Тема Атмосфера. Состав, строение, циркуляция
Атмосферная циркуляция является одним из важнейших климатообразующих факторов. Поэтому при наличии многолетних колебаний характера общей циркуляции атмосферы неизбежно происходят изменения климата в различных регионах. В связи с этим целесообразно использовать результаты исследований многолетних крупномасштабных изменений в атмосфере для анализа климатических характеристик.
В общей циркуляции атмосферы наблюдаются устойчивые изменения, которые обнаруживаются при статистическом анализе. Эти изменения отражаются на климатических условиях в каждом географическом регионе. Изучение влияния циркуляции атмосферы на формирование речного стока в пределах территории Беларуси целесообразно выполнить с использованием классификации типов атмосферной циркуляции (по Г.Я. Вангенгейму и А.А Гирсу) и индексов Северо-атлантического колебания (по Дж. Харрелл). Макроциркуляционный метод Г.Я. Вангенгейма и А.А. Гирса описывает циркуляцию атмосферы на трех пространственных уровнях и является действующим оперативным методом, который используется более 50 лет и актуален в настоящее время. Территория Беларуси в пространственном аспекте соответствует зоне действия данного метода. В то же время для современной оценки последних данных наблюдений и для всестороннего анализа связи общей циркуляции атмосферы и условий формирования речного стока в пределах региона необходимо привлечение новейших подходов, используемых для Атлантико-Евразийского сектора. В качестве такого метода целесообразно использование индексов Северо-атлантического колебания, которые являются предиктором для изменений общего состояния атмосферы и соответсвенно могут быть использованы для прогнозных исследований в области гидрометеорологии.
На основе учета характера длинных волн Г.Я. Вангенгейм установил, что все типы элементарных синоптических процессов можно обобщить в трех типах атмосферной циркуляции: западном (W), восточном (Е) и меридиональном (С). Макропроцессы W отражают зональное состояние атмосферы, процессы Е и С отражают меридиональное состояние атмосферы. А.А. Гирс получил 9 типов макропроцессов (W з, W м1 , W м2 . Е з, Е м1 , Е м2 , С з, С м1 , С м2), которые могут рассматриваться как основные формы атмосферной циркуляции северного полушария или как разновидности форм западной, восточной и меридиональной форм.
Для макропроцессов западной формы циркуляции (W з, W м1 , W м2) характерно следующее. В тропосфере наблюдаются волны малой амплитуды, быстро смещающиеся с запада на восток. Географическая локализация основных высотных (АТ500) гребней и ложбин показана на рисунке 2.1.
Ослаблен междуширотный обмен воздухом, а интенсивность зональных составляющих циркуляции повышена. Эта особенность определяется направлением и величиной термических и барических градиентов в толще тропосферы. Градиенты в среднем направлены с юга на север.
При трех разновидностях западной формы (W з, W м1 , W м2) отмечаются отрицательные аномалии давления, отражающие наличие здесь в толще тропосферы быстро смещающихся волн малой амплитуды и связанные с ними смещения циклонов у поверхности земли с запада на восток.
Рисунок 2.1 - Синоптические условия на территории Беларуси при макропроцессах западной (W) форме циркуляции
Состояние центров действия атмосферы различно при разных формах циркуляции и их разновидностях в северном полушарии. Так, для рассматриваемых процессов западной формы при всех трех ее разновидностях в районе расположения сибирского зимнего максимума отмечается отрицательная аномалия давления, что свидетельствует об ослаблении этого центра действия.
Распределение аномалий температуры воздуха при макропроцессах западной формы W з, W м1 , W м2 следующее. Характерны положительные аномалии температуры, так как во всех трех разновидностях здесь получил развитие процесс одной и той же западной формы. Вместе с тем в каждой из разновидностей имеются и свои особенности. Так, в случае W M1 , величина аномалий наибольшая, а при W з? наименьшая.
Для макропроцессов восточной формы (Ез, Ем1, Ем2) характерно следующее. В толще тропосферы наблюдаются стационарные волны большей амплитуды. Географическая локализация основных высотных (АТ500) гребней и ложбин при разновидностях восточной формы представлена на рисунке 2.2. Траектории наземных барических образований, зависящие от направления ведущего потока на высотах, приобретают значительную меридиональную составляющую, чем они существенно отличаются от процессов западной формы.
