Атмосфера. состав, строение, циркуляция. распределение тепла и влаги на земле. погода и климат

Модель № 3. Сила Кориолиса. Движение преобладающих воздушных масс.

Если мы в предыдущую модель — № 2 — внесем поправку на силу Кориолиса, отклоняющую движущиеся преобладающие воздушные массы вправо в Северном полушарии и влево в Южном, мы получим картину типичных ветров, весьма правдоподобно описывающую наблюдаемую в жизни.

Мы видим на этой картине устойчивые пояса с типичными ветрами. Суммарная мощность этих ветров огромна. Вся эта машина приводится в движение энергией излучения Солнца и силой инерции вращающейся Земли.

Можно уверенно заявить, что парусная яхта — это судно с термоядерным двигателем. Правда, для удобства реактор вынесен на солнце!

Давайте рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из такой модели:

• На экваторе и на полюсах преобладают вертикальные составляющие в движении господствующих воздушных масс, что приводит к отсутствию в этих местах уверенных стабильных ветров.
• 60°: полярный фронт. На этих широтах сталкиваются лоб в лоб арктические (сухие и холодные) и субтропические (теплые и насыщенные водой) преобладающие воздушные массы. Здесь проходит великий атмосферный фронт, вдоль которого текут навстречу друг другу разнородные преобладающие воздушные массы, порождая завихрения, из которых образуются циклоны. Постоянное рождение и дальнейшее движение циклонов во многом объясняет крайне нестабильную и динамичную картину движения преобладающих воздушных масс в зоне умеренных широт, расположенной между полярным фронтом и конскими широтами.
• 30°: штилевой пояс конских широт — зона повышенного атмосферного давления. Ближайший к нам антициклон постоянно прописан на Азорских островах, в сердце Атлантики. Любые изменения в его самочувствии и настроениях неизменно отражаются на погодной картине всей Европы.
• 7-30°: пассатные или торговые ветра (Easterly Trades), названные так за свое удивительное постоянство и спокойствие. В этих широтах можно смело рассчитывать на 15-20 узлов попутного ветра в течение всего перехода, только не пытайтесь пересекать океан против их направления! Идеальное место для яхтинга , правда в одном направлении.
• 7 S-7°N: экваториальный штилевой пояс. Это грустная история. Не только кони гибли в этих широтах во время первых экспедиций за экватор. Около 1000 миль штилевой зоны оставляли мало шансов добраться до цели многочисленным командам парусников. Нехватка воды и продовольствия делали свое дело. Однако благодаря совместному влиянию движения торговых преобладающих воздушных масс в районе экватора проходит экваториальное западное течение. Это экваториальное течение, отразившись от берегов Америки, дает начало знаменитому Гольфстриму. Вы должны быть очень везучими, чтобы получить ветер в придачу к яхте, арендованной в экваториальных широтах.

Поскольку Солнце постоянно изменяет свое положение относительно экватора, в течение года отклоняясь от экватора то в Северное, то в Южное полушарие, резонно ожидать, что и все рассмотренные здесь преобладающие воздушные массы будут смещаться вслед за Солнцем к северу или к югу в зависимости от времени года.

Основной вывод, который можно сделать из всего вышесказанного: ежедневные изменения погоды в мире носят скорее упорядоченный и разумный характер, нежели хаотический и случайный, что дает возможность предсказания погоды на ближайшее будущее, в том числе и на основе собственных наблюдений. А это, в свою очередь, сделает Ваш яхтинг более безопасным и комфортным.

Инерция вращающейся Земли и солнечное тепло приводят в движение огромный живой механизм, благодаря которому в разных широтах планеты устанавливаются различные устойчивые картины движения преобладающих воздушных масс, приводящие к возникновению некоторых типичных распознаваемых паттернов (сценариев) развития погодной ситуации, наличие которых позволяет не только делать предсказания, но и надеяться на их достоверность.

Давайте перейдем к рассмотрению отдельных погодных сценариев.Но об этом в следующей статье.

