10. Воздушные массы
10.5. Трансформация воздушных масс
При изменении циркуляционных условий воздушная масса как единое целое смещается из очага своего формирования в соседние районы, взаимодействуя с другими воздушными массами.
При перемещении воздушная масса начинает изменять свои свойства – они уже будут зависеть не только от свойств очага формирования, но и от свойств соседних воздушных масс, от свойств подстилающей поверхности, над которой проходит воздушная масса, а также от длительности времени, прошедшего с момента образования воздушной массы.
Эти влияния могут вызвать изменения в содержании влаги в воздухе, а также изменение температуры воздуха в результате высвобождения скрытой теплоты или теплообмена с подстилающей поверхностью.
i Процесс изменения свойств воздушной массы называется трансформацией или
эволюцией.
Трансформация, связанная с движением воздушной массы, называется динамической. Скорости перемещения воздушной массы на разных высотах будут различными, наличие сдвига скоростей вызывает турбулентное перемешивание. Если нижние слои воздуха нагреваются, то возникает неустойчивость и развивается конвективное перемешивание.
Обычно процесс трансформации воздушной массы продолжается от 3 до 7 суток. Признаком его окончания является прекращение изменений температуры воздуха день ото дня как вблизи земной поверхности, так и на высотах – т.е. достижение температуры равновесия.
i Температура равновесия характеризует температуру, свойственную данному
району в данное время года.
Процесс достижения температуры равновесия можно рассматривать, как процесс формирования новой воздушной массы.
Особенно интенсивно протекает трансформация воздушных масс при смене подстилающей поверхности, например, при смещении воздушной массы с суши на море.
Ярким примером может служить трансформация континентального умеренного воздуха над Японским морем зимой.
10. Воздушные массы
При перемещении континентального умеренного воздуха над Японским морем он трансформируется в воздух, близкий по свойствам к морскому умеренному воздуху, который зимой занимает акваторию Тихого океана.
Континентальный умеренный воздух характеризуется малой влажностью и очень низкими температурами воздуха. Трансформация холодного континентального воздуха над Японским морем протекает очень интенсивно, особенно это относится к случаям резких вторжений, когда воздушная масса находится в начальной стадии трансформации.
Основную роль в термической трансформации воздуха в приземном слое играет турбулентный теплообмен между воздушной массой и морской подстилающей поверхностью.
Интенсивность прогревания холодного воздуха над морем прямо пропорциональна разности температур воды и воздуха. Согласно эмпирическим оценкам, величина термической трансформации холодного воздуха у морской поверхности прямо пропорциональна произведению
(T-Tw ) t,
где Т – температура континентального воздуха, Tw – температура поверхности моря, t – время (в часах) перемещения континентального воздуха над морем.
Поскольку разность температур между воздухом континентального муссона и температурой поверхности моря над Японским морем превышает 10-15 °С у берегов Приморья, то прогревание воздуха у поверхности моря происходит очень быстро и зависит от его пути, пройденного над морем.
Кроме того, при поступлении холодного воздуха на тёплую подстилающую поверхность Японского моря возрастает его неустойчивость. Величина вертикального температурного градиента в приземном слое (100-150 м) быстро возрастает с высотой.
Отметим, что при слабом ветре воздух прогревается сильнее, чем при сильном ветре, но при этом прогревается только тонкий приводный слой атмосферы. При сильном ветре в перемешивание вовлекается слой воздуха большей толщины – до 1.5 км и более. Интенсивный турбулентный теплообмен, косвенным индикатором которого служит значительная повторяемость умеренных и сильных ветров над морем, благоприятствует быстрому распространению тёплого воздуха вверх. При этом адвекция холода с высотой возрастает, что приводит к повышению неустойчивости воздушной массы.
При перемещении над морем континентальный воздух не только прогревается, но и обогащается влагой, что также повышает его неустойчивость в соответствии с понижением уровня конденсации.
10. Воздушные массы
При подъёме влажного воздуха в результате процессов конденсации происходит выделение скрытой теплоты парообразования. Выделяющаяся теплота конденсации (скрытая теплота парообразования) идет на нагревание воздуха. При подъёме влажного воздуха падение температуры происходит уже по влажноадиабатическому закону, т.е медленнее, чем в случае сухого воздуха.
По мере перемещения над морем, сопровождающегося прогревом и увлажнением, воздушная масса приобретает черты неустойчивой, по крайней мере, в нижнем 1.5- километровом слое атмосферы. В ней интенсивно развивается не только динамическая, но и термическая конвекция. Об этом свидетельствует образование кучевообразной облачности, представляющей собой деформированные закрытые ячейки. Эти ячейки под влиянием ветра вытягиваются в виде цепочек от берегов Приморья до западных берегов Японии, где их мощность увеличиваются и они дают осадки.
Образование облачности над морем и изменение облачности вдоль пути воздушной массы, в свою очередь, приводит к изменениям температуры воздуха. Образовавшаяся облачность экранирует уходящее излучение и создает противоизлучение атмосферы.
Кроме того, по периферии облачной ячейки формируются нисходящие потоки воздуха. При опускании воздух удаляется от состояния насыщения и адиабатически нагревается. Суммарный нисходящий поток над морем может давать существенный вклад в изменение температуры воздуха над морем.
Дополнительно в сторону роста температуры воздуха играет роль изменение альбедо: перемещение воздуха происходит зимой с континента, где преобладает снежный покров (альбедо в среднем 0.7), на открытую поверхность моря (альбедо в среднем 0.2). Данные условия могут повысить температуру воздуха на 5-10 °С.
Накапливание теплого воздуха у восточных берегов Японского моря активизирует процессы образования облачности и осадков, что, в свою очередь, отражается на формировании поля температуры воздуха.
10.6. Термодинамическая классификация воздушных масс
С точки зрения трансформации воздушных масс их можно классифицировать на тёплые, холодные и нейтральные. Такая классификация носит название термодинамической.
10. Воздушные массы
i Тёплой (холодной) называют воздушную массу, которая теплее (холоднее)
окружающей её среды и в данном районе постепенно охлаждается (нагревается), стремясь приблизиться к тепловому равновесию
Под окружающей средой здесь понимается характер подстилающей поверхности, её тепловое состояние, а также соседние воздушные массы.
Относительно тёплой (холодной) называется воздушная масса, которая теплее (холоднее) окружающих воздушных масс, и которая продолжает прогреваться (охлаждаться) в данном районе, т.е. является холодной (тёплой) в указанном выше смысле.
Чтобы определить, охлаждается или прогревается воздушная масса в данном районе, следует в течение несколько дней сравнивать температуру воздуха, измеренную в один и тот же срок, или же средние суточные температуры воздуха.
i Местной (нейтральной) воздушной массой называют массу, находящуюся в
тепловом равновесии со своей средой, т.е. день за днем сохраняющую свои свойства без существенных изменений.
Таким образом, трансформирующаяся воздушная масса может быть и тёплой, и холодной, а по завершении трансформации она становится местной.
На карте ОТ 1000 500 холодной воздушной массе соответствует ложбина или замкнутая область холода (очаг холода), тёплой – гребень или очаг тепла.
Воздушная масса может характеризоваться как неустойчивым, так и устойчивым равновесием. Данное разделение воздушных масс учитывает один из важнейших результатов теплового обмена – вертикальное распределение температуры воздуха и соответствующий ему вид вертикального равновесия. С устойчивыми (УВМ) и неустойчивыми (НВМ) воздушными массами связаны определённые условия погоды.
Нейтральные (местные) воздушные массы в любой сезон могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми в зависимости от начальных свойств и направления трансформации той воздушной массы, из которой образовалась данная воздушная масса. Над материками нейтральные воздушные массы летом, как правило, неустойчивы, зимой
– устойчивы. Над океанами и морями такие массы летом чаще устойчивы, зимой неустойчивы.
Движение воздушных масс
Весь воздух Земли непрерывно циркулирует между экватором и полюсами. Нагретый у экватора воздух поднимается вверх, разделяется на две части, одна часть начинает двигаться к северному полюсу, другая часть - к южному полюсу. Доходя до полюсов, воздух охлаждается. У полюсов он закручивается и опускается вниз.
Рисунок 1. Принцип закручивания воздуха
Получается два огромных вихря, каждый из которых охватывает по целому полушарию, центры этих вихрей находятся у полюсов.
Опустившись у полюсов, воздух начинает двигаться обратно к экватору, у экватора нагретый воздух поднимается вверх. Затем опять движется к полюсам.
В нижних слоях атмосферы движение несколько сложнее. В нижних слоях атмосферы воздух от экватора как обычно начинает двигаться к полюсам, но у 30-ой параллели опускается вниз. Одна его часть возвращается к экватору, где снова поднимается вверх, другая его часть, опустившись у 30-ой параллели вниз, продолжает движение к полюсам.
Рисунок 2. Движение воздуха северного полушария
Понятие ветра
Ветер – движение воздуха относительно земной поверхности (горизонтальная составляющая этого движения), иногда говорят о восходящем или о нисходящем ветре, учитывая и его вертикальную составляющую.