При процессах восточной формы циклоны смещаются в высокие широты в районах к западу от положения оси гребней и «ныряют» к югу в районах, расположенных восточнее высотных гребней. Струйные течения огибают гребни с севера, а ложбины с юга. Поэтому наиболее активная циклоническая деятельность в северных широтах отмечается там, где располагаются высотные гребни, а в южных широтах, где располагаются высотные ложбины.
Рисунок 2.2 синоптические условия на территории Беларуси при макропроцессах восточной (Е) формы циркуляции
Именно в этих районах наблюдаются «слияния» воздушных масс с различной температурой и происходит обострение фронтов.
Распределение аномалий давления при процессах восточной формы находится в согласии с положением основных высотных гребней и ложбин, свойственных разновидностям данной формы: под восточными частями высотных гребней формируются области положительных аномалий давления, под западными? области отрицательных аномалий.
Распределение аномалий давления при макропроцессах восточной формы принципиально отличается от их распределения при западной форме. При западной форме области положительных и отрицательных аномалий располагаются зонально, при восточной? меридионально.
Сопоставление аномалий давления, свойственных восточной форме, с картой норм позволяет составить представление о состоянии центров действия атмосферы при рассматриваемой форме циркуляции.
Процессы меридиональной формы (С з, С м1 , С м2) подобно процессам формы Е характеризуют меридиональное состояние атмосферы. Поэтому основной особенностью длинных термобарических волн, свойственных этой форме, так же как и восточной форме, является их стационарность, наличие большой амплитуды, а значит и усиленного междуширотного обмена воздухом. Вместе с тем процессы меридиональной формы имеют и принципиальные отличия от процессов формы Е, так как географическое положение высотных гребней и ложбин и связанных с ними наземных полей аномалий у этих форм обратные (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - синоптические условия на территории Беларуси при макропроцессах меридиональной (С) формы циркуляции
Струйное течение подобно струйному течению при макропроцессе Е огибает гребни с севера, а ложбины с юга. Однако, поскольку при меридиональной и восточной формах гребни и ложбины расположены в разных районах полушария, имеются соответствующие различия и в географическом расположении струйных течений.
В распределении аномалий температуры при макропроцессах С з, С м1 , С м2 четко проявляется меридиональность этих процессов. При этом географическое положение областей аномалий температуры находится в хорошем согласии с локализацией высотных гребней и ложбин (рисунок 2.3): под западными частями высотных гребней у земли формируются области положительных аномалий, под восточными? области отрицательных аномалий.
Основные вопросы . Какие постоянныеветры формируются над земной поверхностью?Какая существует зависимость между поясами атмосферного давления и количеством осадков?
Циркуляция атмосферы. Понимание процессов циркуляции атмосферы поможет вам понимать процессы, происходящие в атмосфере, и даже в какой-то степени самим предвидеть изменения погоды. Циркуляция (от лат.circulation) обозначает вращение. Циркуляция атмосферы – это вся система воздушных течений над земным шаром (рис.2) Разница давления порождает движение воздуха из областей высокого давления в области низкого.
В экваториальных широтах давление всегда пониженное. Это объясняется тем, что нагревающийся от поверхности Земли воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт. Потому над тропиками повышенное давление. В умеренных широтах давление пониженное по причине оттока воздуха более теплого воздуха в полярные широты. Воздух приходящий из умеренных широт создает повышенное давление над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде. Формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного давления (тропические и полярные).
Пассаты. На экваторе сильно нагретый воздух постоянно поднимается вверх, образуя восходящие потоки . За счет этого здесь формируется постоянный экваториальный пояс низкого давления. Воздух, поднявшийся над экватором, в верхних слоях тропосферы (10-12 км) растекается к полюсам. Постепенно он охлаждается и приблизительно над 30° северной и южной широты (т.е.в районе тропиков) начинает опускаться. Образуется избыток воздуха, за счет которого возникает пояс высокого давления (рис.).
Так как в экваториальном поясе преобладает низкое давление, а в тропическом близ тридцатых широт - высокое, то у поверхности Земли ветры дуют от поясов высокого давления к экватору. Такие ветры называют пассатами . Под влиянием вращения Земли вокруг оси пассаты отклоняются в северном полушарии вправо, т. е. на запад, и дуют с северо-востока на юго-запад, а в южном - влево и направлены с юго-востока на северо-запад (рис.)