Циркуляция атмосферы

Систему перемещения воздуха над материками и океанами под влиянием энергии Солнца называют циркуляцией атмосферы. В результате неравномерного нагревания земной поверхности, а также влияния отклоняющей силы вращения Земли вокруг своей оси образуются пояса с разным атмосферным давлением. Воздух перемещается из поясов с более высоким атмосферным давлением в пояса с более низким атмосферным давлением. Это является основной причиной циркуляции атмосферы.

Необходимо учитывать, что пояса атмосферного давления могут смещаться по сезонам года. На это влияют различия в нагревании материков и океанов. Летом материки нагреваются быстрее и больше, чем океаны; теплый легкий воздух устремляется вверх, создавая над поверхностью материка разреженное пространство, — давление понижается. Поэтому воздух перемещается с океанов с более высоким давлением на сушу, где наблюдается низкое давление. Зимой, наоборот, суша охлаждается быстрее, а океан остается длительное время более теплым, и воздух перемещается с суши на море. Также надо отметить, что летом Северное полушарие нагревается больше, зимой — меньше. Поэтому пояса давления летом смещаются к северу, а зимой — к югу. Это отражается и на перемещении воздуха между поясами.

В экваториальных широтах из-за высокой солнечной радиации в течение года давление всегда пониженное. Это объясняется тем, что нагревающийся от земной поверхности воздух над экватором постоянно поднимается (восходящие воздушные потоки) и растекается к северу и югу от экватора в сторону тропических широт. Вследствие вращения Земли вокруг оси движущийся воздух отклоняется к востоку. В верхних слоях тропосферы на высоте 10—12 км он постепенно охлаждается. Над тропиками между 20 и 30 с. и ю. ш. остывший на высоте воздух начинает опускаться (нисходящие воздушные потоки). Поэтому в тропических широтах воздух, опускаясь, образует в приземном слое (у поверхности) повышенное давление. Здесь в течение года наблюдаются сплошные пояса повышенного давления.

В полярных широтах, над ледниками Антарктиды и Гренландии, дрейфующими ледяными полями Арктики в течение года наблюдаются низкие температуры воздуха и повышенное давление в течение года (воздух холодный и тяжелый).

Из поясов высокого давления (тропических и полярных широт) воздух у поверхности Земли движется к умеренным широтам. Здесь он нагревается и поднимается. Вследствие этого в умеренных широтах обоих полушарий формируются пояса пониженного давления.

Таким образом, распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер. На Земле формируются пояса низкого (экваториальный и умеренные) и высокого давления (тропические и полярные). Возникающие пояса давления являются причиной перемещения воздуха в разных широтах, над сушей и морем, и определяют общую циркуляцию атмосферы (рис. 10).

Перемещение внетропических циклонов

Циклоны всегда перемещаются. Под перемещением мы подразумеваем перемещение циклона как целого, независимо от дующих в нем ветров, которые в разных частях циклона имеют разные скорости и направления. Перемещение циклона как единой системы характеризуется перемещением его центра.

Циклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в средней и верхней тропосфере (говорят еще: в направлении ведущего потока). Такой общий перенос воздуха чаще всего происходит с запада на восток. Поэтому и циклоны чаще всего перемещаются от западной половины горизонта к восточной.

Но бывает и так, что циклоны перемещаются с большой составляющей к югу или к северу. В редких случаях направление ведущего потока бывает даже восточным; тогда и циклон перемещается аномально, с востока на запад.

Но в среднем циклоны движутся с запада на восток с составляющей, направленной к высоким широтам. Поэтому наиболее глубокие циклоны наблюдаются, как сказано выше, в субполярных широтах: в северном полушарии — на севере Атлантического и Тихого океанов, в южном полушарии — вблизи материка Антарктиды.

Скорость перемещения циклона в среднем она имеет порядок величины 30-40 км/час. В отдельных случаях она может быть до 80 км/час и более. В поздней стадии жизни циклона, когда он уже заполняется, скорость перемещения уменьшается.

При прохождении циклона усиливается ветер и меняется его направление. В передней (восточной) части циклона наблюдаются ветры с южной составляющей, в тыловой (западной) части — с северной составляющей. С этим связаны и колебания температуры при прохождении циклона.

