Строение и состав земной атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конвекция воздуха и ветер

атмосфера воздух конвекция циклон

В учебниках географии можно встретить такое определение земной атмосферы: «Атмосфера - воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с земным шаром как одно целое». Такое определение вызывает сомнения. Как понимать «вращается с земным шаром как одно целое»? По-видимому, так можно было бы сказать, если бы атмосфера в целом была неподвижна по отношению ко вращающемуся земному шару. Однако это далеко не так. В атмосфере все время происходят перемещения воздушных масс; в результате атмосфера оказывается весьма беспокойным объектом, о котором вряд ли можно говорить, что он вращается вместе с земным шаром «как одно целое».

Первопричиной всех беспокойств в атмосфере является неравномерность нагревания поверхности земного шара, а как следствие этого, и нижних слоев атмосферы. Имеется в виду неравномерность как в пространстве (для разных участков поверхности), так и во времени (в разное время суток, в разное время года).

Нагревание воздушных масс вблизи поверхности приводит в действие механизм конвекции: нагретый воздух начинает подниматься вверх. В то же время холодный воздух опускается вниз. Явление конвекции тебе хорошо известно. Напомню, что с учетом этого явления батареи отопления в квартире помещают вблизи пола, а не у потолка, а вот форточку, наоборот, помещают не у пола, а повыше. Холодный зимний воздух с улицы проникая через форточку в комнату, опускается к полу, а теплый воздух от нагретой батареи поднимается к потолку. В результате происходит перемешивание воздуха внутри комнаты. Всю комнату обогревает воздух от батареи, и всю комнату освежает воздух из форточки.

С конвекцией мы встречались в книге «Микромир и Вселенная» - там рассматривалась конвекция плазмы в недрах Солнца. В данной книге упоминалась конвекция магмы в астеносфере Земли. Конвекция наблюдается в средах жидких и газообразных. Астеносферу Земли можно рассматривать как весьма вязкую жидкость; поэтому процесс конвекции протекает там крайне медленно.

Сейчас нас интересует конвекция воздуха в атмосфере Земли. Почему она происходит? Почему более нагретый воздух поднимается («всплывает») над менее нагретым? Почему менее нагретый воздух погружается под более нагретый? Ответ на эти вопросы тебе уже известен. Ты уже знаешь, что теплый воздух легче холодного (его плотность меньше плотности холодного воздуха) и что закон Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах. Об этом мы говорили с тобой, когда рассматривали предыдущую тему. Значит, тебе уже не надо объяснять, что конвекция есть проявление закона Архимеда.

Восходящие и нисходящие движения воздуха, связанные с конвекцией, - не единственный вид движений воздушных масс в атмосфере. Возникают также воздушные потоки, распространяющиеся в горизонтальном (или близком к горизонтальному) направлении. Эти воздушные потоки имеют хорошо знакомое всем название - ветер.

Справка. Ветер -- движение воздуха относительно земной поверхности, вызванное неравномерным распределением атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому.

В справке не отмечается, что ветер - это горизонтальное движение воздуха. Строго говоря, главное в понятии ветра - это движение воздуха от места с более высоким давлением к месту с более низким давлением. В принципе эти два места не обязательно должны располагаться вблизи поверхности или на одинаковой высоте. Однако вблизи поверхности ветры обычно дуют в горизонтальном направлении. Некоторое отклонение от горизонтального направления может быть связано с рельефом местности. Не удивительно, что во многих учебниках географии даже специально отмечается: ветром называется движение воздуха в горизонтальном направлении.

Кстати, обрати внимание: одна из важнейших характеристик ветра -его направление - указывается в предположении, что ветер дует в горизонтальном направлении. Например, говорят, что данный ветер юго-восточный. Это значит, что речь идет о горизонтальном воздушном потоке, движущемся с юго-востока. Этот ветер дует в направлении с юго-востока на северо-запад. Заметь: ветер дует не на юго-восток, а с юго-востока! В названии ветра указывают не куда он дует, а откуда. Северный ветер дует с севера (ясно, что он направлен на юг). Западный ветер дует с запада (он направлен на восток).