Западные ветры умеренных широт. От тропических поясов высокого давления ветры дуют не только к экватору, но и в сторону полюсов, так как в районе умеренных широт (65° с. ш. и ю. ш.) преобладает низкое давление. Однако вследствие вращения Земли они постепенно отклоняются к востоку (в Северном полушарии - вправо, а в Южном - влево) и создают воздушный поток с запада на восток (см. рис. 15). Из областей высокого давления над тропиками и околополярных областей ветры дуют в область, где преобладает низкое давление, то есть к 65° с. ш. и ю. ш. Так в умеренных широтах образуются западные ветры.
В полярных областях Земли ветры дуют от полюсов, где располагаются области повышенного давления, к зонам пониженного давления умеренных широт. В этих областях обычны северо-восточные ветры в Арктике юго-восточные в Антарктике. Антарктические юго-восточные ветры в отличие от арктических северо-восточных устойчивы и имеют большие скорости.
Муссоны. Их название в переводе означает сезон (от араб, маусим - сезон). Характерная особенность муссонной циркуляции – смена направлений движения воздуха дважды в году в зависимости от сезона. Зимой муссон дует с суши на море, летом – с моря на сушу. Летом суша быстро прогревается, и давление воздуха над ее поверхностью падает. В это время более прохладный морской воздух начинает перемещаться на сушу. Он приносит не очень жаркий, но насыщенный влагой воздух, выпадает много осадков. Зимой – все наоборот. Материк остывает значительно быстрее, чем океан. Над океаном устанавливается область низкого давления, а над материком - высокого, поэтому зимниймуссон дует с сушина море. Он несет холодный и сухой воздух, малооблачную сухую погоду. Действие муссонов сильно проявляется в восточных частях материков, где с ними соседствуют огромные пространства океанов.(рис.5)
Распределение осадков на Земле. Атмосферные осадки на земной поверхности распределяются очень неравномерно. Одни территории страдают от избытка влаги, другие - от ее недостатка. Чем же можно объяснить такое неравномерное распределение осадков на поверхности Земли? Главная причина неравномерного распределение осадков - размещение поясов низкого и высокого атмосферного давления. (Изучите по карте «Годовое количество осадков» их распределение по земной поверхности. ) В области экватора и в других областях земной поверхности, где низкое давление, выпадает много осадков. В областях повышенного давления над тропиками и у полюсов осадков выпадает мало. (рис 4.).
Пассаты, западные ветры, северо-восточные и юго-восточные – постоянные ветры , муссоны – сезонные ветры, формирующиеся над земной поверхностью. Пояса атмосферного давления определяют количество осадков на земном шаре. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на формирование климата. Вследствие сочетания различных климатообразующих факторов климаты Земли очень разнообразны.
1.Что называется циркуляцией атмосферы?2. В каких районах Земли осадков выпадает мало, а в каких – много? Покажите их на карте и выделите закономерности.*3.Объясните причины постоянных ветров над земной поверхностью. **4.Какое влияние оказывает циркуляция атмосферы на климат вашей местности?
Неравномерность поступления солнечной радиации в те или иные регионы Земли служит главной причиной циркуляции Вм атмосферы с образованием циклонов и антициклонов. Циркуляция атмосферы – важнейший климатообразующий процесс, способствующий переносу тепла и влаги из одних регионов в другие и определяющий характер К. в любой точке поверхности земного шара. Существование циркуляции атмосферы обусловлено, главным образом, неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным в основном различным притоком солнечной радиации в тех или иных широтах, различными физическими свойствами земной поверхности (суши, моря и льда), а также отклоняющим влиянием вращения Земли на воздушные потоки.