Наконец, циклонические области характеризуются увеличенной облачностью и осадками. В передней части циклона осадки обложные, восходящего скольжения, выпадающие из облаков теплого фронта. В тыловой части осадки ливневые, из кучево-дождевых облаков, свойственные холодному фронту. В южной части циклона иногда наблюдаются моросящие осадки теплой воздушной массы.

Приближение циклона часто можно заметить по падению давления и по первым облакам, появляющимся на западном горизонте. Это фронтальные перистые облака, движущиеся параллельными полосами. На взгляд, вследствие перспективы эти полосы кажутся расходящимися от горизонта. За ними идут перисто-слоистые облака, затем более плотные высоко-слоистые и, наконец, слоисто-дождевые с сопровождающими их разорванно-дождевыми. Потом, в тылу циклона, давление растет, а облачность принимает быстро меняющийся характер: кучевые и кучево-дождевые облака часто сменяются прояснениями.

Ссылки [ править ]

1. ^ Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований. «Что такое Широта Лошади?» . oceanservice.noaa.gov . Проверено 14 апреля 2019 .
2. ^ Monkhouse, FJ (2017-07-12). Словарь по географии . Рутледж. ISBN 9781351535656.
3. ^ a b Цзюньлинг Хуанг и Майкл Б. МакЭлрой (2014). «Вклад циркуляций Хэдли и Ферреля в энергетику атмосферы за последние 32 года» . Журнал климата . 27 (7): 2656–2666. Bibcode2014JCli … 27.2656H . DOI10,1175 / jcli-d-13-00538.1 .
4. ^ Йоханан Кушнир (2000). «Климатическая система: общая циркуляция и климатические зоны» . Проверено 13 марта 2012 года .
5. ^ «Физическая среда Антарктики» . Британская антарктическая служба (БАС).
6. ^ «Региональные климатические изменения и погода» . RGS-IBG в партнерстве с BAS. Архивировано из оригинала на 2015-03-06.
7. ^ «Добро пожаловать в самый холодный город на Земле» . Scientific American. 2008 г.
8. ^ «Envisat часы для Ла Нины» . BNSC. 2006-03-03. Архивировано из оригинала на 2008-04-24 . Проверено 26 июля 2007 .
9. ^ «Тропический массив океана атмосферы: сбор данных для предсказания Эль-Ниньо» . Празднование 200-летия . NOAA. 2007-01-08 . Проверено 26 июля 2007 .
10. ^ «Топография поверхности океана» . Океанография 101 . Лаборатория реактивного движения, НАСА. 2006-07-05. Архивировано из оригинального 14 апреля 2009 года . Проверено 26 июля 2007 .
11. ^ «ГОДОВОЙ ОБЩИЙ ОТЧЕТ ОБ УРОВНЕ МОРЯ ИЮЛЬ 2005 — ИЮНЬ 2006» . ПРОЕКТ МОНИТОРИНГА УРОВНЯ БАЗОВОГО МОРЯ АВСТРАЛИИ . Бюро метеорологии. Архивировано из оригинального 07 августа 2007 года . Проверено 26 июля 2007 .
12. ^ «Циркуляция Уокера: атмосферный приятель ЭНСО | NOAA Climate.gov» . www.climate.gov . Проверено 3 октября 2020 .

Энергия циклона

При развитии циклонов скорости ветра в них возрастают; следовательно, выделяется большое количество кинетической энергии. Откуда берется эта энергия?

Лишь отчасти это та кинетическая энергия, которую воздушные течения имели еще до циклонообразования. В большей мере кинетическая энергия циклона возникает заново за счет потенциальной энергии положения воздушных масс, разделяемых фронтом, на котором происходит циклонообразование.

Можно сказать, что основным условием прироста кинетической энергии циклона является температурный контраст воздушных масс на фронте: именно он определяет потенциальную энергию системы двух воздушных масс в циклоне.

Зоны давления и ветра в верхней тропосфере и в стратосфере

Зональность в распределении давления и ветра яснее и проще не у земной поверхности, а в верхней тропосфере и в стратосфере.