Вторая важная характеристика ветра - скорость его движения. Она определяет так называемую силу ветра (обрати внимание: мы говорим «сила ветра», а имеем в виду скорость ветра). Ветрам разной силы присваивают специальные названия (например, легкий, свежий, крепкий, шторм, ураган). Измеряют силу ветра в баллах по условной 12-балльной шкале Бофорта. Ее предложил в 1806 году английский гидрограф и картограф контр-адмирал Френсис Бофорт (1774-1857). С этой шкалой ты можешь познакомиться. Здесь же приведены соответствующие значения скорости ветра.

Причиной неравномерного распределения атмосферного давления вблизи земной поверхности (иначе говоря, причиной возникновения горизонтально направленного ветра) может быть конвекция. В качестве примера рассмотрим, как возникает бриз - ветер, дующий на побережьях морей и крупных озер с суточной периодичностью. Днем бриз дует с моря на берег, а ночью - наоборот, с берега к морю. Днем суша прогревается сильнее, чем поверхность воды; поэтому над сушей плотность воздуха понижается, и воздух начинает подниматься вверх. В результате атмосферное давление над сушей несколько снижается - и тогда прохладный ветер с моря начинает дуть в направлении к берегу. Можно сказать, что нагревшийся воздух над сушей поднялся вверх (произошла конвекция воздуха) и на его место пришел холодный воздух с моря (появился бриз). Ночью ситуация обратная. Нагревшийся за день приповерхностный слой воды остывает медленнее, чем суша. И теперь холодный воздух с берега начинает дуть в направлении моря.

Потоки воздушных масс в атмосфере

В огромном разнообразии и кажущейся хаотичности воздушных потоков, формирующих беспокойную тропосферу Земли, просматриваются постоянные потоки воздушных масс, имеющие глобальный характер. Они обусловлены двумя причинами:

зависимостью среднегодовой температуры атмосферного воздуха вблизи поверхности от географической широты;

вращением Земли вокруг собственной оси.

Давай пофантазируем. Представим себе, что вращения Земли вокруг оси нет. Так что есть только один фактор - широтная зависимость температуры нижних слоев атмосферы. В этом случае общая картина воздушных потоков в атмосфере выглядела бы относительно просто. Ее нетрудно сконструировать.

Прежде всего учтем, что в экваториальной области воздух прогревается наиболее сильно. Значит, здесь плотность приповерхностных слоев воздуха должна быть относительно низкой (по сравнению с более высокими широтами). Теплый экваториальный воздух будет за счет конвекции подниматься вверх - к верхней границе тропосферы, а там он начнет растекаться частично к одному географическом полюсу, а частично - к другому. Холодный воздух в приполярных областях будет опускаться вниз - к земной поверхности. Итак, в районе экватора воздушные массы поднимаются вверх, а в районе полюсов они опускаются вниз. Поэтому атмосферное давление у поверхности вблизи экватора оказывается меньше давления вблизи полюсов. Эта разница давлений должна порождать постоянные приповерхностные ветры, дующие вдоль меридианов от полюсов к экватору. Образуется циркуляция воздуха: у поверхности -- от полюса к экватору, на экваторе - подъем вверх, в верхней тропосфере - от экватора к полюсу, на полюсе опускание вниз.

Такая циркуляция воздуха показана на рисунке «а» на с. 187. Ее называют ячейкой Хэдли - в честь английского астронома Джона Хэдли (1682-1744); его фамилию переводили раньше на русский язык немного иначе - Гадлей. Хэдли выдвинул предположение о существовании подобной циркуляции атмосферного воздуха в 1735 году для объяснения происхождения пассатов.

Хэдли сделал правильный вывод о том, что вблизи экватора воздух должен подниматься вверх, а вблизи полюсов должен опускаться. Именно интенсивный подъем воздушных масс в экваториальном поясе приводит к тому, что высота тропосферы на экваторе примерно в два раза больше, чем на полюсах. Однако Хэдли ошибался, полагая, что воздушная циркуляция охватывает все полушарие - от экватора до полюса. Так бы оно и было, если бы земной шар не вращался вокруг собственной оси. Но он вращается - и это заметно усложняет всю картину.