Совокупность этих причин определяет местонахождение и перемещение постоянных и сезонных центров действия атмосферы, т.е. обширных областей атмосферы с преобладанием антициклонов (областей повышенного атмосферного давления) или циклонов (областей с пониженным атмосферным давлением). Размещение центров действия атмосферы отражает наиболее устойчивые особенности общей циркуляции атмосферы. Различают постоянные центры действия атмосферы, проявляющиеся в течение всего года – экваториальную депрессию; области высокого атмосферного давления над тридцатыми широтами северного и южного полушарий (Азорский антициклон (max) , Северо-Тихоокеанский / Гавайский max, Южно-Атлантический max, Южно-Индийский max, Южно-Тихоокеанский max); депрессии субполярных широт (Исландская депрессия (min), Алеутский min, Субантарктический min); полярные области высокого атмосферного давления (Арктический антициклон (max), Антарктический max), а также сезонные центры действия атмосферы, образование которых связано с интенсивным прогревом или охлаждением внутренних районов материков в летний и зимний сезоны – например, Азиатский антициклон, Канадский антициклон, Сахаро-Аравийский min, Южно-Азиатский min. Атмосферное давление само по себе не имеет большого непосредственного значения для климатов, но косвенное его значение нельзя недооценивать. В результате неравномерного распределения атмосферного давления возникает движение воздуха относительно земной поверхности, обычно горизонтальное, которое направлено от области высокого давления к низкому. Это движение не что иное, как ветер.
Существование постоянных центров действия определяет формирование постоянных ветров. Для тропического пояса характерна пассатная циркуляция.
Схема распределения давления и ветров на земной поверхности
Пассат – это постоянный ветер тропических широт, его возникновение связано с оттоком воздуха из области высокого давления над тридцатыми широтами в область экваториальной депрессии. Под воздействием силы Кориолиса пассаты в северном полушарии имеют северо-восточное направление, в южном полушарии – юго-восточное направление. Пассаты тропической зоны характеризуются удивительным постоянством направления и относительно равномерной скоростью. Поэтому в тропических широтах образуется пояс восточных ветров. Зона тропических восточных ветров по обе стороны экватора, включая и внутритропическую зону конвергенции, занимает самую большую площадь по сравнению с остальными звеньями общей циркуляции атмосферы.
Для внетропической зоны характерен западный перенос воздуха и в этих широтах формируется поле западных ветров. Западные ветры – это постоянные ветры умеренных широт. Их формирование обусловлено падением температуры воздуха и атмосферного давления от субтропиков (области высокого давления над тридцатыми широтами) к субполярным широтам. Меридионально направленные (вследствие существования барического градиента) воздушные течения отклоняются силой Кориолиса вправо в северном полушарии и влево – в южном, т.е. в обоих случаях с запада на восток. Зона западного переноса Вм отличается интенсивной циклонической деятельностью.
Зоны общей циркуляции меняют свое положение в соответствии с годовым ходом высоты Солнца, что является причиной устойчивого чередования преобладающих направлений ветра на окраинах этих зон. Хотя их смещение и незначительно, но оно играет большую роль в формировании климатических условий переходных климатических поясов (субарктического, субтропического, субэкваториального).
Ветер – одно из основных понятий метеорологии. Различают прямое воздействие ветра: рельефообразующий фактор, влияет на форму растений, способствует переносу семян растений, вызывает морские течения, регулирует дальность распространения морских и материковых влияний и т.д. Но большее значение, чем прямое воздействие ветра, имеют его косвенные эффекты, ибо именно ветру мы обязаны сменами погоды, связанными с перемещением различных Вм с их разнообразными свойствами.
Воздушные массы – относительно однородные части тропосферы, соизмеримые с большими частями материков и океанов и обладающие определенными общими свойствами (температурой, влажностью, давлением и т.д.); формируются над однородной подстилающей поверхностью, в однородных радиационных условиях; перемещаются как целое в одном из течений общей циркуляции атмосферы (что в значительной степени определяет характер климатических условий) и отделяются друг от друга атмосферными фронтами. По происхождению различают: арктические, антарктические, умеренных широт, тропические и экваториальные Вм с подразделением их (кроме экваториальных) на морской и континентальный типы.
Фронтальные зоны, формирующиеся в зоне контакта Вм, обладают большой неустойчивостью атмосферы. Для арктического и полярного атмосферных фронтов характерно образование циклонов, крупных атмосферных вихрей. Циркуляция воздуха в вихрях направлена в северном полушарии против, а южном – по часовой стрелке, с отклонением к центру циклона в нижних слоях атмосферы. В различных частях циклона отмечаются значительные температурные контрасты. Прохождение циклонов обычно сопровождается усилением облачности и осадков, изменением температуры воздуха и резкой сменой погоды.