Как нам уже известно, высокое давление здесь более или менее близко совпадает с высокой температурой, а низкое давление — с низкой температурой. Поскольку температура в тропосфере в среднем падает от низких широт к высоким, то и меридиональный барический градиент направлен, начиная с высоты 4-5 км, также из низких широт в высокие.

Геострофический ветер при таком градиенте должен быть направлен с запада на восток. Так будет в обоих полушариях: в северном градиент будет направлен к северу, а ветер, отклоняясь от него на прямой угол вправо, — с запада на восток; в южном полушарии градиент будет направлен к югу, а ветер, отклоняясь от него влево, — опять-таки с запада на восток. Это относится не только к геострофическому ветру, но, с достаточной точностью, и к действительному ветру, поскольку он является квазигеострофическим.

Таким образом, в верхней тропосфере и в нижней стратосфере мы имеем западный перенос воздуха вокруг полюса, где давление наиболее низкое — своего рода планетарный циклонический вихрь над каждым из полушарий. Исключением являются самые низкие широты.

Рис. 88. Зональное распределение давления и переносов воздуха в верхней тропосфере и в нижней стратосфере (схема). Справа — направление барических градиентов вдоль меридиана в соответствующих зонах.

В сравнительно узкой зоне вблизи экватора, барический градиент в верхней тропосфере будет направлен к экватору. Это значит, что в верхней тропосфере и в нижней стратосфере здесь господствует восточный перенос.

Квазигеострофичность течений общей циркуляции

Течения общей циркуляции в большей части атмосферы являются квазигеострофическими. Это значит, что они достаточно приближаются к геострофическому ветру, т. е. малокриволинейны, мало подвержены трению и связаны с распределением давления таким образом, что направлены почти по изобарам. Только в слое трения течения существенно отличаются от геострофического ветра и значительно отклоняются от изобар.

Конечно, строго геострофическими течения не будут и над слоем трения; как правило, они и там имеют ускорения и направлены не строго по изобарам, отчего зависят изменения барического поля. Но все же в свободной атмосфере отклонения течений общей циркуляции от геострофического ветра невелики, почему и можно называть эти течения квазигеострофическими.

Условие квазигеострофичности не выполняется также на экваторе и вблизи него как у земной поверхности, так и в свободной атмосфере; отклоняющая сила вращения Земли здесь равна нулю или ничтожно мала и не может уравновешивать силу барического градиента.

Водяной пар в атмосфере

Эту тему лучше прочитать вдумчиво, воображая происходящее

В атмосфере присутствует водяной пар (маленькие частички воды испарившиеся с поверхности водоемов и суши)

От чего зависит испарение:

1. Температура (чем выше температура, тем больше воды испариться, следовательно будет больше водяного пара в атмосфере)

2. Ветра (чем сильнее ветер, тем выше испарение)

3. Рельефа

Чем больше температура — тем больше абсолютная влажность (тем больше водяного пара)

Подсказка!

1. При равном значении температуры: растет относительная влажность и растет количество водяного пара

2. При равном значении водяного пара: растет температура, уменьшается относительная влажность.

3. При равном значении относительной влажности: растет количество водяного пара и растет температура.

Ссылки

Wikimedia Foundation
.
2010
.

Атмосфера неоднородна. В ее составе, особенно вблизи земной поверхности, можно выделить воздушные массы.

Воздушные массы — отдельные крупные объемы воздуха, обладающие определенными общими свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью и т.д.) и движущиеся как одно целое. Однако внутри этого объема ветры могут быть разные. Свойства определяются районом ее формирования. Она приобретает их в процессе соприкосновения с подстилающей поверхностью, над которой она формируется или задерживается. Воздушные массы имеют разные свойства. Например, воздух Арктики имеет низкие, а воздух тропиков высокие во все сезоны года, воздух северной существенно отличается от воздуха материка . Горизонтальные размеры воздушных масс огромны, они соизмеримы с материками и океанами или их крупными частями. Выделяют главные () типы воздушных масс, формирующихся в поясах с разным : арктические (), (полярные), тропические и экваториальные. Зональные воздушные массы подразделяются на морские и континентальные — в зависимости от характера подстилающей поверхности в районе их формирования.