Скорость ветра
Оценка скорости ветра в баллах, так называемая шкала Бофорта ,по которой весь интервал возможных скоростей ветра делится на 12 градаций. Эта шкала связывает силу ветра с различными его эффектами, такими, как степень волнения на море, качание ветвей и деревьев, распространение дыма из труб и т.п. Каждая градация по шкале Бофорта носит определенное название. Так, нулю шкалы Бофорта соответствует штиль, т.е. полное отсутствие ветра. Ветер в 4 балла,по Бофорту называется умеренным и соответствует скорости 5–7 м/сек; в 7 баллов – сильным, со скоростью 12–15 м/сек;в 9 баллов – штормом, со скоростью 18–21 м/сек;наконец, ветер в 12 баллов по Бофорту – это уже ураган, со скоростью свыше 29 м/сек. У земной поверхности чаще всего приходится иметь дело с ветрами, скорости которых порядка 4–8 м/сек и редко превышают 12–15 м/сек.Но все же в штормах и ураганах умеренных широт скорости могут превышать 30 м/сек, а в отдельных порывах достигать 60 м/сек.В тропических ураганах скорости ветра доходят до 65 м/сек,а отдельные порывы – до 100 м/сек.В маломасштабных вихрях (смерчи, тромбы) возможны скорости и более 100 м/сек.В так называемых струйных течениях в верхней тропосфере и в нижней стратосфере средняя скорость ветра за длительное время и на большой площади может доходить до 70–100 м/сек. Скорость ветра у земной поверхности измеряется анемометрами разной конструкции. Приборы для измерения ветра на наземных станциях устанавливаются на высоте 10–15 м над земной поверхностью.
| Таблица 1. СИЛА ВЕТРА. | |||
| Шкала Бофорта для определения силы ветра | |||
| Баллы | Визуальные признаки на суше | Скорость ветра, км/ч | Термины, определяющие силу ветра |
| Спокойно; дым поднимается вертикально | Менее 1,6 | Штиль | |
| Направление ветра заметно по отклонению дыма, но не по флюгеру | 1,6–4,8 | Тихий | |
| Ветер ощущается кожей лица; шелестят листья; поворачиваются обычные флюгеры | 6,4–11,2 | Легкий | |
| Листья и мелкие веточки находятся в постоянном движении; развеваются легкие флаги | 12,8–19,2 | Слабый | |
| Ветер поднимает пыль и бумажки; раскачиваются тонкие ветви | 20,8–28,8 | Умеренный | |
| Качаются покрытые листвой деревья; появляется рябь на водоемах суши | 30,4–38,4 | Свежий | |
| Качаются толстые ветви; слышен свист ветра в электропроводах; трудно удерживать зонт | 40,0–49,6 | Сильный | |
| Качаются стволы деревьев; трудно идти против ветра | 51,2–60,8 | Крепкий | |
| Ломаются ветви деревьев; практически невозможно идти против ветра | 62,4–73,6 | Очень крепкий | |
| Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу с крыш | 75,2–86,4 | Шторм | |
| На суше бывает редко. Деревья выворачиваются с корнями. Значительные разрушения строений | 88,0–100,8 | Сильный шторм | |
| На суше бывает очень редко. Сопровождается разрушениями на большом пространстве | 102,4–115,2 | Жестокий шторм | |
| Сильные разрушения (Баллы 13–17 были добавлены Бюро погоды США в 1955 и применяются в шкалах США и Великобритании) | 116,8–131,2 | Ураган | |
| 132,8–147,2 | |||
| 148,8–164,8 | |||
| 166,4–182,4 | |||
| 184,0–200,0 | |||
| 201,6–217,6 | |||
Направление ветра
Под направлением ветра подразумевают направление, откуда он дует. Указать это направление можно, назвав либо точку горизонта, откуда дует ветер, либо угол, образуемый направлением ветра с меридианом места, т.е. его азимут. В первом случае различают восемь основных румбов горизонта: север, северо-восток, восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад, северо-запад. И восемь промежуточных румбов между ними: север-северо-восток, восток-северо-восток, восток-юго-восток, юг-юго-восток, юг-юго-запад, запад-юго-запад, запад-северо-запад, север-северо-запад. Шестнадцать румбов, указывающих направление, откуда дует ветер, имеют сокращенные обозначения:
| Таблица 2. СОКРАЩЁННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ РУМБОВ | |||||||
| С | N | В | E | Ю | S | W | |
| CCB | NNE | ВЮВ | ESE | ЮЮЗ | SSW | ЗСЗ | WNW |
| CB | NE | ЮВ | SE | ЮЗ | SW | СЗ | NW |
| BCB | ENE | ЮЮВ | SSE | ЗЮЗ | WSW | ССЗ | NNW |
| N – норд, E – ост, S – зюйд, W – вест |
Циркуляция атмосферы
Циркуляция атмосферы - метеорологические наблюдения над состоянием воздушной оболочки земного шара - атмосферы - показывают, что она вообще не находится в покое: при помощи флюгеров и анемометров мы постоянно наблюдаем в виде ветра перенос масс воздуха с одного места на другое. Изучение ветров в различных местностях земного шара показало, что перемещения атмосферы в тех нижних слоях, которые доступны нашему наблюдению, имеют весьма различный характер. Существуют местности, где явления ветра, как и прочие особенности погоды обладают весьма ясно выраженным характером устойчивости, известным стремлением к постоянству. В других же местностях ветры так быстро и часто меняют свой характер, так резко и внезапно изменяется их направление и сила, как будто бы никакой законности в их быстрых сменах не существовало. С введением синоптического метода для изучения непериодических изменений погоды явилась, однако, возможность подметить некоторую связь между распределением давления и передвижениями масс воздуха; дальнейшие теоретические исследования Ферреля, Гульдберга и Мона, Гельмгольца, Бецольда, Обербека, Шпрунга, Вернера Сименса и других метеорологов разъяснили, откуда и как возникают воздушные потоки и как они распределяются по земной поверхности и в массе атмосферы. Внимательное изучение метеорологических карт, изображающих состояние нижнего слоя атмосферы, - погоду у самой поверхности земли, показало, что давление атмосферы распределяется по земной поверхности довольно неравномерно, обыкновенно в виде областей с более низким или с более высоким, чем в окружающем районе, давлением; по системе ветров, в них возникающей, эти области представляют собою настоящие атмосферные вихри. Области пониженного давления принято называть обыкновенно барометрическими минимумами, барометрическими депрессиями или циклонами; области повышенного давления называются барометрическими максимумами или антициклонами. С этими областями теснейшим образом связана и вся погода в занимаемом ими районе, резко отличающаяся для областей пониженного давления от погоды в областях сравнительно высокого давления. Перемещаясь по земной поверхности, упомянутые области переносят с собою и характерную, им свойственную погоду, и своими перемещениями вызывают ее непериодические изменения. Дальнейшее изучение тех и других областей привело к тому заключению, что эти типы распределения атмосферного давления могут иметь еще различный характер по способности сохранять свое существование и менять свое положение на земной поверхности, отличаются очень не одинаковою устойчивостью: существуют барометрические минимумы и максимумы временные и постоянные. В то время, как первые - вихри - временные и не обнаруживают достаточной устойчивости и более или менее быстро переменяют свое место на земной поверхности, то усиливаясь, то ослабевая и, наконец, совершенно распадаясь в сравнительно короткие промежутки времени, области постоянных максимумов и минимумов обладают чрезвычайно большой устойчивостью и в течение весьма продолжительного времени держатся, без существенных изменений, на одном и том же месте. С различною устойчивостью этих областей теснейшим образом связана, конечно, и устойчивость погоды и характер воздушных течений в занимаемом ими районе: постоянным максимумам и минимумам будут соответствовать и постоянная, устойчивая погода и определенная, неизменная система ветров, месяцами держащиеся на месте их существования; временные же вихри при своих быстрых, постоянных перемещениях и изменениях вызывают крайне переменчивую погоду и очень непостоянную для данного района систему ветров. Таким образом, в нижнем слое атмосферы, вблизи земной поверхности, перемещения атмосферы отличаются большим разнообразием и сложностью, а кроме того, не всегда и не везде обладают и достаточной устойчивостью, особенно в тех районах, где преобладают вихри временного характера. Каковы будут движения масс воздуха в несколько более высоких слоях атмосферы, обычные наблюдения не говорят ничего; только наблюдения над движениями облаков позволяют думать, что там - на некоторой высоте над поверхностью земли, все вообще движения воздушных масс несколько упрощаются, носят более определенный и более однообразный характер. А между тем нет недостатка в фактах, указывающих на огромное влияние высоких слоев атмосферы на погоду в нижних: достаточно, напр., указать, что направление передвижения временных вихрей стоит, по-видимому, в прямой зависимости от движения высоких слоев атмосферы. Поэтому еще прежде, чем наука стала располагать достаточным количеством фактов, чтобы решать вопрос о перемещениях высоких слоев атмосферы, явились уже некоторые теории, пытавшиеся объединить все отдельные наблюдения над движениями нижних слоев воздуха и создать общую схему Ц. атмосферы; такова, напр., была теория Ц. атмосферы, данная Мори. Но, пока не было собрано достаточного числа фактов, пока не было вполне выяснено соотношение между давлением воздуха в данных пунктах и ею перемещениями, до тех пор подобные теории, основанный более на гипотезах, чем на фактических данных, не могли дать реального представления о том, что в действительности может совершаться и совершается в атмосфере. Только к концу минувшего XIX в. накопилось достаточно для этого фактов и динамика атмосферы была разработана настолько, что явилась возможность дать действительную, а не гадательную картину Ц. атмосферы. Честь решения вопроса об общем круговороте масс воздуха в атмосфере принадлежит американскому метеорологу Уильяму Феррелю - решения, настолько общего, полного и верного, что все позднейшие исследователи в этой области только разрабатывали детали или вносили дальнейшие дополнения в основные идеи Ферреля. Основною причиною всех движений в атмосфере является неравномерное нагревание различных точек земной поверхности солнечными лучами. Неодинаковость нагревания влечет за собою возникновение разности давлений над различно нагретыми точками; а результатом разности давлений всегда и неизменно явится передвижение масс воздуха от мест более высокого к местам более низкого давления. Поэтому, вследствие сильного нагревания экваториальных широт и очень низкой температуры полярных стран в обоих полушариях, воздух, прилегающий к земной поверхности, должен придти в движение. Если, по имеющимся наблюдениям, подсчитать средние температуры различных широт, то экватор окажется в среднем на 45° теплее полюсов. Для определения направления движения необходимо проследить распределение давления но земной поверхности и в массе атмосферы. Чтобы исключить сильно осложняющее все расчеты неравномерное распределение суши и вод по земной поверхности, Феррель сделал предположение, что и суша, и вода равномерно распределены по параллелям, и подсчитал средние температуры различных параллелей, понижение температуры по мере поднятия на некоторую высоту над земною поверхностью и давление внизу; а затем по этим данным он уже вычислил и давление на некоторых других высотах. Следующая небольшая табличка представляет результат подсчетов Ферреля и дает распределение давления в среднем по широтам на поверхности земли и на высотах 2000 и 4000 м.
