Атмосферная циркуляция

Подобно тому как береговые и морские бризы возникают из-за различий температуры суши и моря, порождает горизонтальный градиент давления, так и основные планетарные особенности в распределении ветра обусловлены различием в температуре воздуха в низких и высоких широтах. Если бы Земля не вращалась, а такие характеристики, как альбедо, теплоемкость, теплопроводность поверхности и прозрачность атмосферы, не менялись бы по горизонтали, то можно было бы ожидать образования в тропосфере по одному конвективном ячейки в каждом полушарии. Вращение же Земли и неоднородность ее поверхности делают реальную картину циркуляции значительно больше сложной.

Распределение давления и ветра у поверхности

Если провести осреднение по широтных кругах с целью устранить зональные различия, связанные с распределением материков и океанов, то в результате мы получим ряд зональных поясов давления и ветра.
запчасти для иномарок интернет магазин

Такая картина имела бы место при условии однородности поверхности Земли. Усредненных поле ветра над Атлантическим и Тихим океанами очень напоминает эту идеализированную картину. Наряду с поясом низкого давления на экваторе и областью высокого давления на полюсах — особенностями, характерными для простейшей циркуляционной ячейки, дополнительно появляются субтропический пояс высокого давления и пояс низкого давления на широте около 60 °. Эти последние, таким образом, должны иметь не термическое, а скорее динамическое происхождения, в результате чего отсутствует прямая связь между ветрами умеренных широт и термических условий.

Здесь можно отметить, что если бы имел место градиент давления на всем протяжении от полюса к экватору, то ветер у поверхности вращающейся Земли должен восточный, то есть был бы направлен против вращения Земли на всех широтах. Атмосфера и Земля связаны между собой фрикционной взаимодействием, и если скорость вращения Земли не меняется, то должно существовать такое равновесие между восточными и западными ветрами на поверхности Земли, суммарный фрикционный крутящий момент равен нулю. В умеренных широтах этот перенос могут обеспечивать два механизма, в которых ветер не связан непосредственно с термическими условиями. Один — это горизонтальные движения в вихрях большого масштаба, другой — волновые движения в зональном потоке. В обоих случаях составляющие течения, направленные к полюсу, переносят теплый воздух, а направлены к экватору — холодный. Благодаря этому и происходит обмен теплом с воздухом, прилегающей к полярной и экваториальной границ потока.

Эксперименты в баке и ячейка циркуляции Гадлея

Самый конвективный центр, можно получить в следующем эксперименте. В цилиндрический сосуд (бак) налита жидкость. Дно бака нагревается на периферии (что соответствует экватору) и охлаждается в центре (полюс). Если теперь вращать бак вокруг вертикальной оси, то можно получить различные сложные картины движения жидкости по бака. Характер движения зависит от разницы температур в центре бака и на его стенках и от скорости его вращения. По мере увеличения скорости вращения движение приобретает все более зональный характер. При дальнейшем увеличении вращения образуется ряд петель, разделенных замкнутыми линиями тока. На сферической Земли составляющая угловой скорости вращения вокруг локальной вертикальной оси тем меньше, чем меньше широта; подобно силе Кориолиса, она пропорциональна синусу широты. Поэтому появления ячейки термической конвекции следует ожидать в низких широтах. Именно это и наблюдается в атмосфере, где эта ячейка называется ячейкой Гадлея. В нижних слоях атмосферы вдоль термического экватора давление снижено, и обусловленная этим конвергенция приводит к подъему воздуха. В субтропиках воздуха, опускаясь, создает область повышенного давления. В результате устанавливается меридиональный градиент давления. Обусловленных ею ветры отклоняются к западу благодаря силе Кориолиса, осуществляя устойчивую систему пассатов: северо-восточных в северном полушарии и юго-восточных — в южной.

Западные ветры, струйные течения и волны Россби

В умеренных и высоких широтах ветры в верхней тропосфере имеют преимущественно западное направление. Потому что в тропосфере температура воздуха убывает в направлении полюсов, термический ветер направлен с запада на восток в обоих полушариях, а его скорость возрастает с высотой. Наибольшей силы термический ветер достигает в тех областях, где меридиональный градиент температуры максимален. В районах фронтов, разделяющих воздушные массы, где горизонтальные градиенты температуры на некоторых уровнях могут достигать 1 ° на 10 км, эти ветры особенно сильны. В зимний период их скорость иногда превышает 100 м / сек (около 195 узлов). Такие сильные ветры концентрируются в узких струях непосредственно под тропопаузой и известны под названием струйных течений. Их наличие можно заметить, наблюдая за движением перистых облаков. Основные особенности этих течений стали известны после того, как во время второй мировой войны самолеты начали летать на больших высотах. Картина зонального распределения скорости ветра в тропосфере показывает, что струйные течения сосредоточены на высотах 10-15 км. Струйные течения, средняя скорость которых достигает 50 м / сек, опоясывающих Землю.