Арктический воздух формируется над , а зимой еще и над севером Евразии и . Воздух характеризуется низкой температурой, малым влагосодержанием, хорошей видимостью и устойчивостью. Его вторжения в умеренные широты вызывают значительные и резкие похолодания и обусловливают преимущественно ясную и малооблачную погоду. Арктический воздух подразделяется на следующие разновидности.

Морской арктический воздух (мАв) — формируется в более теплой Европейской , свободной от льда, с более высокой температурой и большим влагосодержанием. Его вторжения на материк зимой вызывают потепление.

Континентальный арктический воздух (кАв) — формируется над Центральной и Восточной ледяной Арктикой и северным побережьем материков (зимой). Воздух имеет очень низкие температуры, низкое влагосодержание. Вторжение кАв на материк обусловливает сильное похолодание при ясной погоде и хорошей видимости.

Аналогом арктического воздуха в Южном полушарии является антарктический воздух, но влияние его распространяется преимущественно на прилегающие морские поверхности, реже — на южную оконечность .

Умеренный (полярный) воздух. Это воздух умеренных широт. В нем также различают два подтипа. Континентальный умеренный воздух (кУв), который формируется над обширными поверхностями материков. Зимой он очень охлажден и устойчив, обычно ясная с крепкими морозами. Летом он сильно прогревается, в нем возникают восходящие токи, образуются , нередко выпадают дожди, наблюдаются . Морской умеренный воздух (мУв) формируется в средних широтах над океанами, западными и переносится на материки. Он характеризуется высокой влажностью и умеренными температурами. Зимой мУв приносит пасмурную погоду, обильные осадки и повышение температуры (оттепели). Летом он также приносит большую , дожди; температура при его вторжении понижается.

Умеренный воздух проникает в полярные, а также субтропические и тропические широты.

Экваториальный воздух формируется в экваториальной зоне из тропического воздуха, приносимого пассатами. Он характеризуется высокими температурами и большой влажностью в течении всего года. Кроме того, эти качества сохраняются и над сушей, и над морем, поэтому на морские и континентальные подтипы экваториальный воздух не подразделяется.

Воздушные массы находятся в непрерывном движении. При этом если воздушные массы движутся в более высокие широты или на более холодную поверхность, их называют теплыми, так как они приносят потепление. Воздушные массы, перемещающиеся в более низкие широты или на более теплую поверхность, называются холодными. Они приносят похолодание.

Перемещаясь в другие географические районы, воздушные массы постепенно меняют свои свойства, прежде всего температуру и , т.е. переходят в воздушные массы другого типа. Процесс превращения воздушных масс из одного типа в другой под влиянием местных условий называется трансформацией. Например, тропический воздух, проникая и в умеренные широты, трансформируется соответственно в экваториальный и умеренный воздух. Морской умеренный воздух, оказавшись в глубине континентов, зимой охлаждается, а летом нагревается и всегда иссушается, превращаясь в континентальный умеренный воздух.

Все воздушный массы связаны между собой в процессе постоянного их перемещения, в процессе тропосферы.

Классификация воздушных масс

Разделение воздушных масс основывается на их термодинамических свойствах и очагах формирования.

Какими бывают газообразные состояния

Согласно термодинамической классификации воздушные массы подразделяют на:

• холодные (отличаются более низкой температурой, чем окружающий воздух, перемещаются на более теплую поверхность, вызывая похолодание);
• теплые (имеют температуру выше окружающего воздуха, двигаются с более теплой поверхности в район более холодной и приносят потепление);
• местные или нейтральные (пребывают в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, то есть не изменяют свойств; теплые или холодные массы воздуха становятся местными после трансформации).

Относительно устойчивости выделяют две группы воздушных масс. В устойчивых отсутствуют условия для формирования восходящих движений воздуха (конвекции), часто образуются инверсионные и изотермические слои. Это, как правило, теплые воздушные массы. Такими они становятся в двух случаях:

• если воздух малоподвижный, а подстилающая поверхность охлаждается (радиационный процесс);
• при движении теплого воздуха над холодной поверхностью (адвективный процесс).