| Таблица 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПО ШИРОТАМ НА ПОЫЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И НА ВЫСОТАХ 2000 И 4000 М | ||||||||
| Среднее давление в Северном полушарии | ||||||||
| На широте: | 80 ○ | 70 ○ | 60 ○ | 50 ○ | 40 ○ | 30 ○ | 20 ○ | 10 ○ |
| На уровне моря | 760,5 | 758,7 | 758,7 | 760,07 | 762,0 | 761,7 | 759,2 | 757,9 |
| На высоте 2000 м | 582,0 | 583,6 | 587,6 | 593,0 | 598,0 | 600,9 | 600,9 | 600,9 |
| На высоте 4000 м | 445,2 | 446,6 | 451,9 | 457,0 | 463,6 | 468,3 | 469,9 | 470,7 |
| Среднее давление в Южном полушарии | ||||||||
| На широте: | (экватор) | 10 ○ | 20 ○ | 30 ○ | 40 ○ | 50 ○ | 60 ○ | 70 ○ |
| На уровне моря | 758,0 | 759,1 | 761,7 | 763,5 | 760,5 | 753,2 | 743,4 | 738,0 |
| На высоте 2000 м | 601,1 | 601,6 | 602,7 | 602,2 | 597,1 | 588,0 | 577,0 | 569,9 |
| На высоте 4000 м | 471,0 | 471,1 | 471,1 | 469,3 | 463,1 | 453,7 | 443,9 | 437,2 |
Если оставить пока в стороне самый нижний слой атмосферы, где распределение температуры, давления, а также и течений очень неравномерно, то на некоторой высоте, как видно из таблички, вследствие восходящего тока нагретого воздуха близ экватора, мы находим над этим последним повышенное давление, равномерно уменьшающееся к полюсам и здесь достигающее своей наименьшей величины. При таком распределении давления на этих высотах над земной поверхностью должен образоваться грандиозный поток, охватывающий целое полушарие и относящий поднимающиеся вблизи экватора массы теплого, нагретого воздуха к центрам низкого давления, - к полюсам. Если принять в расчет еще отклоняющее действие центробежной силы, происходящей от суточного вращения земли вокруг своей оси, которое должно отклонить всякое движущееся тело вправо от первоначального направления в северном, влево - в южном полушариях, то на рассматриваемых высотах в каждом полушарии образовавшийся поток превратится, очевидно, в огромный вихрь, переносящий массы воздуха в направлении от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку - в южном полушарии.
Наблюдения над движением перистых облаков и другие подтверждают эти теоретические выводы. По мере того, как суживаются, с приближением к полюсам, круги широт, скорость движения воздушных масс в этих вихрях будет возрастать, но до известного предела; затем она делается более постоянной. Вблизи полюса притекающие массы воздуха должны опускаться вниз, уступая место вновь притекающему воздуху, образуя нисходящий поток, а затем понизу должны течь обратно к экватору. Между обоими потоками должен находиться на некоторой высоте нейтральный слой воздуха, находящегося в покое. Внизу, однако, такого правильного переноса масс воздуха от полюсов к экватору не наблюдается: предшествующая табличка показывает, что в нижнем слое воздуха давление атмосферы будет внизу наивысшим не на полюсах, каким оно должно было бы быть при правильном, соответствующем верхнему, его распределении. Наивысшее давление в нижнем слое падает на широту около 30°-35° в обоих полушариях; следовательно, от этих центров повышенного давления нижние течения будут направляться и к полюсам, и к экватору, образуя две обособленные системы ветров. Причина этого явления, теоретически также разъясненного Феррелем, заключается в следующем. Оказывается, что на некоторой высоте над земною поверхностью, в зависимости от изменения широты места, величины градиента и коэффициента трения, меридиональная слагающая скорости движения масс воздуха может упасть до 0. Это именно и происходит в широтах ок. 30°-35°: здесь на некоторой высоте не только поэтому не существует движения воздуха, по направлению к полюсам, но даже идет, вследствие его непрерывного притока от экватора и от полюсов, его накопление, которое и ведет к повышению в этих широтах давления внизу. Таким образом, у самой поверхности земли в каждом полушарии возникают, как уже упомянуто, две системы течений: от 30° к полюсам дуют ветры, направленные в среднем от юго-запада к северо-востоку в северном, от северо-запада к юго-востоку в южном полушарии; от 30° к экватору дуют ветры от СВ к ЮЗ в северном, от ЮВ к СЗ в южном полушарии. Эти две последние системы ветров, дующих в обоих полушариях между экватором и широтою 31°, образуют как бы широкое кольцо, разделяющее в нижних и средних слоях атмосферы оба грандиозных вихря, переносящие воздух от экватора к полюсам (см. также Давление атмосферы). Там, где образуются восходящие и нисходящие потоки воздуха, наблюдаются затишья; таково именно происхождение экваториального и тропических поясов тишины; подобный же пояс тишины должен, по Феррелю, существовать и на полюсах.
Куда же, однако, девается растекающийся от полюсов к экватору по низу обратный поток воздуха? Но необходимо принять во внимание, что по мере удаления от полюсов размеры кругов широт, а следовательно, и площади поясов равной ширины, занимаемые растекающимися массами воздуха, быстро возрастают; что скорость потоков должна быстро уменьшаться обратно пропорционально увеличению этих площадей; что на полюсах, наконец, опускается сверху вниз сильно разреженный в верхних слоях воздух, объем которого весьма быстро уменьшается по мере возрастания книзу давления. Все эти причины объясняют вполне, почему трудно, и даже прямо невозможно, уследить на некотором расстояния от полюсов за этими обратными нижними потоками. Такова в общих чертах схема общей циркуляционной атмосферы в предположении равномерного распределения суши и вод по параллелям, данная Феррелем. Наблюдения вполне ее подтверждают. Только в нижнем слое атмосферы воздушные течения будут, как это указывает и сам Феррель, много сложнее этой схемы именно вследствие неравномерности распределения суши и вод, и неодинаковости их нагревания лучами солнца и их охлаждения при отсутствии или уменьшении инсоляции; горы и возвышенности также немало влияют на перемещения самых нижних слоев атмосферы.