Прежде чем мы начнем ее обсуждать, заметим, что на рисунках «а» и «б» высота тропосферы изображена не в масштабе; здесь она всего лишь в несколько раз меньше радиуса Земли. Тогда как в действительности она составляет менее процента земного радиуса. Надо иметь в виду, что все рассматриваемые здесь движения воздушных масс совершаются в пределах тоненького слоя вокруг земного шара.

Вращение Земли вокруг оси приводит к двум существенным усложнениям в глобальной картине воздушных перемещений. Первое усложнение демонстрирует рисунок «б». Оно состоит в том, что вместо одной (экваториальной) области пониженного атмосферного давления наблюдаются три области - экваториальная, пояс около 60° с.ш. и пояс около 60° ю.ш. Соответственно, вместо двух областей повышенного атмосферного давления наблюдаются четыре области ~ приполярные области плюс пояс около 30° с.ш. и пояс около 30° ю.ш. Нет общей циркуляции воздуха в пределах полушария (от экватора до полюса); наблюдаются несколько циркуляции (несколько ячеек). Самая большая ячейка (ее назвали ячейкой Хэдли) циркулирует в пределах от экватора до 30° с.ш. (в Северном полушарии) или до 30° ю.ш. (в Южном полушарии). Между 30° и 60° циркулируют так называемые ячейки Феррела, а в приполярных областях циркулируют приполярные ячейки. Для всех ячеек справедливо одно и то же правило: воздух поднимается в области пониженного давления и опускается в области повышенного давления; вблизи земной поверхности воздух движется из области повышенного давления в область пониженного давления.

Почему вращение земного шара приводит к возникновению областей повышенного давления на широтах вблизи 30° с.ш. и 30° ю.ш.? Чтобы ответить на этот вопрос, надо рассмотреть, как движутся воздушные массы вдоль земной поверхности и вдоль верхней границы тропосферы. Вот этим мы сейчас и займемся.

Тем самым мы рассмотрим второе существенное усложнение, которое вносит вращение Земли в общую картину воздушных потоков в атмосфере. Оно заключается в том, что воздушные потоки распространяются не в меридиональных плоскостях, а отклоняются к востоку или к западу. Общее правило таково: в Северном полушарии все ветры, удаляющиеся от экватора, заворачивают к востоку, а ветры, приближающиеся к экватору, заворачивают к западу; в Южном полушарии наблюдается обратная картина. Это правило работает как вблизи земной поверхности, так и в верхней тропосфере, в чем ты можешь убедиться, рассмотрев рисунки «а» и «б» на с. 189.

Упомянутое общее правило нетрудно объяснить. Предварительно заметим, что благодаря вращению Земли точки на экваторе движутся в направлении с запада на восток со скоростью 40000 км : 24 ч = 1670 км/ч. Точки на 30-й параллели движутся в том же направлении, но их скорость меньше: 1450 км/ч. А скорость движения точек на 60-й параллели еще меньше; она равна примерно 830 км/ч. А теперь представь себе, что некая масса воздуха, находившаяся на параллели 30° с.ш. и имевшая скорость 1450 км/ч, перескочила на экватор, где точки движутся со скоростью 1670 км/ч. Ясно, что наша масса воздуха окажется отброшенной назад по отношению к направлению движения точек экватора, т.е. она окажется отброшенной на запад. А если бы масса воздуха перескочила с 30° с.ш на 60° с.ш., где скорость всего 830 км/ч, то в этом случае она оказалась бы отброшенной вперед, по направлению движения точек параллели, т.е. оказалась бы отброшенной на восток.

При постепенном перемещении воздушных масс от 30° с.ш. к экватору они будут все время отставать от точек, движущихся по своим параллелям; это отставание выразится в том, что, приближаясь к экватору, воздушные массы будут заворачивать к западу. Если же воздушные массы ьперемещаются от 30° с.ш. к полярным областям, то они будут все время обгонять точки, движущиеся по своим параллелям; это приведет к тому, что, удаляясь от экватора, воздушные массы будут заворачивать к востоку.