Схема развития фронтального циклона (по С.П. Хромову)
Во внутритропической зоне конвергенции (зоны столкновения в атмосфере пассатов Северного и Южного полушарий, или пассата и экваториального муссона) наблюдаются сильные восходящие токи воздуха, приводящие к образованию мощной облачности и выпадению обильных ливневых осадков.
На территории Северных материков, большая часть которых располагается в умеренном, субарктическом и субтропическом поясах, господствует западный перенос Вм умеренных широт. Исландский и Алеутский барические минимумы, которые формируются над океаническими бассейнами в районе 60 0 с.ш., служат зонами конвергенции Вм, развития фронтальных процессов и формирования циклонов, которые смещаются с запада на восток, с океанов на материки и определяют режим погод на значительных пространствах Северных материков. Наиболее сильно влияние западных ветров проявляется в западно-приокеанических секторах Евразии и Северной Америки в субарктическом, умеренном поясах, где формируются морские типы климата, отличающиеся теплой для данных широт зимой, прохладным летом и большим количеством осадков, выпадающих в течение всего года с небольшим преобладанием зимних осадков. В западно-приокеаническом секторе субтропического пояса формируется средиземноморский климат с влажной зимой (влияние западных ветров) и сухим жарким летом (из-за летнего положения субтропических антициклонов).
В пределах южных тропических материков, основная площадь территории которых расположена в экваториально-тропических широтах, господствует пассатная циркуляция. В тропических широтах всех южных тропических материков пассаты непосредственно участвуют в образовании климатов восточных побережий. На восток Южной Америки, Австралии и Южной Африки пассаты приносят мТВ. Они способствуют выпадению осадков на восточных склонах береговых поднятий. В летнее время количество осадков увеличивается, т.к. усиливается пассатная циркуляция и влагосодержание Вм возрастает. С продвижением вглубь континентов, Вм трансформируются и количество осадков снижается. Более быстрое превращение мТВ в кТВ происходит в холодный период. Для этих районов характерны тропические влажные (пассатно влажные) климаты.
Особенно большую роль циркуляция пассатного типа играет в формировании климата северной, наиболее широкой части Африки, которая к тому же расположена в непосредственном соседстве с огромным материковым блоком Евразии. Северо-восточный пассат устойчиво наблюдается в течение всего года между 30 0 и 17 0 с.ш. над территорией северной Африки. Вм, перенесенные пассатным потоком, формируются в области повышенного давления тридцатых широт, располагающейся над севером Африки и Аравией. По своим свойствам это кТВм, которые очень сухие и осадков не дают. Поэтому, в зоне влияния этого воздушного потока формируется самая большая по площади пустыня мира – Сахара. Сахару называют «детищем северо-восточного пассата».
В зимний период над внутренними районами Северных материков развиваются обширные области с высоким атмосферным давлением: Канадский, Северо-Американский, Азиатский антициклоны. Наибольшей устойчивостью отличается Азиатский антициклон, центр которого расположен над северной Монголией и южным Забайкальем. Вм, формирующиеся в этих областях повышенного давления, отличаются сухостью и очень низкими температурами. Растекание Вм из Азиатского антициклона обусловливает снижение температур и отсутствие зимних осадков на огромных пространствах Северной, Центральной, Восточной Азии.
В летний период внутренние районы материков прогреваются, над ними формируются барические депрессии, в которые затягиваются Вм с окраин материков. Например, летние муссонноподобные ветры с Мексиканского залива, столкновение тихоокеанский и атлантических Вм над внутренними районами Мексиканского нагорья с развитием внутритропической конвергенции; аналогичные процессы развиваются летом южного полушария над внутренними районами Южной Африки.
На фоне общей циркуляции атмосферы в ряде регионов проявляется местная циркуляция, обусловленная географическими особенностями соответствующей территории: характером рельефа, резкими контрастами температуры воздуха, подстилающей поверхностью и др. Существует много локально обусловленных ветров, носящих местные наименования. Среди местных ветров обособленные группы образуют бризовые ветры, горно-долинные ветры, нисходящие (фёновые) ветры, синоптические региональные ветры (их формирование связано со специфической, чаще других повторяющейся, синоптической ситуацией): сирокко, самум, хамсин, вилли-вилли и др.; штормовые (торнадо, смерч, тайфун) ветры.