Внимательное изучение перемещений атмосферы вблизи земной поверхности показывает вообще, что вихревые системы представляют собою основную форму таких перемещений. Начиная с грандиозных вихрей, обнимающих, по Феррелю, каждый целое полушарие, вихрей, как их можно назвать, первого порядка, вблизи земной поверхности приходится наблюдать последовательно уменьшающиеся в своих размерах вихревые системы, до элементарно малых и простых вихрей включительно. Как результат взаимодействия различных по своим скоростям и направлениям потоков в области вихрей первого порядка, вблизи земной поверхности возникают вихри второго порядка - упомянутые в начале настоящей статьи постоянные и временные барометрические максимумы и минимумы, представляющие по своему происхождению как бы производную предыдущих вихрей. Изучение образования гроз привело А. В. Клоссовского и других исследователей к заключению, что и эти явления суть не что иное, как подобные же по строению, но несравненно меньшие по размерам сравнительно с предыдущими, вихри третьего порядка. Эти вихри возникают, по-видимому, на окраинах барометрических минимумов (вихрей второго порядка) совершенно подобно тому, как вокруг крупного углубления, образуемого на воде веслом, которым мы гребем при плавании на лодке, образуются мелкие, весьма быстро крутящиеся и исчезающие водовороты. Совершенно таким же образом барометрические минимумы второго порядка, представляющие собою мощные воздушные круговороты, при своем движении образуют более мелкие воздуховороты, имеющие, по сравнению с образующим их минимумом, очень незначительные размеры.
Если эти вихри сопровождаются электрическими явлениями, что может быть нередко вызвано соответствующими условиями температуры и влажности в притекающем к центру барометрического минимума по низу воздухе, то они являются в виде грозовых вихрей, сопровождаемых обычными явлениями электрического разряда, громом и молнией. Если условия не благоприятствуют развитию грозовых явлений, эти вихри третьего порядка мы наблюдаем в виде быстро преходящих бурь, шквалов, ливней и т. п. Есть, однако, полное основание думать, что и этими тремя категориями, столь различными по масштабу явления, вихревые движения атмосферы не исчерпываются. Строение смерчей, тромбов и т. п. явлений показывает, что и в этих явлениях мы имеем дело также с настоящими вихрями; но размеры этих вихрей четвертого порядка еще меньше, еще незначительнее, чем вихрей грозовых. Изучение движений атмосферы приводит нас, таким образом, к заключению, что перемещения воздушных масс происходят преимущественно - если не исключительно - путем возникновения вихрей. Возникая под влиянием чисто температурных условий, вихри первого порядка, охватывающие каждый целое полушарие, дают начало вблизи земной поверхности вихрям меньших размеров; эти, в свою очередь, являются причиной возникновения еще более мелких вихрей. Происходит как бы постепенная дифференцировка более крупных вихрей в более мелкие; но основной характер всех этих вихревых систем остается совершенно один и тот же, начиная с более крупных и до самых незначительных по своим размерам, даже у смерчей и тромбов.
Относительно вихрей второго порядка - постоянных и временных барометрических максимумов и минимумов - остается сказать еще следующее. Исследования Гофмейера, Тейссеран де Бора и Гильдебрандсона указали на тесную связь между возникновением и особенно перемещением максимумов и минимумов временных с изменениями, претерпеваемыми максимумами и минимумами постоянными. Уже то, что эти последние при всевозможных изменениях погоды в окружающих их областях весьма мало изменяют свои границы или контуры, указывает, что здесь мы имеем дело с некоторыми постоянно действующими причинами, лежащими выше воздействия обычных факторов погоды. По Тейссеран де Бору, разности давления, обусловленные неравномерностью нагревания или охлаждения различных частей земной поверхности, суммируясь под влиянием непрерывного нарастания первичного фактора в течение более или менее продолжительного промежутка времени, дают начало крупным барометрическим максимумам и минимумам. Если первичная причина действует непрерывно или достаточно продолжительно, результатом ее действия явятся постоянные, устойчивые вихревые системы. Достигнув известных размеров и достаточной интенсивности, такие постоянные максимумы и минимумы являются уже определителями или регуляторами погоды на огромных районах в их окружности. Такие крупные, постоянные максимумы и минимумы получили в последнее время, когда выяснилась их роль в явлениях погоды окружающих их стран, название центров действия атмосферы. Вследствие неизменности в конфигурации земной поверхности и вытекающей отсюда непрерывности воздействия первичной причины, вызывающей их существование, положение таких максимумов и минимумов на земном шаре является вполне определенным и неизменным до известной степени. Но, в зависимости от различных условий, их границы и их интенсивность могут в известных пределах изменяться. А эти изменения их интенсивности и их очертаний, в свою очередь, должны отозваться на погоде не только соседних, а иногда даже и довольно отдаленных стран. Так, исследования Тейссеран де Бора вполне установили зависимость погоды в Европе от одного из следующих центров действия: аномалии отрицательного характера, сопровождающиеся понижением температуры сравнительно с нормальною, вызываются усилением и расширением Сибирского максимума или же усилением и надвиганием Азорского максимума; аномалии положительного характера - с повышением температуры против нормальной - находятся в прямой зависимости от перемещения и интенсивности Исландского минимума. Гильдебрандсон пошел в этом направлении еще далее и вполне успешно попытался связать изменения в интенсивности и передвижения двух названных Атлантических центров с изменениями не только Сибирского максимума, но и центров давления на Индийском океане.
Воздушные массы
Наблюдения за погодой получили достаточно широкое распространение во второй половине 19 века. Они были необходимы для составления синоптических карт, показывающих распределение давления и температуры воздуха, ветра и осадков. В результате анализа этих наблюдений сложилось представление о воздушных массах. Это понятие позволило объединять отдельные элементы, выявлять различные условия погоды и давать её прогнозы.
Воздушной массой называется большой объём воздуха, имеющий горизонтальные размеры несколько сотен или тысячи километров и вертикальные размеры – порядка 5 км, характеризующийся примерной однородностью температуры и влажности и перемещающийся как единая система в одном из течений общей циркуляции атмосферы (ОЦА)
Однородность свойств воздушной массы достигается формированием её над однородной подстилающей поверхностью и в сходных радиационных условиях. Кроме того, необходимы такие циркуляционные условия, при которых воздушная масса длительно задерживалась бы в районе формирования.
Значения метеорологических элементов в пределах воздушной массы меняются незначительно – сохраняется их непрерывность, горизонтальные градиенты малы. При анализе метеорологических полей до тех пор, пока мы остаемся в данной воздушной массе, можно с достаточным приближением применять линейную графическую интерполяцию при проведении, например, изотерм.
Резкое возрастание горизонтальных градиентов метеорологических величин, приближающееся к скачкообразному переходу от одних значений к другим, или, по крайней мере, изменение величины и направления градиентов происходит в переходной (фронтальной зоне) между двумя воздушными массами. В качестве наиболее характерного признака той или иной воздушной массы принимается псевдопотенциальная температура воздуха, отражающая и действительную температуру воздуха и его влажность.
Псевдопотенциальная температура воздуха – температура, которую бы принял воздух при адиабатическом процессе, если бы сначала весь содержащийся в нём водяной пар сконденсировался при неограниченно падающем давлении и выпал из воздуха и выделившаяся скрытая теплота пошла бы на нагревание воздуха, а затем воздух был бы приведён под стандартное давление.
Поскольку более тёплая воздушная масса обычно бывает и более влажной, то разность псевдопотенциальных температур двух соседних воздушных масс бывает значительно большей, чем разность их действительных температур. Вместе с тем, псевдопотенциальная температура медленно изменяется с высотой в пределах данной воздушной массы. Это её свойство помогает определять напластование воздушных масс одной над другой в тропосфере.
Масштабы воздушных масс
Воздушные массы имеют тот же порядок, что и основные течения общей циркуляции атмосферы. Линейная протяженность воздушных масс в горизонтальном направлении измеряется тысячами километров. По вертикали воздушные массы простираются вверх на несколько километров тропосферы, иногда до её верхней границы.
При местных циркуляциях, таких, например, как бризы, горно-долинные ветры, фены, воздух в циркуляционном потоке также более или менее обособлен по свойствам и движению от окружающей атмосферы. Однако в этом случае говорить о воздушных массах нельзя, поскольку масштаб явлений здесь будет иной.
Например, полоса, охваченная бризом, может иметь ширину всего 1-2 десятка километров, и потому не получит достаточного отражения на синоптической карте. Вертикальная мощность бризового течения также равна нескольким сотням метров. Таким образом, при местных циркуляциях мы имеем дело не с самостоятельными воздушными массами, а лишь с возмущённым состоянием внутри воздушных масс на небольшом протяжении.
Объекты, возникающие в результате взаимодействия воздушных масс – переходные зоны (фронтальные поверхности), фронтальные облачные системы облачности и осадков, циклонические возмущения, имеют тот же порядок величины, что и сами воздушные массы – сравнимы по площади с большими частями материков или океанов и время их существования – более 2-х суток (табл. 4 ):
Воздушная масса имеет чёткие границы, отделяющие её от других воздушных масс.
Переходные зоны между воздушными массами, обладающими различными свойствами, называются фронтальными поверхностями.
В пределах одной и той же воздушной массы можно с достаточным приближением применять графическую интерполяцию, например, при проведении изотерм. Но при переходе через фронтальную зону из одной воздушной массы в другую линейная интерполяция уже не даст правильного представления о действительном распределении метеорологических элементов.
Очаги формирования воздушных масс
Воздушная масса приобретает чёткие характеристики в очаге формирования.
