Лекция 3. Атмосферная циркуляция .

Атмосферная циркуляция – совокупность различных потоков воздуха, существующих в земной атмосфере. Эти потоки называются циркуляцией потому, что все они представляют собой те или иные круговороты. В зависимости от размеров этих круговоротов в общей циркуляции атмосферы выделяют глобальные, региональные и местные составляющие. Целью данной лекции является рассмотрение экологической роли атмосферной циркуляции, причин ее возникновения, а также особенностей указанных ее составляющих. Поэтому в данной лекции рассматриваются следующие учебные вопросы:

1. Экологическая роль атмосферной циркуляции.

2. Силы, обуславливающие атмосферную циркуляцию.

3. Глобальная атмосферная циркуляция

4. Муссоны

5. Местные ветры

   1. Бриз

   2. Горно-долинные ветры

   3. Фен

   4. Бора

   5. Суховеи

Экологическая роль атмосферной циркуляции

Атмосферная циркуляция – это фактор:

1. Климатообразующий и экологический. В результате различных движений воздуха в атмосфере переносится тепло, влага, а также любые, содержащиеся в ней вещества, вследствие чего регулируется климат и экологические условия.

2. Разрушительный. Ветры вызывают эрозию почв, обвалы и снежные лавины в горах, ломают ветви деревьев, поднимают волнение на водоемах, разрушают их берега, топят корабли, вызывают наводнения, разрушают здания и инженерные сооружения и вызывают аварии транспортных средств.

3. Энергетический. Ветер – практически неисчерпаемый источник энергии, функционирующий в любой точке нашей планеты и на большинстве небесных тел солнечной системы.

4. Электризующий. Движение воздуха вызывает электризацию любых поверхностей, о которые он трется, что приводит к возникновению гроз и других электрических явлений в атмосфере.

5. Перемешивающий. Взаимодействие ветра с подстилающей поверхностью вызывает образование турбулентного пограничного слоя, в котором существенно возрастает интенсивность тепло – и массообмена этой поверхности с воздушной средой, а также инициирует в атмосфере волновые процессы.

6. Вихреобразующий. В результате потери устойчивости воздушных течений в атмосфере возникают вихри различных масштабов. При этом механическая энергия передается от движений с большими пространственными масштабами, к движениям с меньшими масштабами.

7. Прогностический. Движения воздуха обладают весьма малой инерционностью. Изменения характеристик атмосферной циркуляции являются самыми ранними проявлениями многих процессов, проявляющихся в земной атмосфере. Поэтому выявление подобных изменений является эффективным методом их прогнозирования.

Силы, обуславливающие атмосферную циркуляцию.

Главной причиной, вызывающей движение воздуха из одного района земной поверхности в другой, является различие существующих в них атмосферных давлений. Из района с большим давлением воздух всегда движется в район с меньшим давлением. Если бы наша планета не вращалась, то ускорение, с которым при этом бы двигался воздух, определялось значением модуля градиента поля атмосферного давления р(х,у), которое приближенно определяется как: G = - (Р₂-Р₁)/L, где L – расстояние между районами 2 и 1. Поэтому данная составляющая суммарного ускорения с которым движется воздух в земной атмосфере называется ускорением барического градиента. Ускорение барического градиента всегда направлено по нормали к изобарам от области с более высоким давлением к области с более низким давлением.

Физический смысл модуля барического градиента - скорость изменения атмосферного давления при изменении расстояния. Барические градиенты в атмосфере возникают главным образом вследствие неодинаковости температуры воздуха над различными участками земной поверхности. Поскольку плотность воздуха обратнопропорциональна его температуре, ускорения барического градиента направлены от областей более холодных к областям более теплым. Если бы другие силы на воздушные течения не действовали, их траектории были бы в большинстве случаев прямолинейными.

В земной атмосфере в суммарном ускорении, проявляющемся при движении любых воздушных течений, присутствуют и иные составляющие, искривляющие их траектории.

Одной из них является ускорение Кориолиса, которое возникает в результате вращения нашей планеты. Гаспа́р-Гюста́в де Кориоли́с (1792—1843) — французский математик и инженер, открывший данное явление. Закончив своё образование в Парижской политехнической школе, он затем был в ней репетитором, а позже — проректором по учебной работе:

Если обозначить u - вектор скорости некоторого воздушного течения, наблюдаемого из вращающейся системы координат, а w- угловую скорость вращения самой этой координатной системы, то кажущееся ускорение, проявляющееся в подобном движении воздуха определится как : а = 2[w u], где символ [ ] обозначает векторное произведение. Именно это ускорение и называется ускорением Кориолиса. Направление вектора а перпендикулярно векторам w и u. Поэтому данное ускорение всегда искривляет траекторию движения воздуха. Его модуль А определяется соотношением: А= 2 WU sin (η(w,u)), где W -модуль вектора угловой скорости вращения Земли, U - модуль вектора скорости течения, а η(w,u) - угол между соответствующими векторами.

Сила Кориолиса равна ma (m- масса движущейся частицы) и как сила инерции, направлена в сторону противоположную ускорению Кориолиса. Она лежит в горизонтальной плоскости только в случае если скорость u направлена вдоль меридиана.

Во всех остальных случаях силу Кориолиса можно разложить на две составляющие горизонтальную и вертикальную. Вертикальную составляющую силы барического градиента уравновешивает сила тяжести, а ее горизонтальная составляющая, определяемая соотношением: Аг= W U sinφ, где φ- географическая широта, приводит воздух в движение.

В северном полушарии ускорение Кориолиса отклоняет любое воздушное течение вправо, а в южном - влево.

Горизонтальная составляющая ускорения Кориолиса достигает наименьшей величины на экваторе, а наибольшей величины - на полюсе.

Поскольку угловая скорость вращения Земли w=0.0000729 (1/с), максимальная величина ускорения Кориолиса составляет:

Аг max =0.000146u (см/с² ).

Пд влиянием силы Кориолиса траектория движения воздушного потока отклоняется от прямолинейной.

При движении частиц воздуха по любой криволинейной траектории на них действует также центробежное ускорение С, определяемая соотношением: C= V² / r, где V- модуль вектора скорости частиц;

r - радиус кривизны траектории

Центробежное ускорение направлено по радиусу кривизны в сторону ее выпуклости (от центра).

На все движущиеся частицы действует также сила трения, направленная навстречу вектору скорости. Трение в воздушной струе состоит из двух составляющих :трения внешнего и трения внутреннего.

Внешнее трение вызывается тормозящим действием подстилающей поверхности. Его модуль пропорционален скорости ветра относительно подстилающей поверхности, а коэффициент пропорциональности зависит от характера этой поверхности(над водой его величина в 4 раза меньше чем в среднем над сушей). Фаза вектора внешнего трения противоположна фазе вектора скорости ветра.

Действие внутреннего трения проявляется в том, что соседние струи воздуха, имеющие разные скорости взаимодействуют, порождая турбулентное перемешивание.

Таким образом, основной барический закон ветра для северного полушария состоит в следующем: если стать спиной к ветру, то впереди и слева будет область низкого давления, а сзади и справа - область высокого.

Для южного полушария он состоит в том, что:- область низкого давления окажется впереди и справа, а область высокого давления сзади и слева.