Так в Северном полушарии у поверхности Земли рождаются постоянно дующие северо-восточные пассаты, а в Южном полушарии - юго-восточные пассаты. Они показаны на рисунке «а» на с. 189. Там же показаны западные ветры между 30-й и 60-й параллелями и полярные восточные ветры. Ветры верхней тропосферы, показанные на рисунке «б» на с. 189, движутся в направлениях, противоположных направлениям соответствующих ветров у поверхности. Если пассаты в Северном полушарии являются северо-восточными ветрами, то соответствующие антипассаты являются юго-западными ветрами. Именно антипассаты объясняют возникновение области повышенного давления вблизи 30-й параллели. Постепенно заворачивая к востоку, воздушные массы в антипассатах успевают заметно охладиться и опускаются вниз, к земной поверхности, создавая там область повышенного давления.

На рисунке «б» показаны субтропические струйные течения - воздушные потоки в верхней тропосфере, распространяющиеся вдоль 30-х параллелей строго с запада на восток. По отношению к земной поверхности они движутся со скоростями 200-400 км/ч. Ширина течений измеряется сотнями километров, а толщина (высота) несколькими километрами. Струйные течения опоясывают земной шар по всей 30-й параллели.

Представленная на рисунках «б» (с. 187), «а», «б» (с. 189) общая картина воздушных потоков в атмосфере не учитывала, однако, еще одного достаточно важного фактора, который вносит в картину дополнительные поправки. Она не учитывала, как расположены на земной поверхности материки и океаны. Рассмотренная нами общая картина в большей степени годится для Южного полушария, нежели для Северного. Суша расположена в основном в Северном полушарии, и поэтому картина ветров в Северном полушарии дополнительно усложняется.

Тебе уже известно, что через границу суши и моря дуют слабые ветры, направление которых меняется дважды в сутки. Имеются в виду бризы. Своеобразные бризы, только значительно масштабнее, дуют полгода с материка на океан и полгода с океана на материк. Эти сезонные ветры называют муссонами. Они возникают вследствие сезонных различий в нагревании материков. С материка на океан дуют зимние муссоны, тогда как летние муссоны дуют, наоборот, с океана на материк. Поэтому муссонный климат характеризуется дождливым летом и сухой зимой.

От обычных циклонов и антициклонов к тропическим циклонам, называемым также тайфунами и ураганами

Циклоны и антициклоны

В ежедневных сводках погоды наряду с данными о температуре воздуха указывают, как по территории страны или материка распространяются области циклонов и антициклонов. Циклоны - области пониженного атмосферного давления (в центре циклона оно составляет на уровне моря 720-700 мм рт. ст.; в некоторых случаях понижается до 670 мм рт. ст.). Антициклоны -- области повышенного давления (на уровне моря 790-800 мм рт. ст.). Области циклонов и антициклонов имеют в поперечнике порядка тысячи километров; они перемешаются по земной поверхности со скоростью 10-100 км/ч. Когда над данной местностью появляется очередной антициклон, там устанавливается малооблачная сухая погода со слабыми ветрами. Если же над местностью появляется циклон, погода портится - образуется плотная облачность, идут дожди, дуют сильные ветры. Синоптики знают: если атмосферное давление растет, жди хорошей погоды; если же давление падает, пойдут дожди, будет пасмурно.

Циклоны и антициклоны представляют собой гигантские атмосферные вихри диаметром до 1000 км и высотой 10 км. Это ветры, которые стремятся заполнить область пониженного давления (в случае циклона), или, напротив, освободить область повышенного давления (в случае антициклона). Заполняя область пониженного давления, ветры в Северном полушарии скручиваются к центру циклона, двигаясь против часовой стрелки. А в Южном полушарии они скручиваются к центру циклона, двигаясь по часовой стрелке. Освобождая область повышенного давления, ветры в Северном полушарии раскручиваются от центра антициклона, двигаясь по часовой стрелке. А в Южном полушарии они раскручиваются от центра антициклона, двигаясь против часовой стрелки.

Все это схематически показано на рисунке на с. 192.