Очаг формирования воздушных масс должен отвечать определённым требованиям:
Однородность подстилающей поверхности воды или суши, чтобы воздух в очаге подвергался достаточно сходным воздействиям.
Однородность радиационных условий.
Циркуляционные условия, способствующие стационированию воздуха в данном районе.
Очагами формирования обычно бывают области, где воздух опускается, а затем распространяется в горизонтальном направлении - этому требованию отвечают антициклонические системы. Антициклоны чаще, чем циклоны, бывают малоподвижными, поэтому формирование воздушных масс обычно и происходит в обширных малоподвижных (квазистационарных) антициклонах.
Кроме того, требованиям очага отвечают малоподвижные и размытые термические депрессии, возникающие над нагретыми участками суши.
Наконец, формирование полярного воздуха происходит частично в верхних слоях атмосферы в малоподвижных, обширных и глубоких центральных циклонах в высоких широтах. В этих барических системах происходит трансформация (превращение) тропического воздуха, втянутого в высокие широты в верхних слоях тропосферы, в полярный воздух. Все перечисленные барические системы также можно назвать очагами воздушных масс уже не с географической, а с синоптической точки зрения.
Географическая классификация воздушных масс
Воздушные массы классифицируют, прежде всего, по очагам их формирования в зависимости от расположения в одном из широтных поясов – арктическом, или антарктическом, полярном, или умеренных широт, тропическом и экваториальном.
Согласно географической классификации, воздушные массы можно подразделить на основные географические типы по тем широтным зонам, в которых располагаются их очаги:
Арктический или антарктический воздух (АВ),
Полярный, или умеренный, воздух (ПВ или УВ),
Тропический воздух (ТВ). Данные воздушные массы, кроме того, подразделяют на морские (м) и континентальные (к) воздушные массы: мАВ и кАВ, мУВ и кУВ (или мПВ и кПВ), мТВ и кТВ.
Экваториальные воздушные массы (ЭВ)
Что касается экваториальных широт, здесь происходит конвергенция (сходимость потоков) и подъём воздуха, поэтому располагающиеся над экватором воздушные массы обычно приносятся из субтропической зоны. Но иногда выделяют самостоятельные экваториальные воздушные массы.
Иногда, кроме очагов в точном смысле слова, выделяют районы, где зимой воздушные массы трансформируются из одного типа в другой при их перемещении. Это районы в Атлантике южнее Гренландии и в Тихом океане над Беринговым и Охотским морями, где кПВ превращается в мПВ, районы над Юго-восточной частью Северной Америки и к югу от Японии в Тихом океане, где кПВ превращается в мПВ в процессе зимнего муссона, и район на юге Азии, где азиатский кПВ превращается в тропический воздух (также в муссонном потоке)
Трансформация воздушных масс
При изменении циркуляционных условий воздушная масса как единое целое смещается из очага своего формирования в соседние районы, взаимодействуя с другими воздушными массами.
При перемещении воздушная масса начинает изменять свои свойства – они уже будут зависеть не только от свойств очага формирования, но и от свойств соседних воздушных масс, от свойств подстилающей поверхности, над которой проходит воздушная масса, а также от длительности времени, прошедшего с момента образования воздушной массы.
Эти влияния могут вызвать изменения в содержании влаги в воздухе, а также изменение температуры воздуха в результате высвобождения скрытой теплоты или теплообмена с подстилающей поверхностью.
Процесс изменения свойств воздушной массы называется трансформацией или эволюцией.
Трансформация, связанная с движением воздушной массы, называется динамической. Скорости перемещения воздушной массы на разных высотах будут различными, наличие сдвига скоростей вызывает турбулентное перемешивание. Если нижние слои воздуха нагреваются, то возникает неустойчивость и развивается конвективное перемешивание.
Конденсация это изменение совтояния вещества из газообразного в жидкое или твёрдое. Но что такое конденсация в мастабе планеты?
В каждый момент времени атмосферапланеты Земля содержит свыше 13 миллиардов тонн влаги. Эта цифра практически постоянна, так как потери за счет выпадения осадков, в конечном счете, непрерывно восполняются испарением.
Скорость кругооборота влаги в атмосфере
Скорость кругооборота влаги в атмосфере оценивается колоссальной цифрой - около 16 миллионов тонн в секунду или 505 миллиардов тонн в год. Если бы вдруг весь водяной пар в атмосфере сконденсировался и выпал в виде осадков, то эта вода могла бы покрыть всю поверхность земного шара слоем примерно 2,5 сантиметра, иными словами, атмосфера содержит количество влаги, эквивалентное всего лишь 2,5 сантиметрам дождя.
Сколько времени находится молекула пара в атмосфере?
Так как на Земле в среднем за год выпадает 92 сантиметра, то, следовательно, в атмосфере влага обновляется 36 раз, то есть 36 раз атмосфера насыщается влагой и освобождается от нее. Это значит, что молекула водяного пара пребывает в атмосфере в среднем 10 дней.
Путь молекулы воды
Однажды испарившись, молекула водяного пара дрейфует обычно сотни и тысячи километров, пока не сконденсируется и не выпадет с осадками на Землю. Вода, выпадающая в виде дождя , снега или града на возвышенностях Западной Европы, преодолевает примерно 3000 км от Северной Атлантики. Между превращением жидкой воды в пар и выпадением осадков на Землю совершается несколько физических процессов.
С теплой поверхности Атлантики молекулы воды попадают в теплый влажный воздух, который в дальнейшем поднимается над окружающим его более холодным (более плотным) и более сухим воздухом.
Если при этом будет наблюдаться сильное турбулентное перемешивание воздушных масс, то в атмосфере появится слой перемешивания и облака на границе двух воздушных масс. Около 5% их объема составляет влага. Насыщенный паром воздух всегда легче, во-первых, потому, что он нагрет и поступает с теплой поверхности, во-вторых, потому, что 1 кубический метр чистого пара примерно на 2/5 легче 1 кубический метр чистого сухого воздуха при той же температуре и давлении. Отсюда следует, что влажный воздух легче сухого, а теплый и влажный тем более. Как мы увидим позже, это очень важный факт для процессов изменения погоды.
Перемещение воздушных масс
Воздух может подниматься по двум причинам: либо потому, что становится легче в результате нагревания и увлажнения, либо потому, что на него действуют силы, заставляющие его подниматься над некоторыми препятствиями, например над массами более холодного и плотного воздуха или над холмами и горами.
Охлаждение
Поднимающийся воздух, попав в слои с меньшим атмосферным давлением, вынужден расширяться и при этом охлаждаться. Расширение требует затрат кинетической энергии, которая берется за счет тепловой и потенциальной энергии атмосферного воздуха, а этот процесс неизбежно ведет к понижению температуры. Скорость охлаждения поднимающейся порции воздуха часто меняется, если эта порция перемешивается с окружающим воздухом.
Сухоадиабатический градиент
Сухой воздух, в котором отсутствует конденсация или испарение, а также перемешивание, не получающий энергию в другой форме, охлаждается или нагревается на постоянную величину (на 1°С через каждые 100 метров) по мере подъема или опускания. Эту величину называют сухоадиабатическим градиентом. Но если поднимающаяся воздушная масса влажная и в ней происходит конденсация, то при этом выделяется скрытая теплота конденсации и температура насыщенного паром воздуха падает значительно медленнее.
Влажноадиабатический градиент
Эта величина изменения температуры называется влажно-адиабатическим градиентом. Она не постоянна, а изменяется с изменением величины высвобождающейся скрытой теплоты, другими словами, она зависит от количества конденсируемого пара. Количество же пара зависит от того, насколько сильно понижается температура воздуха. В нижних слоях атмосферы, где воздух теплый и влажность высокая, влажно-адиабатический градиент чуть больше половины сухоадиабатического градиента. Но влажно-адиабатический градиент постепенно растет с высотой и на очень большой высоте в тропосфере практически равен сухоадиабатическому градиенту.
Плавучесть движущегося воздуха определяется соотношением между его температурой и температурой окружающего воздуха. Как правило, в реальной атмосфере температура воздуха падает с высотой неравномерно (это изменение называется просто градиентом).
Если масса воздуха теплее и поэтому менее плотная, чем окружающий воздух (а влагосодержание постоянно), то она поднимается вверх так же, как детский мяч, погруженный в бак. И наоборот, когда движущийся воздух холоднее окружающего, то плотность его выше и он опускается. Если воздух имеет ту же самую температуру, что и соседние массы, то их плотность равна и масса остается неподвижной или движется только вместе с окружающим воздухом.
Таким образом, в атмосфере присутствуют два процесса, один из которых способствует развитию вертикального движения воздуха, а другой замедляет его.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Наряду с географической широтой важным климатообразующим фактором является циркуляция атмосферы, т. е. перемещение воздушных масс.
Воздушные массы - значительные объёмы воздуха тропосферы, который обладает определёнными свойствами (температура, влагосодержание), зависящими от особенностей района его формирования и движущиеся как единое целое.