Атмосфера - наиболее подвижная, динамичная часть географической оболочки. Это объясняется, во-первых, ее газообразным состоянием, во-вторых, спецификой ее теплового режима. Атмосфера нагребается преимущественно снизу, от земной поверхности, поэтому в ней часто возникают вертикальные, а следовательно, и горизонтальные движения.
Тепловые машины. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1-2 % усваиваемой земной поверхностью солнечной энергии. Переход осуществляется в процессе работы так называемых тепловых машин. Разработка идеи о тепловых машинах географической оболочки принадлежит советскому ученому академику В. В. Шулейкину. Тепловой машиной называют систему, в которой тепловая энергия превращается в механическую. Каждая тепловая машина состоит из двух основных элементов нагревателя и холодильника, которые связываются между собой потоком вещества - теплоносителя. Благодаря разности температур теплоноситель перемещается от нагревателя к холодильнику, а вместе с ним переносится и теплота, часть теплоты при этом расходуется на движение теплоносителя.
Наиболее крупной тепловой машиной в географической оболочке является система экватор - полюсы. Ее называют тепловой машиной первого рода. С ней связаны наиболее масштабные движения в атмосфере. Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связывают возникновение муссонов в умеренных и субтропических широтах. Однако существуют и другие представления о природе возникновения муссонов.
В географической оболочке существует множество других тепловых контрастов: внутренний водоем - окружающая его суша, горы - равнины, ледники - поверхности без льда и т. д. В каждом таком случае можно говорить о своего рода тепловой машине, в которой происходит преобразование части тепловой энергии в механическую.
Коэффициент полезного действия тепловых машин в географической оболочке невелик. Это объясняется как небольшой разницей температур нагревателей и холодильников, так и большими потерями энергии на теплообмен с окружающей средой. Возникновение движения воздуха в атмосферных тепловых машинах рассмотрим на упрощенном примере.
Как известно, давление в любой точке атмосферы равно весу вышележащего столба воздуха. При равномерном нагревании земной поверхности и атмосферы изменение давления с высотой происходит одинаково во всех точках, что можно изобразить с помощью изобар (линий, соединяющих точки с одинаковым атмосферным давлением), проведенных на вертикальном разрезе атмосферы (рис. III. 6, а). Поступление дополнительного тепла в точку В приведет к расширению воздуха и к подъему изобар вверх (рис. III. 6, б). Это не вызовет изменения давления у земной поверхности, однако в атмосфере возникнет разность давления по горизонтали, причем горизонтальный барический градиент будет направлен в сторону точки А. Перенос воздуха в этом направлении на высоте приведет к увеличению массы воздуха над точкой А, а следовательно, и к увеличению давления воздуха в этой точке (т. е. на уровне земной поверхности). Теперь уже у земной поверхности возникает барический градиент, но направленный в противоположную сторону, т. е. к точке Б (рис. III. 6, в). Соответственно в этом направлении начнется перенос воздуха у земной поверхности.
Таким образом в теплых районах у земной поверхности возникают области пониженного давления, в холодных - повышенного, а на высоте - наоборот. Так образуются замкнутые вертикальные конвективные ячейки (кольца) циркуляции - элементарные тепловые машины.
Крупномасштабные вертикальные кольца циркуляции наблюдаются в низких широтах. В экваториальной зоне воздух поднимается вверх. В верхней тропосфере он направляется в сторону тропиков в виде антипассата. На широте 30-35° происходит опускание воздуха, откуда он направляется к экватору в виде пассата (см. рис. III. 8). Это вертикальное кольцо циркуляции было названо ячейкой Гадлея в честь английского ученого XVIII в., изучавшего пассатную циркуляцию. В наше время выяснилось, что пассаты и антипассаты связаны не только с процессами в вертикальных конвективных ячейках, т. е. с процессами термической природы, но и с динамическими процессами. Подробнее этот вопрос разбирается на занятиях по метеорологии и климатологии.
Основные закономерности атмосферной циркуляции. Совокупность движений атмосферного воздуха образует атмосферную циркуляцию. Основа ее возникновения - неравномерное распределение тепла в атмосфере, т. е. термический фактор. Возникающие движения преобразуются далее под влиянием отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса), трения о земную поверхность и ряда других факторов и приобретают сложную структуру.