Охлаждение нижнего слоя воздушной массы приводит к процессу конденсации водяной пары. Для устойчивых воздушных масс в холодный период года характерно возникновение слоистых и слоисто-кучевых туч, тумана, дымки. Для теплого периода года свойственна безоблачная погода в дневное время, и возникновение тумана, дымки ночью и утром.

Неустойчивые воздушные массы обладают условиями для развития восходящих движений воздуха. Неустойчивость характерна для холодных масс. Данное свойство они приобретают при следующих обстоятельствах:

• если воздух летом малоподвижен, а поверхность под ним прогревается (инсоляционный процесс);
• при движении холодного воздуха над теплой землей (адвентивный процесс).

Типичным для неустойчивых воздушных масс является формирование крупных кучевых и кучево-дождевых облаков, приносящих ливневые дожди и грозы. В теплое время года этот процесс чаще происходит над сушей во второй половине дня, а над водной поверхностью — ночью. В холодный период года образование значительной облачности кучевого типа, выпадение сильных осадков более характерно для океанов и морей, чем для внутриматериковых областей.

Типы воздушных масс классифицируют и в соответствии с географическим очагом их формирования (климатическим поясом). Но поскольку каждый из этих типов образуется в рамках своего пояса как над сушей, так и над и водной поверхностью, отличающимися своими физико-географическими характеристиками, существуют и подтипы — морские и континентальные. 

Таким образом, согласно географической классификации выделяют следующие типы воздушных масс:

1. Экваториальные. Образуются на экваторе, отличаются высокими показателями температуры (+24 — +28 °С). Насыщенные влагой, поэтому круглый год приносят обильные осадки. Не подразделяются на морские и континентальные. 
2. Тропические. Формируются в тропических широтах. Характеризуются высокими температурными показателями. Морские тропические воздушные массы влажные, с высокими летними температурами (+20 — +27 °С), которые снижаются в зимний период (+10 — +15 °С). Континентальные же в тропиках сухие, запыленные, их средние температуры от +26 до +40 °С.
3. Умеренные. Район формирования — умеренные широты (от 45° до 65° северной широты). Умеренные континентальные воздушные массы летом сухие и теплые, а зимой — сухие и холодные, вызывают морозную, но ясную погоду. Морские влажные, с относительно теплой температурой, способствуют похолоданию и дождливой погоде летом и оттепелям зимой.
4. Арктические и антарктические. Образуются в полярных широтах соответственно Северного и Южного полушарий. Сухие, прозрачные и очень холодные, они приносят значительное похолодание. Морской тип в данном случае более влажный, чем континентальный. 

В переходных климатических поясах осуществляется смена воздушных масс в зависимости от времени года. Они приходят из соседних основных поясов: зимой — из северного, а летом — из южного.

Циркуляция атмосферы в умеренных широтах

Воздушные массы умеренных широт характеризуется умеренным характером. Такие воздушные массы могут вторгаться в другие широты – тропические, полярные, субтропические. В умеренных широтах преимущество имеет западное направление ветра и циклоническая деятельность, неоднократная смена циклонов и антициклонов. В этих широтах четко проявляются сезонные температуры, осадки распределяются неравномерно, климатические районы достаточно разнообразны.

В зависимости от поверхности, над которой образуются, умеренные воздушные массы подразделяют на континентальные и морские. Континентальные умеренные воздушные массы способны принести безоблачную погоду с сильными морозами зимой, а также дождливую и теплую погоду летом. Морские умеренные воздушные массы обладают сильной влажностью воздуха и умеренной температурой. Как правило, такое течение воздушных масс приносит мрачную погоду с сильными осадками и потеплением в зимний период, а в летний период приносит дожди и облачность с понижением температуры воздуха.

Воздушные массы способны изменятся. При поступлении и продвижении в глубь континента морской умеренный воздух иссушается и трансформируется в континентальный. Для умеренных широт такое преобразование воздушных масс является типичным фактором. Периодически в умеренные широты вторгаются теплые, сухие воздушные массы из тропиков и холодные, сухие воздушные массы из приполярных широт. 

Воздушные массы отделены неширокими переходами, которые называются главными фронтами.