Протяжённость воздушной массы может составлять тысячи километров, а вверх она может простираться до верхней границы тропосферы.
Воздушные массы по скорости перемещения разделяют на две группы: движущиеся и местные. Движущиеся воздушные массы в зависимости от температуры подстилающей поверхности делятся на теплые и холодные. Теплая воздушная масса - движущаяся на холодную подстилающую поверхность, холодная масса - движущаяся на более теплую поверхность. Местные воздушные массы - это воздушные массы, которые длительное время не меняют своё географическое положение. Они могут быть устойчивыми и неустойчивыми в зависимости от сезона, а также сухими и влажными.
Выделяют четыре основных типа воздушных масс: экваториальные, тропические, умеренные, арктические (антарктические). Кроме того, каждый из типов подразделяется на подтипы: морские и континентальные, различающиеся меж собой по влажности. Например, морская арктическая масса формируется над северными морями - Баренцевым и Белым морем, характеризуется, как и континентальная воздушная масса, но с немного повышенной влажностью (см. рис. 1).
Рис. 1. Район формирования арктических воздушных масс
Климат России формирует в той или иной степени все воздушные массы, за исключением экваториальной.
Рассмотрим свойства различных масс циркулирующих на территории нашей страны. Арктическая воздушная масса формируется преимущественно над Арктикой в полярных широтах, характеризуется низкими температурами зимой и летом. Ей присуща низкая абсолютная влажность и высокая относительная. Эта воздушная масса господствует круглый год в арктическом поясе, а зимой перемещается в субарктику. Умеренная воздушная масса формируется в умеренных широтах, где в зависимости от времени года изменяется температура: летом относительно высокая, зимой относительно низкая. По сезонам года от места формирования зависит и влажность. Эта воздушная масса господствует в умеренном поясе. Отчасти, на территории России преобладают тропические воздушные массы. Они формируются в тропических широтах и имеют высокую температуру. Абсолютная влажность зависит от места формирования, а относительная влажность обычно низкая (см. рис. 2).
Рис. 2. Характеристика воздушных масс
Прохождение различных воздушных масс на территории России обуславливает разницу в погодах. Например, все «волны холода» на территории нашей страны приходящие с севера, - это арктические воздушные массы, а на юг европейской части приходят тропические воздушные массы малой Азии или, иногда, с севера Африки (именно они приносят жаркую, сухую погоду).
Рассмотрим, как воздушные массы циркулируют по территории нашей страны.
Циркуляция атмосферы - это система движений масс воздуха. Различают общую циркуляцию атмосферы в масштабе всего земного шара и местную циркуляцию атмосферы над отдельными территориями и акваториями.
Процесс циркуляции воздушных масс обеспечивает территорию влагой, а также влияет на температуру. Воздушные массы перемещаются под действием центров атмосферного давления, а центры меняются в зависимости от времени года. Именно поэтому изменяются направления господствующих ветров, которые приносят на территорию нашей страны воздушные массы. Например, Европейская Россия и западные районы Сибири находятся под воздействием постоянных западных ветров. С ними поступают морские умеренные воздушные массы умеренных широт. Они формируются над Атлантикой (см. рис. 3).
Рис. 3. Движение морских умеренных воздушных масс
Когда ослабевает западный перенос, с северными ветрами приходит арктическая воздушная масса. Она приносит резкое похолодание, раннее осенние и поздние весенние заморозки (см. рис. 4).
Рис. 4. Движение Арктической воздушной массы
Континентальный тропический воздух на территорию азиатской части нашей страны приходит из Средней Азии или из Северного Китая, а в европейскую часть страны приходит с полуострова Малая Азия или даже с Северной Африки, но чаще такой воздух формируется на территории Северной Азии, Казахстана, Прикаспийской низменности. Эти территории лежат в умеренном климатическом поясе. Однако воздух над ними летом очень сильно прогревается и приобретает свойства тропической воздушной массы. Континентальная умеренная воздушная масса круглый год преобладает в западных районах Сибири, поэтому зима здесь ясная и морозная, а лето достаточно тёплое. Даже над Северным Ледовитым океаном в Гренландии бывают зимы теплее.
Из-за сильного охлаждения над азиатской частью нашей страны в Восточной Сибири формируется область сильного охлаждения (область высокого давления - ). Его центр располагается в районах Забайкалья, республике Тыва и Северной Монголии. Очень холодный континентальный воздух растекается от него в разные стороны. Он распространяет свое влияние на огромные территории. Одно его направление - это северо-восток вплоть до Чукотского побережья, второе - на запад через Северный Казахстан и юг Русской (Восточно-Европейской) равнины примерно до 50ºс.ш. Устанавливается ясная и морозная погода с небольшим количеством снега. Летом из-за прогревания азиатский максимум (Сибирский антициклон) исчезает и устанавливается пониженное давление (см. рис. 5).
Рис. 5. Сибирский антициклон
Сезонное чередование областей высокого и низкого давления формирует на Дальнем Востоке муссонную циркуляцию атмосферы. Важно представлять себе, что, проходя по определённым территориям, воздушные массы могут изменяться в зависимости от свойства подстилающей поверхности. Этот процесс называется трансформацией воздушных масс . Например, арктическая воздушная масса, будучи сухой и холодной, проходя по территории Восточно-Европейской (Русской) равнине нагревается и в районе Прикаспийской низменности становится очень сухой и жаркой, что является причиной суховеев.
Азиатский максимум , или, как его называют, сибирский антициклон - это область повышенного давления, которая формируется над Центральной Азией и Восточной Сибирью. Проявляется зимой и образуется в результате выхолаживания территории в условиях огромных размеров и котловинного рельефа. В центральной части максимума над Монголией и Южной Сибирью давление в январе иногда достигает 800 мм рт. ст. Это самое высокое зафиксированное на земле давление. Зимой сюда простирается великий Сибирский антициклон, особенно устойчивый с ноября по март. Зима здесь такая безветренная, что при малой снежности ветви деревьев подолгу белеют от «нестряхиваемого» снега. Морозы уже с октября достигают -20… -30ºС, а в январе же нередко доходит до -60ºC. Средняя температура за месяц опускается до -43º, особенно холодно в низинах, где застаивается холодный тяжёлый воздух. При безветрии сильные морозы переносятся не так тяжело, но при -50º уже трудно дышится, наблюдаются низовые туманы. Такие морозы затрудняют посадку самолётов.
Список литературы
- География России. Природа. Население. 1 ч. 8 класс / В.П. Дронов, И.И. Баринова, В.Я Ром, А.А. Лобжанидзе.
- В.Б. Пятунин, Е.А. Таможняя. География России. Природа. Население. 8 класс.
- Атлас. География России. Население и хозяйство. - М.: Дрофа, 2012.
- В.П.Дронов, Л.Е Савельева. УМК (учебно-методический комплект) «СФЕРЫ». Учебник «Россия: природа, население, хозяйство. 8 класс». Атлас.
- Климатообразующие факторы и циркуляция атмосферы ().
- Свойства воздушных масс, формирующих климат России ().
- Западный перенос воздушных масс ().
- Воздушные массы ().
- Циркуляция атмосферы ().
Домашнее задание
- Какой перенос воздушных масс господствует в нашей стране?
- Какими свойствами обладают воздушные массы, и от чего это зависит?
Движения воздушных масс
Воздух находится в непрерывном движении, особенно благодаря деятельности циклонов и антициклонов.
Тёплая воздушная масса, которая движется из тёплых районов в более холодные, своим приходом вызывает неожиданное потепление. При этом от соприкосновения с более холодной земной поверхностью движущаяся воздушная масса снизу охлаждается и прилегающие к земле слои воздуха могут оказаться даже холоднее верхних слоёв. Охлаждение тёплой воздушной массы, идущее снизу, вызывает конденсацию водяного пара в самых нижних слоях воздуха, в результате образуются облака и выпадают осадки. Эти облака располагаются невысоко, часто опускаются до земли и вызывают туманы. В нижних слоях тёплой воздушной массы довольно тепло и ледяных кристаллов нет. Поэтому они не могут давать обильных осадков, лишь иногда выпадает мелкий, моросящий дождь. Облака тёплой воздушной массы заволакивают всё небо ровным покровом (тогда их называют слоистыми) или слегка волнистым слоем (тогда их называют слоисто-кучевыми).