Общее представление о закономерностях движений воздуха можно получить на основе анализа среднего многолетнего распределения атмосферного давления и преобладающих ветров у земной поверхности в январе и июле (см. Физико-географический атлас мира, с. 40-41). В распределении атмосферного давления проявляются две основные закономерности: с одной стороны, зональность, с другой - влияние материков и океанов. Зональность четко прослеживается на рис. III. 7, где приведена осредненная по широте величина атмосферного давления. Наблюдается чередование зон высокого и низкого давления. В области экватора давление ниже, чем в окаймляющих его тропических и субтропических областях. Высокое давление в этих поясах сменяется низким в умеренных и субполярных широтах. К полюсам происходит небольшое увеличение давления. Соответственно такому распределению давления формируется система ветров (см. Физико-географический атлас мира, с. 40-41). От субтропической области высокого давления в сторону экватора направлены пассаты, отклоняющиеся от градиента давления под действием силы Кориолиса и приобретающие восточную составляющую. В умеренных широтах господствующий перенос - западный, в полярных- восточный. Следует подчеркнуть, что это - осредненная картина, которая полностью совпадает с реальным распределением лишь в отдельные моменты. Изменчивость и непостоянство - характерные черты атмосферной циркуляции.
Не следует думать, что в природе существует простая причинная цепь: неоднородность в распределении тепла - распределении давления - распределении ветров. В общем виде такая последовательность возникновения цепи физических воздействий действительно наблюдается, однако реальное распределение трех названных характеристик зависит от их взаимодействия между собой и со многими другими факторами. Например, исходное распределение тепла мы связываем обычно с поступлением солнечной радиации на земную поверхность. Оно создает термическую неоднородность и тем самым обусловливает возникновение разности атмосферного давления, а следствием последней является ветер. Ветер, возникнув как результат перечисленных выше факторов, сам становится мощным фактором, воздействующим на первые два. Воздушные массы переносят тепло, влагу, минеральные соли и тем самым перераспределяют энергию на поверхности Земли. Последнее в свою очередь вызывает перераспределение атмосферного давления и системы ветров. На эти процессы влияет облачность - мощный регулятор радиационного и теплового обмена между земной поверхностью, атмосферой и космическим пространством. В результате картина настолько усложняется, что однозначно невозможно определить цепь причинно-следственных событий.
В средних и высоких широтах перенос воздуха в больших масштабах осуществляется в виде вихревых потоков - циклонов и антициклонов. Циклон - движущаяся восходящая система потоков воздуха, образующих спираль, закручивающуюся в южном полушарии по часовой стрелке, в северном - против часовой стрелки. Поэтому в северном полушарии при перемещении циклонов с запада на восток (это доминирующее направление движения циклонов в широкой полосе от 40 до 80° широты) в передней части циклона происходит перенос воздуха с юга на север, в тыловой - с севера на юг. В южном полушарии наблюдается аналогичный процесс с той лишь разницей, что в передней части наблюдается заток воздуха с севера на юг, в тыловой - с юга на север. Одновременно в циклонах осуществляются вертикальные движения - в центральной части циклона воздух поднимается вверх.
В антициклонах воздух движется по спирали от центра, где наблюдается высокое давление. Одновременно происходит опускание воздуха над центром антициклона.
В циклонах и антициклонах формируются особые погоды. На территории, занятой циклоном, наблюдается низкое давление, как правило, выпадают атмосферные осадки, происходит резкая смена направления и скорости ветра. Для антициклонов характерно высокое давление, чаще всего малооблачная устойчивая погода без осадков.
Распространение циклонов и антициклонов на земной поверхности характеризуется определенными закономерностями. В областях преимущественного распространения циклонов на климатических картах вырисовываются минимумы давления (Физико-географический атлас, с. 40-41), в областях распространения антициклонов - максимумы давления. Соответственно минимумам и максимумам распределяются атмосферные осадки (там же, с.42- 43). Увеличение осадков в циклонах связано с поднятием воздуха на атмосферных фронтах. В процессе поднятия воздух охлаждается. При определенной температуре происходит конденсация или сублимация содержащегося в воздухе водяного пара. Образовавшиеся водяные капли или кристаллы льда при достижении достаточных размеров падают на земную поверхность. В антициклонах воздух опускается, сжимается, благодаря этому нагревается и удаляется от точки насыщения.