Насколько я понимаю, вихри циклонов и антициклонов накладываются на ту картину воздушных потоков, о которой шла речь в п. 9.2. Я имею в виду картину пассатов и муссонов.

Именно так. Существуют постоянно дующие пассаты и сезонные муссоны. А на них накладываются вихри, создаваемые циклонами и антициклонами.

А какова причина возникновения циклонов и антициклонов?

Они возникают вследствие изменения атмосферного давления в различных участках земной поверхности. Вот на какой-то участок поверхности проник холодный атмосферный фронт. В этом месте воздушные массы, охладившись, опустились вниз и создали вблизи поверхности повышенное давление. А в другом месте обнаружился теплый атмосферный фронт. Там, наоборот, воздушные массы, нагревшись, поднялись вверх - вблизи поверхности возникла область пониженного давления. Вот так и возникают циклоны и антициклоны.

А почему в области антициклона наблюдается хорошая погода, тогда как в области циклона она, наоборот, портится?

В области циклона воздух нагрет; вместе с водяными парами он поднимается вверх и в результате адиабатного расширения заметно охлаждается. Об этом уже упоминалось в п. 8.4 (напомню формулу (15)).

К тому же вблизи центра циклона воздух дополнительно нагревается за счет трения воздушных масс, вовлеченных в вихревое движение. Поэтому подъем вверх воздушных масс вместе с водяными парами усиливается. Вверху водяные пары конденсируются -- образуются плотные облака, идет дождь. А в области антициклона воздушные массы вместе с водяными парами вверх не поднимаются, а расходятся в стороны, прочь от центра антициклона. Облакам над областью антициклона просто не из чего образоваться.

Остается еще один вопрос. Мне непонятно, почему в циклонах и антициклонах воздушные массы вовлекаются в вихревые движения. Почему воздух не устремляется напрямую внутрь центра циклона и почему он не устремляется по прямым лучам прочь из центра антициклона? Что заставляет воздушные массы описывать вихри вокруг этих центров, в одном случае скручиваясь, а в другом - раскручиваясь? И почему циклоны в Северном полушарии и антициклоны в Южном должны непременно вращаться против часовой стрелки?

Эти вопросы, пожалуй, наиболее интересны. Ответы на них станут ясны чуть позже -- после того, как мы познакомимся с тропическими циклонами.

Жители Японии, Кореи, Китая, Австралии, Индии, южных районов США, Центральной Америки, островов Карибского моря знакомы с исключительно грозным природным явлением - тропическими циклонами. В Америке их называют ураганами, а на западном побережье Тихого океана тайфунами. Название «ураган» связано с именем бога бурь у древнего народа майя. «Тайфун» в переводе с китайского означает «очень большой ветер ».

Великий тайфун 1281 года уничтожил флот Хубилая, потомка Чингисхана, и тем самым предотвратил завоевание монголами Японии. Так утверждают историки. Пожалуй, это был единственный случай, когда тропический циклон сыграл положительную роль. А вообще тропические циклоны причиняли только бедствия, разрушая города, затопляя огромные территории, унося многие тысячи человеческих жизней.

Отметим некоторые мощные тропические циклоны во второй половине XX столетия. В сентябре 1959 года на Японию обрушился тайфун «Вера» (по странной иронии, тайфунам и ураганам принято давать женские имена).

Дым поднимается вверх

Дым немного отклоняется. Шелестит листва деревьев. Зажженная спичка не гаснет, но пламя заметно отклоняется

Качаются тонкие ветви деревьев. Пламя спички гаснет

Заметно качаются небольшие ветви деревьев. Покрывается легкими волнами поверхность воды

Качаются ветви деревьев

Еле заметно наклоняются тонкие и средние деревья

Качаются средние по толщине стволы деревьев. Ветер свистит в ушах

Гудят телефонные провода. На гребнях волн появляются тонкие барашки

Гнутся большие деревья. Ломаются тонкие ветви. Движение человека против ветра затруднено

Ветер срывает дымоходы и черепицу с крыш. Ломаются большие деревья

Ветер срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья

Ветер приносит сильные разрушения

Ветер разрушительной силы и значительной продолжительности

Размещено на Allbest.ru