Холодная воздушная масса движется из холодных районов в более тёплые и приносит похолодание. Передвигаясь на более тёплую земную поверхность, она непрерывно подогревается снизу.При нагревании не только не происходит конденсации, но и уже имеющиеся облака и туманы должны испаряться, тем не менее небо не становится безоблачным, просто облака образуются совсем по другим причинам. При нагревании все тела нагреваются и плотность их уменьшается, поэтому когда самый нижний слой воздуха нагревается и расширяется, он становится более лёгким и как бы всплывает в виде отдельных пузырей или струй и на его место опускается более тяжёлый холодный воздух. Воздух, как и любой газ, при сжатии нагревается, а при расширении охлаждается. Атмосферное давление с высотой уменьшается, поэтому воздух, поднимаясь, расширяется и охлаждается на 1 градус на каждые 100м подъёма, и в результате на определённой высоте в нём начинается конденсация и образование облаков.Опускающиеся струи воздуха от сжатия нагреваются и в них не только ничего не конденсируется, но даже испаряются попадающие в них остатки облаков. Поэтому облака холодных воздушных масс представляют собой нагромождающиеся в высоту клубы с просветами между ними. Такие облака называются кучевыми или кучево-дождевыми. Они никогда не опускаются до земли и не переходят в туманы, и, как правило, не закрывают весь видимый небосвод. В таких облаках восходящие потоки воздуха увлекают за собой водяные капли в те слои, где всегда имеются ледяные кристаллики, при этом облако теряет характерную форму "цветной капусты" и облако превращается в кучево-дождевое. С этого момента из облака выпадают осадки, хотя и сильные, но непродолжительные из-за малых размеров облаков. Поэтому погода холодных воздушных масс очень неустойчива.
Атмосферный фронт
Граница соприкосновения разных воздушных масс называется атмосферным фронтом. На синоптических картах эта граница представляет собой линию, которую метеорологи называют «линия фронта». Граница между тёплой и холодной воздушной массой является почти горизонтальной поверхностью, незаметно опускающейся к линии фронта. Холодный воздух находится под этой поверхностью, а тёплый сверху. Так как воздушные массы всё время в движении, то и граница между ними всё время сдвигается. Интересная особенность: через центр области пониженного давления обязательно проходит линия фронта, а через центры областей повышенного давления фронт не проходит никогда.
Тёплый фронт возникает при продвижении вперёд тёплой воздушной массы и отступлении холодной. Тёплый воздух, как более лёгкий, наползает на холодный. Из-за того, что подъём воздуха приводит к его охлаждению, над поверхностью фронта образуются облака. Тёплый воздух взбирается вверх достаточно медленно, поэтому облачность тёплого фронта представляет собой ровную пелену перисто-слоистых и высокослоистых облаков, которая имеет ширину несколько сот метров и иногда на тысячи километров в длину. Чем дальше впереди линии фронта находятся облака, тем они выше и тоньше.
Холодный фронт движется в сторону тёплого воздуха. При этом холодный воздух подлезает под тёплый. Нижняя часть холодного фронта из-за трения о земную поверхность отстаёт от верхней, поэтому поверхность фронта выпячивается вперёд.
Атмосферные вихри
Развитие и перемещение циклонов и антициклонов приводит к переносам воздушных масс на значительные расстояния и соответствующим непериодическим изменениям погоды, связанным со сменой направлений и скоростей ветра, с увеличением или уменьшением облачности и осадков. В циклонах и антициклонах воздух перемещается в сторону уменьшения атмосферного давления, отклоняясь под действием разных сил: центробежной, Кориолиса, трения и др. В результате в циклонах ветер направлен к его центру с вращением против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном, в антициклонах, наооборот, от центра с противоположным вращением.
Цикло́н - атмосферный вихрь огромного (от сотен до 2-3 тысяч километров) диаметра с пониженным атмосферным давлением в центре. Различают циклоны внетропические и тропические.
Тропические циклоны (тайфуны) обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже. Они образуются в тропических широтах (от 5° до 30° каждого полушария) и имеют меньшие размеры (сотни, редко - более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до ураганных. Для таких циклонов характерен «глаз бури» - центральная область диаметром 20-30 км с относительно ясной и безветренной погодой. Вокруг располагаются мощные сплошные скопления кучево-дождевых облаков с сильнейшими дождями. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические.
Внетропические циклоны образуются в основном на атмосферных фронтах, чаще всего находящихся в субполярных районах, способствуют самым значительным изменениям погоды. Для циклонов характерна облачная и дождливая погода, с ними связана большая часть осадков в умеренной зоне. В центре внетропического циклона наиболее интенсивные осадки и наиболее густая облачность.
Антициклон - область повышенного атмосферного давления. Обычно погода антициклона ясная или малооблачная. Имеют значение для погоды также маломасштабные вихри (смерчи, тромбы, торнадо).
Пого́да - совокупность значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в определённый момент времени в той или иной точке пространства. Понятие «Погода» относится к текущему состоянию атмосферы, в противоположность понятию «Климат», которое относится к среднему состоянию атмосферы за длительный период времени. Если нет уточнений, то под термином «Погода» понимают погоду на Земле. Погодные явления протекают в тропосфере (нижней части атмосферы) и в гидросфере. Погоду можно описать давлением, температурой и влажностью воздуха, силой и направлением ветра, облачностью, атмосферными осадками, дальностью видимости, атмосферными явлениями (туманами, метелями, грозами) и другими метеорологическими элементами.
Кли́мат (др.-греч. κλίμα (род. п. κλίματος) - наклон) - многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического местоположения.
Климат - статистический ансамбль состояний, через который проходит система: гидросфера → литосфера → атмосфера за несколько десятилетий. Под климатом принято понимать усреднённое значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий) то есть климат - это средняя погода. Таким образом, погода - это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура, влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата нужен значимый тренд характеристик атмосферы за длительный период времени порядка десятка лет. Основными глобальными геофизическими циклическими процессами, формирующими климатические условия на Земле, являются теплооборот, влагооборот и общая циркуляция атмосферы.
Распределение осадков на Земле. Атмосферные осадки на земной поверхности распределяются очень неравномерно. Одни территории страдают от избытка влаги, другие – от ее недостатка. Очень мало осадков получают территории, расположенные вдоль Северного и Южного тропиков, где высокие температуры и потребность в осадках особенно велика. Огромные территории земного шара, имеющие много тепла, не используются в сельском хозяйстве из-за недостатка влаги.
Чем же можно объяснить неравномерное распределение осадков на земной поверхности? Вы, наверное, уже догадались, что главная причина – размещение поясов низкого и высокого атмосферного давления. Так, у экватора в поясе низкого давления постоянно нагретый воздух содержит много влаги; поднимаясь вверх, он охлаждается и становится насыщенным. Поэтому в области экватора образуется много облаков и идут обильные дожди. Немало выпадает осадков и в других областях земной поверхности (см. рис. 18), где низкое давление.
Климатообразующие факторыВ поясах высокого давления преобладают нисходящие токи воздуха. Холодный воздух, опускаясь, содержит мало влаги. При опускании он сжимается и нагревается, благодаря чему становится суше. Поэтому в областях повышенного давления над тропиками и у полюсов осадков выпадает мало.
ЗОНАЛЬНОСТЬ КЛИМАТИЧЕСКАЯ
Подразделение земной поверхности по общности климатических условий на крупные зоны, представляющие собой части поверхности земного шара, имеющие более или менее широтное протяжение и выделенные по определенным климатическим показателям. З. к. не обязательно должна охватывать по широте все полушарие. В климатических зонах выделяются климатические обл. Различают вертикальные зоны, выделяемые в горах и лежащие одна над другой. Каждая из этих зон обладает определенным климатом. В разных широтных зонах одноименные вертикальные климатические зоны будут различны по особенностям климата.
Эколого-геологическая роль атмосферных процессов
Уменьшение прозрачности атмосферы за счет появления в ней аэрозольных частиц и твердой пыли влияет на распределение солнечной радиации, увеличивая альбедо или отражательную способность. К такому же результату приводят и разнообразные химические реакции, вызывающие разложение озона и генерацию «перламутровых» облаков, состоящих из водяного пара. Глобальное изменение отражательной способности, так же как изменения газового состава атмосферы, главным образом парниковых газов, являются причиной климатических изменений.
Неравномерное нагревание, вызывающее различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности, приводит к атмосферной циркуляции, которая является отличительной чертой тропосферы. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из областей повышенного давления в область пониженных давлений. Эти перемещения воздушных масс вместе с влажностью и температурой определяют основные эколого-геологические особенности атмосферных процессов.
В зависимости от скорости ветер производит на земной поверхности различную геологическую работу. При скорости 10 м/с он качает толстые ветви деревьев, поднимает и переносит пыль и мелкий песок; со скоростью 20 м/с ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий; со скоростью 30 м/с (буря) срывает крыши домов, вырывает с корнем деревья, ломает столбы, передвигает гальку и переносит мелкий щебень, а ураганный ветер со скоростью 40 м/с разрушает дома, ломает и сносит столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья.
Большое негативное экологическое воздействие с катастрофическими последствиями оказывают шквальные бури и смерчи (торнадо) - атмосферные вихри, возникающие в теплое время года на мощных атмосферных фронтах, имеющие скорость до 100 м/с. Шквалы - это горизонтальные вихри с ураганной скоростью ветра (до 60-80 м/с). Они часто сопровождаются мощными ливнями и грозами продолжительностью от нескольких минут до получаса. Шквалы охватывают территории шириной до 50 км и проходят расстояние в 200-250 км. Шквальная буря в Москве и Подмосковье в 1998 г. повредила крыши многих домов и повалила деревья.