В экваториальной зоне вследствие малых значений силы Кориолиса (sin ф составляет один из множителей в выражении, определяющем эту силу) циклоны и вообще вихревые системы не образуются. Большое количество атмосферных осадков в этой зоне связано с конвективным поднятием воздуха.
Таким образом, основные (фоновые) закономерности распределения атмосферных осадков связаны с характером циркуляционных процессов. Карта атмосферных осадков позволяет увидеть множество деталей в их распределении, связанных с влиянием рельефа и других факторов.
На рис. III. 8 дана схема общей циркуляции атмосферы с учетом основных типов движения в атмосфере (пассатов, вихревых систем, восточных ветров в полярных районах и вертикальных колец). В целом циркуляция атмосферы складывается из зональных, меридиональных и вертикальных движений. Зональные движения (вдоль параллелей) преобладают. Они на порядок интенсивнее меридиональных и на два порядка - вертикальных. Хотя меридиональные движения и слабее зональных, их значение велико. Меридиональные потоки осуществляют межширотный обмен воздуха. Именно благодаря меридиональному переносу (который имеет место и в океане) реальное распределение температуры на земной поверхности менее контрастное, чем солярное, - теоретически рассчитанное по радиационному переносу энергии (табл. III. 1).
Вертикальные движения (их главные потоки изображены на рис. III. 8 в виде колец) сильно уступают горизонтальным движениям по интенсивности. Однако они также играют исключительно важную роль, поскольку без них вообще была бы невозможна циркуляция атмосферы.
Типы атмосферной циркуляции. В отдельные периоды соотношение между зональными и меридиональными потоками в атмосфере меняется. Соответственно этому исследователи выделяют несколько типов атмосферной циркуляции, которые можно свести к двум основным - широтному (зональному) и меридиональному.
При широтном типе циркуляции контрасты между низкими и высокими широтами возрастают, а погодные условия характеризуются сравнительно слабой изменчивостью. При меридиональном типе циркуляции обмен воздушными массами между теплыми и холодными районами обусловливает резкую изменчивость погоды, а вследствие этого - и резкую изменчивость всего комплекса физико-географических процессов.
Типы атмосферной циркуляции постоянно сменяют друг друга. Однако в течение нескольких, следующих друг за другом лет (до 15) часто наблюдается преобладание (иногда весьма четко выраженное) одного типа циркуляции. Причина чередования типов не совсем ясна. Возможно, что она связана с солнечной активностью. Высказываются предположения и о существовании в атмосфере (лучше сказать в системе атмосфера - океан - земная поверхность) собственных ритмов.
В последние 15-20 лет на земном шаре отмечено учащение экстремальных явлений погоды (сильные засухи и одновременно исключительно дождливые сезоны, частые ураганы, жестокие морозы и др.). Некоторые ученые связывают их с деятельностью человека, все в более широких масштабах воздействующего на природную среду. Другие считают, что они обусловлены преобладанием в современную эпоху меридионального типа циркуляции (один из этапов колебания климата), вызывающего экстремальные процессы в атмосфере вследствие более активного обмена холодных полярных и теплых тропических масс воздуха.
В атмосфере наблюдаются также местные циркуляции - движения воздуха, связанные с формами рельефа, ледниками, взаимодействием суши и водоемов и другими факторами. Они получили название горно-долинных, склоновых и ледниковых ветров, бризов, фенов и др. Их роль в перераспределении на земной поверхности тепла, влаги и других параметров также значительна, хотя и имеет локальный характер.
Однако, несмотря на постоянные переносы воздуха, в целом ат-мосфера сохраняет состояние, близкое к равновесному. Все переносы связаны между собой и образуют гигантский атмосферный круговорот. Механическая энергия атмосферы постепенно рассеивается и превращается в теплоту, которая затем преобразуется в длинноволновое излучение и направляется в Космос или к земной поверхности. Другая часть механической энергии передается океану при трении воздушных масс о водную поверхность.
Если бы поступление солнечной энергии не возобновляло термическую неоднородность земной поверхности, атмосферная циркуляция вскоре бы прекратилась (примерно за две недели). Еще быстрее это произошло бы на невращающейся Земле при отсутствии силы Кориолиса. Однако непрерывное поступление солнечной радиации к Земле приводит к постоянному воспроизведению основных элементов циркуляции.