В каждый данный момент времени, однако, картина может значительно отличаться от средней. Можно, например, выделить субтропический струйный течение и струйный течение полярного фронта, а также и другие течения, связанные с фронтальными зонами (с арктическим фронтом, например).

Для понимания механизма формирования волн Россби в потоке западных ветров необходимо обратиться к понятию завихренности или вихря. Во завихреннистю подразумевают тенденцию к вращению вокруг оси. Мы будем рассматривать завихреннисть относительно вертикальной оси, причем, как обычно, за положительное примем направление вращения против часовой стрелки, а за негативное — по часовой стрелке.

Всюду, кроме экватора, жидкость, находящаяся на поверхности Земли, обладает завихреннистю относительно вертикальной оси. Это так называемая планетарная завихреннисть, величина которой равна параметру Кориолиса. Она негативная в южном полушарии и положительная-в северном.

Западные ветры средних широт

Рассмотрим теперь подробнее ветер средних широт и причины возникновения субтропического пояса высокого давления и полярной области низкого давления, с которыми этот ветер свя связан. Существенной его особенностью, в основном в северном полушарии, является изменчивость. На Британских островах наблюдаются ветры всех направлений, и нужен достаточно большой промежуток времени измерений, чтобы выявить господствующую роль западных или юго-западных ветров. Причина заключается в том, что распределение давления на этих широтах сильно варьирует. В частности, области низкого давления на широте около 60 ° возникают в результате прохождения одиночных депрессий, вытекающие преимущественно в восточном направлении. Эти депрессии могут смещаться к югу или к северу и порой даже замещаться системами высокого давления.

Они возникают обычно в результате дивергенции или конвергенции в потоке западных ветров в верхней тропосфере. Антициклонный их движение в гребне волны Россби приводит к превышению градиентной скорости над геострофичною. В балке, где кривизна имеет противоположный знак, градиентная скорость меньше геострофичнои. Существуют и другие факторы, определяющие ускорение и замедление потока западных ветров, но в целом можно сказать, что скорость ветра возрастает в направлении от балки до гребня и наоборот.

Увеличение скорости в направлении потока вызывает дивергенцию. Это в свою очередь заставляет воздух подниматься с поверхности и создавать область пониженного давления или депрессии, у поверхности. Напротив, там, где скорость потока уменьшается в направлении движения, конвергенция заставляет воздух опускаться и создавать антициклон с высоким давлением у поверхности. Следующее движение этих систем определяется в основном высотным западным переносом, поэтому депрессии движутся на восток и к полюсу (до гребней волн Россби), в то время как антициклоны движутся на восток и к экватору, где поглощаются субтропической областью высокого давления.

Влияние материков; муссоны

Материки могут нарушать картину, за счет эффектов как динамического, так и термического происхождения. Динамические эффекты максимальны в тех случаях, когда на материках есть горные хребты. Западный поток воздуха, пересекает Скалистые горы, при подъеме отклоняется к полюсу, а при опускании — к экватору, в результате чего образуется балка волны. Поэтому Скалистые горы отчасти является причиной образования депрессий над Атлантическим океаном и области низкого давления вокруг Исландии.

Более очевидный механизм влияния материков на атмосферную циркуляцию — это тепловой контраст между сушей и морем. Летом воздух над материками больше теплый и менее плотный, чем над океанами, поэтому области низкого давления имеют тенденцию располагаться над материками, а области высокого давления — над океанами. Зимой, когда над материками воздуха более холодный и более плотный, чем над океанами, наблюдается обратная ситуация. Различие между летними и зимними условиями особенно заметно в северном полушарии, где два сектора соответствуют суше, а два — океаны.

С сезонными изменениями распределения давления связаны муссоны — ветры, меняющие направление от сезона к сезону. Причины их возникновения в основном те же, что и в береговых и морских брызг, однако муссоны имеют большие просторово-временные масштабы и взаимодействуют с ветрами верхней тропосферы. Среди них больше всего выделяется район Индийского субконтинента и прилегающих областей Индийского океана. Мы будем говорить о муссон этого района ниже. Существуют и другие районы муссонов: вдоль западного берега Африки от 5 ° до 15 ° пивнич. ш., Южно-Китайское море, район Северной Австралии. Развитие муссонов сопровождается и изменениями ветров в верхней тропосфере и перемещениями струйных течений, но мы рассмотрим только ветер, распределение давления и погодные условия, связанные с муссоном Индийского океана.

Комментарии закрыты.