Смерчи, называемые в Северной Америке торнадо, представляют собой мощные воронкообразные атмосферные вихри, часто связанные с грозовыми облаками. Это суживающиеся в середине столбы воздуха диаметром от нескольких десятков до сотен метров. Смерч имеет вид воронки, очень похожей на хобот слона, спускающейся с облаков или поднимающейся с поверхности земли. Обладая сильной разреженностью и высокой скоростью вращения, смерч проходит путь до нескольких сотен километров, втягивая в себя пыль, воду из водоемов и различные предметы. Мощные смерчи сопровождаются грозой, дождем и обладают большой разрушительной силой.
Смерчи редко возникают в приполярных или экваториальных областях, где постоянно холодно или жарко. Мало смерчей в открытом океане. Смерчи происходят в Европе, Японии, Австралии, США, а в России особенно часты в Центрально-Черноземном районе, в Московской, Ярославской, Нижегородской и Ивановской областях.
Смерчи поднимают и перемещают автомобили, дома, вагоны, мосты. Особенно разрушительные смерчи (торнадо) наблюдаются в США. Ежегодно отмечается от 450 до 1500 торнадо с числом жертв в среднем около 100 человек. Смерчи относятся к быстродействующим катастрофическим атмосферным процессам. Они формируются всего за 20-30 мин, а время их существования 30 мин. Поэтому предсказать время и место возникновения смерчей практически невозможно.
Другими разрушительными, но действующими продолжительное время атмосферными вихрями являются циклоны. Они образуются из-за перепада давления, которое в определенных условиях способствует возникновению кругового движения воздушных потоков. Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков влажного теплого воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны в отличие от смерчей зарождаются над океанами и производят свои разрушительные действия над материками. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде снегопада, ливней, града и нагонные наводнения. Ветры со скоростями 19 - 30 м/с образуют бурю, 30 - 35 м/с - шторм, а более 35 м/с - ураган.
Тропические циклоны - ураганы и тайфуны - имеют среднюю ширину в несколько сот километров. Скорость ветра внутри циклона достигает ураганной силы. Длятся тропические циклоны от нескольких дней до нескольких недель, перемещаясь со скоростью от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют больший диаметр. Поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч километров, скорость ветра штормовая. Движутся в северном полушарии с запада и сопровождаются градом и снегопадом, имеющими катастрофический характер. По числу жертв и наносимому ущербу циклоны и связанные с ними ураганы и тайфуны являются самыми крупными после наводнений атмосферными стихийными явлениями. В густонаселенных районах Азии число жертв во время ураганов измеряется тысячами. В 1991 г. в Бангладеш во время урагана, который вызвал образование морских волн высотой 6 м, погибло 125 тыс. человек. Большой ущерб наносят тайфуны территории США. При этом гибнут десятки и сотни людей. В Западной Европе ураганы приносят меньший ущерб.
Катастрофическим атмосферным явлением считаются грозы. Они возникают при очень быстром поднятии теплого влажного воздуха. На границе тропического и субтропического поясов грозы происходят по 90-100 дней в году, в умеренном поясе по 10-30 дней. В нашей стране наибольшее количество гроз случается на Северном Кавказе.
Грозы обычно продолжаются менее часа. Особую опасность представляют интенсивные ливни, градобития, удары молнии, порывы ветра, вертикальные потоки воздуха. Опасность градобития определяется размерами градин. На Северном Кавказе масса градин однажды достигала 0,5 кг, а в Индии отмечены градины массой 7 кг. Наиболее градоопасные районы у нас в стране находятся на Северном Кавказе. В июле 1992 г. град повредил в аэропорту «Минеральные Воды» 18 самолетов.
К опасным атмосферным явлениям относятся молнии. Они убивают людей, скот, вызывают пожары, повреждают электросеть. От гроз и их последствий ежегодно в мире гибнет около 10 000 человек. Причем в некоторых районах Африки, во Франции и США число жертв от молний больше, чем от других стихийных явлений. Ежегодный экономический ущерб от гроз в США составляет не менее 700 млн. долларов.
Засухи характерны для пустынных, степных и лесостепных регионов. Недостаток атмосферных осадков вызывает иссушение почвы, понижение уровня подземных вод и в водоемах до полного их высыхания. Дефицит влаги приводит к гибели растительности и посевов. Особенно сильными бывают засухи в Африке, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии и на юге Северной Америки.
Засухи изменяют условия жизнедеятельности человека, оказывают неблагоприятное воздействие на природную среду через такие процессы, как осолонение почвы, суховеи, пыльные бури, эрозия почвы и лесные пожары. Особенно сильными пожары бывают во время засухи в таежных районах, тропических и субтропических лесах и саваннах.
Засухи относятся к кратковременным процессам, которые продолжаются в течение одного сезона. В том случае, когда засухи длятся более двух сезонов, возникает угроза голода и массовой смертности. Обычно действие засухи распространяется на территорию одной или нескольких стран. Особенно часто продолжительные засухи с трагическими последствиями возникают в Сахельской области Африки.
Большой ущерб приносят такие атмосферные явления, как снегопады, кратковременные ливневые дожди и продолжительные затяжные дожди. Снегопады вызывают массовые сходы лавин в горах, а быстрое таяние выпавшего снега и ливневые продолжительные дожди приводят к наводнениям. Огромная масса воды, падающая на земную поверхность, особенно в безлесных районах, вызывает сильную эрозию почвенного покрова. Происходит интенсивный рост овражно-балочных систем. Наводнения возникают в результате крупных паводков в период обильного выпадения атмосферных осадков или половодья после внезапно наступившего потепления или весеннего таяния снега и, следовательно, по происхождению относятся к атмосферным явлениям (они рассматриваются в главе, посвященной экологической роли гидросферы).
Выве́тривание - разрушение и изменение горных пород под влиянием температуры, воздуха,воды. Совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящих к образованию продуктов выветривания. Происходит за счёт действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы. Если горные породы длительное время находятся на поверхности, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. Различают три вида выветривания: физическое (лёд, вода и ветер) (механическое), химическое и биологическое.
Физическое выветривание
Чем больше разница температур в течение суток, тем быстрее происходит процесс выветривания. Следующим шагом в механическом выветривании является попадание в трещины воды, которая при замерзании увеличивается в объёме на 1/10 своего объёма, что способствует ещё большему выветриванию породы. Если глыбы горных пород попадут, например, в реку, то там они медленно стачиваются и измельчаются под воздействием течения. Селевые потоки, ветер, сила тяжести, землетрясения, извержения вулканов также содействуют физическому выветриванию горных пород. Механическое измельчение горных пород приводит к пропусканию и задерживанию породой воды и воздуха, а также значительному увеличению площади поверхности, что создает благоприятные условия для химического выветривания. В результате катаклизмов с поверхности могут осыпаться породы, образуя плутонические породы. Всё давление на них оказывают боковые породы, из-за чего плутонические породы начинают расширяться, что ведёт к рассыпанию верхнего слоя пород.
Химическое выветривание
Химическое выветривание - это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного изменения их химического состава с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода - энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород - гидролиз, приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решётки на ионы водорода диссооциированных молекул воды:
KAlSi3O8+H2O→HAlSi3O8+KOH
Образующееся основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решётки ортоклаза. При наличии CO2 KOH переходит в форму карбоната:
2KOH+CO2=K2CO3+H2O
Взаимодействие воды с минералами горных пород приводит также и к гидратации - присоединению частиц воды к частицам минералов. Например:
2Fe2O3+3H2O=2Fe2O·3H2O
В зоне химического выветривания также широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы содержащие способные к окислению металлы. Ярким примером окислительных реакций при химическом выветривании является взаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде. Так, при окислении пирита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов.
2FeS2+7O2+H2O=2FeSO4+H2SO4;
12FeSO4+6H2O+3O2=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3;
2Fe2(SO4)3+9H2O=2Fe2O3·3H2O+6H2SO4
Радиационное выветривание
Радиационным выветриванием называется разрушение пород под действием радиационного излучения. Радиационное выветривание оказывает влияние на процесс химического, биологического и физического выветривания. Характерным примером породы, значительно подверженной радиационному выветриванию, может служить лунный реголит.
Биологическое выветривание
Биологическое выветривание производят живые организмы (бактерии, грибки, вирусы, роющие животные, низшие и высшие растения).В процессе своей жизнедеятельности они воздействуют на горные породы механически (разрушение и дробление горных пород растущими корнями растений,при ходьбе,рытье нор животными).Особенно большая роль в биологическом выветривании принадлежит микроорганизмам.
Продукты выветривания
Продуктом выветривания в ряде областей Земли на дневной поверхности являются курумы. Продуктами выветривания в определенных условиях становятся щебень, дресва, «шиферные» обломки, песчаные и глинистые фракции, включая каолин, лессы, отдельные обломки горных пород различных форм и размеров в зависимости от петрографического состава, времени и условий выветривания.