. Поэтому на их обращенной к экватору периферии изобары проходят параллельно широтным кругам, и, поэтому пассаты над уровнем трения должны иметь восточное направление. Однако на востоке каждого антициклона к восточной составляющей ветра добавляется еще направленная к экватору составляющая (вспомним, как дуют ветры в антициклоне!), а на западе - составляющая, направленная от экватора.
В целом меридиональные составляющие в пассатном переносе малы в сравнении с восточной составляющей.
В слоях, близких к земной поверхности, где действует трение, ветер отклоняется от изобар на некоторый угол в сторону низкого давления. Это значит, что на южной периферии субтропического антициклона в северном полушарии у земной поверхности вместо восточных ветров образуются северо-восточные; аналогично на северной периферии субтропического антициклона в южном полушарии у земной поверхности образуются юго-восточные ветры. Иначе говоря, вследствие трения пассаты получают дополнительные составляющие, направленные к экватору. Поэтому, пассаты северного полушария часто называют северо-восточными, а пассаты южного полушария - юго-восточными.
Однако нужно помнить, что эти направления пассатов характерные только вблизи земной поверхности, и не для всей области пассатов, а только там, где изобары субтропического антициклона направлены по широте.
В нижнем пласте пассатов устанавливаются большие вертикальные градиенты температуры, и развивается конвекция со скоростями восходящих потоков порядка 2,5-4 м/с и с образованием кучевых облаков. Но конвекция не достигает больших высот. Уже на высотах порядка 12000-2000 м в области пассатов обнаруживается задерживающий слой в несколько сотен метров толщиной с инверсией температуры или, по крайней мере, с уменьшением вертикального градиента температуры. Эта пассатная инверсия получается при опускании воздуха, характерного для всякого хорошо развитого антициклона не только в тропиках. Инверсия задерживает развитие конвекции на сравнительно низком уровне. Облака не получают большого вертикального развития, нередко имеют характер слоисто-кучевых и, во всяком случае, не достигают уровня оледенения, который в тропиках лежит выше 5 км. Поэтому из облаков или совсем не выпадает осадков, или выпадают незначительные кратковременные и мелкокапельные дожди, обусловленные взаимным слиянием капелек, без ледяной фазы.